從Ethernet到TSN,曝光一條工業(yè)實時領域的新途徑

實時以太網(wǎng)在過去幾年中經(jīng)歷了巨大的增長，雖然經(jīng)典的現(xiàn)場總線仍大量存在，但它們已經(jīng)過了巔峰期。流行的實時以太網(wǎng)協(xié)議擴展了以太網(wǎng)標準，可以滿足實時功能的要求?，F(xiàn)在，TSN為實時以太網(wǎng)提供了一條新的途徑。

ADI提供的解決方案能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡邊緣的安全性，從而改善現(xiàn)場設備的安全狀況，并且這一功能與具有TSN特性的實時以太網(wǎng)多協(xié)議交換芯片集成。

實時與通信

在工廠自動化和驅動技術的背景下，實時意味著周期時間要安全、可靠地達到10毫秒以下，最低至微秒。為了滿足這些實時要求，以太網(wǎng)還必須獲得實時功能。

圖1. 自動化中的實時通信。

以太網(wǎng)比現(xiàn)場總線快得多那又怎樣？

為了滿足自動化的實時要求，需要保證傳輸帶寬和傳輸延遲。即使這些帶寬通常非常?。總€器件幾十個字節(jié)），該傳輸通道必須在每個I/O周期中可用，且達到延遲要求。

但是，經(jīng)典以太網(wǎng)不提供延遲和帶寬保證。相反，如果操作需要，以太網(wǎng)可以隨時丟棄幀。這意味著什么？

以太網(wǎng)是所謂的橋接網(wǎng)絡。幀（以太網(wǎng)幀）從一個點發(fā)到另一個點：從端點到交換機（網(wǎng)橋），從那里可能發(fā)到其他網(wǎng)橋，最后到達另一個端點。該架構在很大程度上具有自我配置能力。網(wǎng)橋在轉發(fā)幀之前先完全接收幀。許多問題正是出在這里：

如果在峰值時間存儲的幀數(shù)多于網(wǎng)橋緩沖存儲器可以容納的幀數(shù)，則丟棄新傳入的幀。

由于幀長不同，因此其延遲時間為其長度的函數(shù)。這會導致延遲波動（抖動）。

由于交換機應通過其發(fā)送幀的端口可能已經(jīng)被其他幀完全占用，所以會導致額外的延遲。發(fā)送大型以太網(wǎng)幀（1522字節(jié)）在100 Mbps速率下大約耗時124μs。

如果說以太網(wǎng)通常運行良好，這種說法在某種程度上是公允的。但是，這樣做，我們使用的“通常”一詞在硬實時語境下是無意義的。僅僅通常滿足實時條件是不夠的，必須始終滿足該條件。

住在化工廠或煉油廠旁邊的任何人都能理解這一點。工業(yè)通訊也不公平：最重要的是，控制/閉環(huán)控制應用始終具有優(yōu)先權。

圖2. ISO七層模型。

以PROFINET和EtherCAT為例的實時擴展

由于負責以太網(wǎng)標準化的IEEE并未就該問題提出解決方案，工業(yè)界開發(fā)了自己的解決方案—再次證明了其創(chuàng)造力。各種解決方案都有自己的優(yōu)勢和劣勢，最終解決不同的市場問題。

圖3. 協(xié)議概述。

PROFINET：普遍適用

通過PROFINET，可提供兩種互補型解決方案。PROFINET RT是一種工廠自動化解決方案，周期時間最長為1 ms。RT直接以標準以太網(wǎng)為基礎。以太網(wǎng)的可能性（例如，服務質量（QoS，優(yōu)先級））被用于產(chǎn)生實時流量優(yōu)先級。這有所幫助，但QoS并不能完全解決資源和延遲問題。這就是限制軟實時的原因。與網(wǎng)絡中使用的其他協(xié)議（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的良好兼容性是該技術的明顯優(yōu)勢。

Figure 4. PROFINET IRT.

對于硬實時，PROFINET提供同步實時 (IRT) 擴展。在此，部分以太網(wǎng)帶寬通過標準以太網(wǎng)硬件的擴展專門為IRT流量保留。這可以通過IRT節(jié)點中的時鐘的精確同步來實現(xiàn)。因此，可以在每個周期阻止通道（紅色階段）中的正常流量。只有紅色階段中的IRT幀到達網(wǎng)絡。此外，網(wǎng)絡參與者準確地在預先計算的時間發(fā)送IRT幀，從而在紅色階段實現(xiàn)效率的最大化。IRT幀通過網(wǎng)絡，幾乎無周跳。這樣做的一個優(yōu)點是它可以紅色階段的長度限制在最低限度；在紅色階段，所有其他流量都必須等待。紅色相位最多可以占用以太網(wǎng)通道帶寬的50%。

如前所述，全長以太網(wǎng)幀（1552字節(jié)）在線路上大約耗時124μs。如果PROFINET IRT占用全部50%的帶寬，最快的周期時間為2×124μs=248μs，舍入后為250μs。只有這樣，其他協(xié)議（如HTTP）才能以不變的形式與其共存。

由于PROFINET 2.3可用于IRT的優(yōu)化，包括快速轉發(fā)、動態(tài)幀封裝和分段，因此可以實現(xiàn)低至31.25μs的更快周期時間。

EtherCAT：以太網(wǎng)現(xiàn)場總線

在EtherCAT的開發(fā)過程中，開始時還有其他要求。EtherCAT是基于物理以太網(wǎng)（即第1層）的現(xiàn)場總線。甚至第2層也針對現(xiàn)場總線應用和高吞吐量應用進行了優(yōu)化。EtherCAT沒有經(jīng)典的以太網(wǎng)橋，使用求和幀電報，使數(shù)據(jù)傳輸特別高效。EtherCAT每個周期發(fā)送一幀，與普通以太網(wǎng)不同；在后者中，設備間通信涉及的每臺設備發(fā)送單獨的幀。但是，此幀包含被尋址設備的所有數(shù)據(jù)。當EtherCAT幀由設備轉發(fā)時，該特定設備的數(shù)據(jù)被實時插入到該幀中并從該幀中取出。通過這種方式，可以實現(xiàn)極短的周期時間，最小低于31.25μs。

EtherCAT還具有時間同步功能。為了將在PC上表現(xiàn)不太理想的以太網(wǎng)接口用作EtherCAT的主設備，人們付出了大量努力。

在EtherCAT下，以太網(wǎng)流量（如Web或TCP/IP流量）只能以背負方式分成小部分傳輸；不可能在線上直接共存。

其他如何？

POWERLINK采用與EtherCAT相同的基本方法；其取得對以太網(wǎng)的完全控制權，并通過背負方式把IP應用傳輸?shù)焦?jié)點。但這是他們唯一的共同點。POWERLINK不使用求和幀協(xié)議，然而，它在實際應用中表現(xiàn)同樣出色。

與IRT一樣，SERCOS有預留帶寬，但在其中使用的是求和幀協(xié)議。SERCOS允許其他協(xié)議共存。

TSN時機快到

IEEE從音頻/視頻橋接 (AVB) 協(xié)議的角度研究了這個話題。在對協(xié)議進行改進時，還考慮了更具挑戰(zhàn)性的工業(yè)實時通信。這些標準的原始名稱AVB2由此改稱TSN（指時間敏感型網(wǎng)絡）。有了這些標準，現(xiàn)在可以使用統(tǒng)一的確定性以太網(wǎng)版本。

這實際上可以簡化許多問題。例如，眾所周知的工業(yè)網(wǎng)絡幾乎全部針對100Mbps。然而，千兆以太網(wǎng)和10 Mbps以太網(wǎng)如今已成為特殊應用的關注焦點。TSN標準涵蓋所有速率。使用TSN，無需從頭開始：如果不是TSN，所有現(xiàn)有標準都必須針對千兆速率進行重新定義—這將導致硬件開發(fā)成本和市場碎片化成本。

TSN有什么用？TSN實時

TSN擴展了以太網(wǎng)第2層，納入了實時操作所需的一系列機制

802.1AS/802.1AS-Rev考慮了網(wǎng)絡中時鐘的高精度同步問題。

時間感知整形器 (TAS) 選項使以太網(wǎng)能夠在硬調度模式下運行。有了該選項，就可以在特定時間阻止/釋放QoS模型的一個或多個隊列。

搶占（穿插快速流量）選項使長幀能夠被分解成更小的部分，從而最大限度地減小優(yōu)先級更高的幀的延遲。該選項可用于在速率超過100 Mbps時，優(yōu)化TAS的保護帶或替換TAS。

復制和消除幀以提高可靠性的選項可用于定義通過網(wǎng)絡的冗余路徑；如環(huán)路中。

使用軟件定義的網(wǎng)絡意味著幀不再通過目標節(jié)點的硬件MAC地址轉發(fā)到目的地，而是通過特殊MAC地址（本地管理的多播MAC）和VLAN ID的組合轉發(fā)。不再自動確定這些幀在網(wǎng)絡中的路由方式，而是由軟件進行配置。多播MAC和VLAN ID的這種組合稱為流ID，具有相同流ID的所有TSN幀稱為TSN流。TSN流始終只有一個發(fā)件人，但可以有多個收件人。

鑒于現(xiàn)有資源，現(xiàn)在可以用特殊的方式組織TSN流，不再需要丟棄幀。現(xiàn)在，網(wǎng)橋將其資源用于TSN流的無損轉發(fā)。

圖5. 以太網(wǎng)幀（其中，與TSN數(shù)據(jù)流標識相關的部分以綠色表示）。

盡力服務流量（標準以太網(wǎng)、IP、Web）用剩余資源（內(nèi)存/帶寬）正常傳輸

第二層以上發(fā)生了什么？

每個互聯(lián)網(wǎng)以太網(wǎng)協(xié)議背后都有一個組織，是它推動著各自協(xié)議的標準化和普及。這些組織中的每一個都制定了TSN戰(zhàn)略。結果，我們看到，幾乎所有現(xiàn)有協(xié)議都有TSN，只是表現(xiàn)形式各異而已。繼續(xù)看我們的例子：

對于PROFINET，通向TSN的途徑相對較短，因為人們目前已經(jīng)積累了豐富的時間感知整形經(jīng)驗（已經(jīng)非常接近IRT），并且始終都支持行業(yè)協(xié)議與IT協(xié)議的共存。對于用戶而言，很多東西都未變，因此，熟悉的環(huán)境有利于提升績效。

EtherCAT和類似的SERCOS將使TSN獲得現(xiàn)場層次以上的運用能力。例如，EtherCAT自動化協(xié)議 (EAP) 非常適合通過TSN以較低的開銷，連通經(jīng)典EtherCAT網(wǎng)段。

但是，該領域也有新的參與者。

有一個團體正著手定義一個全新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。有人將OPC UA用作應用層。TSN被視為使該協(xié)議具有實時能力的手段。但是，這里還有大量的工作要做。傳輸需要新的OPC UA傳輸層（即所謂的OPC UA PUB/SUB協(xié)議）。

圖6. 硬實時 (IRT)、軟實時 (RT) 和IT協(xié)議 (TCP/IP) 的延遲/抖動幅度。

越多越有用嗎？在實時領域并非如此

今天，我們在工業(yè)自動化中使用的是100 Mbps以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)很快就會上線。但是，更高的速度并不意味著延遲能得到保障，傳輸能得到保障。因此，對于硬實時，始終都需要特殊的機制。有了TSN，它們都已標準化。