以太網(wǎng)解決方案中的時(shí)間同步和實(shí)時(shí)性能

以太網(wǎng)為現(xiàn)場(chǎng)總線（如Modbus RTU和DeviceNet）中的RS-485、RS-422和RS-232連接已經(jīng)處理的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)提供了更高級(jí)別的帶寬和更廣泛支持的物理層升級(jí)。在這方面，從現(xiàn)場(chǎng)總線到以太網(wǎng)的過(guò)渡比以前（在某些情況下正在進(jìn)行）從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、4 mA到20 mA模擬連接到現(xiàn)場(chǎng)總線的過(guò)渡更可行。然而，以太網(wǎng)的非確定性仍然是一個(gè)絆腳石。

到 1990 年代，自動(dòng)化行業(yè)開始通過(guò)開發(fā) Modbus TCP 和 EtherNet/IP 等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議來(lái)探索解決這一核心障礙的方法。這些解決方案結(jié)合了以太網(wǎng)物理層以及TCP/IP堆棧，它們可以一起傳輸以特定應(yīng)用程序級(jí)協(xié)議定義的標(biāo)準(zhǔn)方式組織的數(shù)據(jù)。

例如，EtherNet/IP 使用由 DeviceNet、ControlNet 和 CompoNet 在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施上共享的可靠通用工業(yè)協(xié)議，以促進(jìn)確定性，此外還允許從工廠車間一直到企業(yè) IT 服務(wù)的輕松連接。2此外，正如羅克韋爾自動(dòng)化白皮書所討論的那樣，它可以在多層自動(dòng)化架構(gòu)中跨信息和控制級(jí)別實(shí)施。

直到最近，時(shí)間同步一直是許多IT網(wǎng)絡(luò)的次要問(wèn)題。許多其他基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化協(xié)議，以及對(duì)IEEE 802.1的補(bǔ)充（如音頻視頻橋接），都是在使以太網(wǎng)適用于工業(yè)和汽車環(huán)境的多年工作中產(chǎn)生的。盡管如此，要為新興的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)以及在整個(gè)通用自動(dòng)化行業(yè)的持續(xù)使用，還有更多的工作要做。

回到未來(lái)：時(shí)間這一古老的問(wèn)題對(duì)新的IIoT至關(guān)重要

正如Broadcom的Michael Johas Teener提出的確定性以太網(wǎng)教程所指出的那樣，IT網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期以來(lái)一直被設(shè)計(jì)為攜帶盡可能多的信息，時(shí)間同步只是次要問(wèn)題。4網(wǎng)絡(luò)規(guī)范缺乏跟蹤遠(yuǎn)程設(shè)備上事件的機(jī)制，除非使用帶外解決方案（例如基于GPS接收器的解決方案）。

迄今為止，解決方案通常是依靠傳統(tǒng)協(xié)議中的數(shù)據(jù)包交換，例如網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（最近在新聞中利用了拒絕服務(wù)攻擊）。然而，這種方法有其缺點(diǎn)。特別是對(duì)于 NTP，盡可能靠近硬件的內(nèi)核/驅(qū)動(dòng)程序軟件事件是理想的，但沒(méi)有得到很好的控制;只有毫秒級(jí)的精度是可能的。

以太網(wǎng)物理層的事件更可取 — 在這種情況下，可以實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)的精度。IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議最初提出很大程度上是為了彌補(bǔ)NTP和簡(jiǎn)單時(shí)間協(xié)議的缺點(diǎn)，以及昂貴的OOB管理。以太網(wǎng) TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化也是 PTP 的一個(gè)重要規(guī)范。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology）指出，需要卓越的定時(shí)信號(hào)來(lái)支持物聯(lián)網(wǎng)中更多設(shè)備的互連。

“建立在互聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)大規(guī)模增長(zhǎng)基礎(chǔ)上的新經(jīng)濟(jì)將需要以當(dāng)前系統(tǒng)不支持的方式進(jìn)行精確和可驗(yàn)證的時(shí)間安排，”報(bào)告摘要指出?！皯?yīng)用程序、計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)了模塊和層，這些模塊和層優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理，但降低了準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。

如果網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完全符合IEEE 1588，則PTP可以實(shí)現(xiàn)低于100納秒的時(shí)序。合規(guī)性需要一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)、一個(gè) PTP 從站和一個(gè)支持 GPS 的 PTP 主站。使用GPS衛(wèi)星，主控器可以精確解析時(shí)間戳，還可以控制本地振蕩器，該振蕩器用作網(wǎng)絡(luò)中專用硬件的參考時(shí)鐘。

將PTP納入工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)在發(fā)生：

EtherNet/IP 包括 CIP Sync，這是 CIP 的擴(kuò)展，可幫助 EtherNet/IP 處理運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中要求苛刻的事件序列

PROFINET通過(guò)符合IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的分布式同步時(shí)鐘系統(tǒng)提高帶寬效率

其他協(xié)議（如EtherCAT）有自己的同步機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)與PTP類似的結(jié)果。展望未來(lái)，PTP及其同類產(chǎn)品對(duì)于確保自動(dòng)化和控制系統(tǒng)能夠?yàn)殛P(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用提供實(shí)時(shí)性能和精確計(jì)時(shí)至關(guān)重要。