時效性網(wǎng)絡(luò)讓工業(yè)控制如虎添翼

確定性是工業(yè)連接設(shè)計中的一個重要考量因素。工業(yè)控制和自動化應(yīng)用需要以特定的時間間隔發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，另外還需要以非常低的延遲提供有保證的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)丟失 (例如在關(guān)鍵的噴氣推進系統(tǒng)中) 會導(dǎo)致非常危險的后果。

IEEE 802.1 Ethernet是一種廣泛部署的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)標準，其設(shè)計初衷并非為了滿足工業(yè)應(yīng)用的這種確定性要求。為實現(xiàn)確定性，工業(yè)連接器、電纜和控制器中仍然使用以太網(wǎng)的專屬增強標準，如EtherCAT、PROFINET或SERCOS III，其結(jié)果是導(dǎo)致工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的標準混亂，各個部分無法互相通信。由于缺乏安全性和互操作性，這種四分五裂的網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和工業(yè)4.0應(yīng)用集成的過程中就成為了瓶頸。

隨著IEEE 802.1 Ethernet標準的發(fā)展，時效性網(wǎng)絡(luò) (TSN - Time-Sensitive Networking) 的出現(xiàn)終于解決了這個問題。除了具有標準以太網(wǎng)的優(yōu)點外，TSN還可以通過非常低的延遲和抖動來實現(xiàn)確定性。這就為聚合企業(yè)與工廠連接提供了可能性，也是工業(yè)企業(yè)接受IIoT的一個重要原因。

時效性網(wǎng)絡(luò)標準

在過去的幾年間，IEEE的TSN任務(wù)組為現(xiàn)有802.1標準增加了一系列擴展，以在傳輸數(shù)據(jù)包時嚴格遵守企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上時間敏感流量的延遲和吞吐量要求，將其配置為適合特定的使用情況。

這些標準規(guī)定了時間敏感型流量 (time-sensitive traffic) 和最大傳輸流量 (best-effort traffic) 的優(yōu)先級準則，為各種流量類型定義了八個VLAN優(yōu)先級。系統(tǒng)會為每個端到端數(shù)據(jù)包流分配這八個VLAN優(yōu)先級中的一個。最高VLAN優(yōu)先級通常分配給時間敏感型流量。

例如，汽車的安全數(shù)據(jù) (如車道偏離警告) 和發(fā)動機定時相關(guān)數(shù)據(jù)需要有保證的低延遲。而對于導(dǎo)航和信息娛樂流量，這個要求就寬松得多。在這種情況下，TSN很有用，因為它可以在不違反時效要求的情況下，用一根以太網(wǎng)電纜傳輸所有數(shù)據(jù)流，減少在車上為各種流量類型安裝多條電纜的成本、重量和人力。

下圖顯示了針對TSN增強的標準套件。圖中列出了TSN的時間同步、按計劃交付和軟件定義配置等功能的關(guān)鍵能力標準。

針對時效性網(wǎng)絡(luò)增強的IEEE802.1標準套件 (資料來源：Practical Industrial Internet of Things Security)

時間同步

IEEE 802.1AS規(guī)定了TSN中的時間同步，這有助于建立通信設(shè)備之間通用的時間概念。IEEE 1588精確時間同步協(xié)議 (PTP - Precision Time Protocol) 標準用于在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和交換機之間分配精確的基準時間。IEEE 1588ASrev為TSN提供IEEE 1588配置文件。此標準還允許使用外部參考 (如GPS) 來同步時間。TSN的先導(dǎo)測試 (Pilot test) 報告其時間同步精度低于100納秒。

流量調(diào)度

IEEE 802.1Qbv定義了一個時間感知整形器 (Time Aware Shaper)，有助于對TSN基礎(chǔ)設(shè)施中的流量進行優(yōu)先級排序。時間感知整形器將數(shù)據(jù)交換分成多個循環(huán)重復(fù)的固定長度時間周期。通信各方同意TSN通信將這些周期劃分成多個時隙，每個時隙可以分配八個VLAN優(yōu)先級中的一個或多個。

TSN定義了三種流量類型：

網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)配置

IEEE 802.1Qcc定義了TSN系統(tǒng)配置。TSN使用軟件定義的網(wǎng)絡(luò)概念來自動設(shè)置和配置各種設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)裝置。通信各方預(yù)先同意TSN對定時、調(diào)度和QoS指標的配置，然后在不同的TSN端點和交換機之間應(yīng)用這些配置。自動化簡化了網(wǎng)絡(luò)的調(diào)配和管理，并提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可擴展性。

打造支持TSN的工業(yè)產(chǎn)品

TSN主要與普渡 (Purdue) 控制層級中的0級、1級和2級工業(yè)控制及自動化產(chǎn)品相關(guān)。因此，TSN的增強功能適用于目前使用標準以太網(wǎng)或其某個專利版本的各種控制器、I/O設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器。即使是通常更堅固的工業(yè)電纜和連接器，可能也需要隨著TSN的發(fā)展而發(fā)展。

TSN目前處于早期采用階段。為了最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，理想情況下，TSN需要新的以太網(wǎng)交換機和支持TSN的端點。但是，TSN也支持向后兼容，任何以太網(wǎng)設(shè)備應(yīng)該都能在TSN網(wǎng)絡(luò)中正常工作。比較復(fù)雜的棕地場景需要支持TSN的協(xié)議轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)關(guān)。

標準以太網(wǎng)的TSN增強位于TCP/IP協(xié)議棧的第2層。因此，更高層級的通信標準不受這些增強的影響。許多框架和應(yīng)用層協(xié)議 (如OPC-UA) 也在采用TSN。

工業(yè)、嵌入式和汽車領(lǐng)域的主要供應(yīng)商正齊聚一堂，為各種行業(yè)用例定義TSN要求，并將TSN概念擴展到無線網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)論

時效性網(wǎng)絡(luò)是標準以太網(wǎng)的一個很有前途的發(fā)展方向，因為它可以將IIoT的優(yōu)勢擴展到循環(huán)時間比較短但頻率很高的工業(yè)控制領(lǐng)域。作為一種新興技術(shù)，TSN仍在各種孵化試驗臺上進行著大量的先導(dǎo)測試。不過，距離TSN產(chǎn)品遍地開花的日子應(yīng)該也不遠了。

審核編輯：郭婷