基于TSN的工业以太网赋能,加速工业4.0时代的到来

2023-08-03 10:54

  数字化变革正在为工业自动化和工业生产带来振奋人心的新机遇,通过发展完善的工业大数据网络体系,工业生产不必限制于单个环节的效率天花板,从而能够通过更加合理的资源配置,实现效率的提升。然而这一目标却对未来的工业网络提出了更高要求:不仅需要承担传统的工业控制系统实时通讯,同时还需要承担大数据采集和传输的任务。因此,要想充分发挥数字化变革带来的优势,构建一个真正能够“一网到底”的高带宽、低延迟的确定性网络必不可少。



  更确切地说,未来统一的网络基础设施要具备确定性通讯能力,保证性能和服务质量能与导致当前自动化孤岛现象的各厂商专有协议水平相当,甚至优于专有协议。目前,全球众多标准组织和供应商正携手为工业网络开发全新的统一基础——时间敏感网络(Time Sensitive Network,简称TSN),高性能半导体技术提供商ADI正是其中一员。

  TSN这样满足自动化实时通信需求

  在工厂自动化和驱动技术的背景下,实时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下(最低至微秒),因此为了满足自动化的实时要求,需要保证传输带宽和传输延迟。但是经典以太网却不能提供延迟和带宽保证,相反,如果操作需要,以太网甚至可以随时丢弃帧,许多问题正是出在这里:

  Ø 如果在峰值时间存储的帧数多于网桥缓冲存储器可以容纳的帧数,则丢弃新传入的帧。

  Ø 由于帧长不同,因此其延迟时间为其长度的函数。这会导致延迟波动(抖动)。

  Ø 由于交换机应通过其发送帧的端口可能已经被其他帧完全占用,所以会导致额外的延迟。发送大型以太网帧(1522字节)在100 Mbps速率下大约耗时124μs。



  自动化中的实时通信

  借助TSN,业界已经成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展版本,成功地摆脱了过去的限制。TSN扩展了以太网第2层,纳入了实时操作所需的一系列机制:

  Ø 802.1AS/802.1AS-Rev考虑了网络中时钟的高精度同步问题。

  Ø 时间感知整形器 (TAS) 选项使以太网能够在硬调度模式下运行。有了该选项,就可以在特定时间阻止/释放QoS模型的一个或多个队列。

  Ø 抢占(穿插快速流量)选项使长帧能够被分解成更小的部分,从而最大限度地减小优先级更高的帧的延迟。该选项可用于在速率超过100 Mbps时,优化TAS的保护带或替换TAS。

  Ø 复制和消除帧以提高可靠性的选项可用于定义通过网络的冗余路径。

  Ø 使用软件定义的网络意味着帧不再通过目标节点的硬件MAC地址转发到目的地,而是通过特殊MAC地址(本地管理的多播MAC)和VLAN ID的组合转发。不再自动确定这些帧在网络中的路由方式,而是由软件进行配置。多播MAC和VLAN ID的这种组合称为流ID,具有相同流ID的所有TSN帧称为TSN流。TSN流始终只有一个发件人,但可以有多个收件人。

  鉴于现有资源,现在可以用特殊的方式组织TSN流,不再需要丢弃帧。现在,网桥将其资源用于TSN流的无损转发。



  以太网帧(其中,与TSN数据流标识相关的部分以绿色表示)

  通过802.1AS-rev,TSN还定义了可互操作的统一方法,用于同步网络中的分布式时钟。这些都使得在硬实时应用以及所有其它应用(网络服务器、SSH等)中,共用电缆成为可能。