|
作者：Volker Goller ADI公司 工業(yè)以太網(wǎng)——實(shí)時(shí)以太網(wǎng)——在過(guò)去幾年中經(jīng)歷了巨大的增長(cháng)。雖然經(jīng)典的現場(chǎng)總線(xiàn)仍大量存在，但它們已經(jīng)過(guò)了巔峰期。流行的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議擴展了以太網(wǎng)標準，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)功能的要求�，F在，TSN為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提供了一條新的途徑。 實(shí)時(shí)與通信 在工廠(chǎng)自動(dòng)化和驅動(dòng)技術(shù)的背景下，實(shí)時(shí)意味著(zhù)周期時(shí)間要安全、可靠地達到10毫秒以下，最低至微秒。為了滿(mǎn)足這些實(shí)時(shí)要求，以太網(wǎng)還必須獲得實(shí)時(shí)功能。 以太網(wǎng)比現場(chǎng)總線(xiàn)快得多——那又怎樣？ 為了滿(mǎn)足自動(dòng)化的實(shí)時(shí)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�(gè)器件幾十個(gè)字節），該傳輸通道必須在每個(gè)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(shí)丟棄幀。這意味著(zhù)什么？ 以太網(wǎng)是所謂的橋接網(wǎng)絡(luò )。幀（以太網(wǎng)幀）從一個(gè)點(diǎn)發(fā)到另一個(gè)點(diǎn)：從端點(diǎn)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(gè)端點(diǎn)。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(wèn)題正是出在這里： ► 如果在峰值時(shí)間存儲的幀數多于網(wǎng)橋緩沖存儲器可以容納的幀數，則丟棄新傳入的幀。 ► 由于幀長(cháng)不同，因此其延遲時(shí)間為其長(cháng)度的函數。這會(huì )導致延遲波動(dòng)（抖動(dòng)）。 ► 由于交換機應通過(guò)其發(fā)送幀的端口可能已經(jīng)被其他幀完全占用，所以會(huì )導致額外的延遲。發(fā)送大型以太網(wǎng)幀（1522字節）在100 Mbps速率下大約耗時(shí)124μs。 如果說(shuō)以太網(wǎng)通常運行良好，這種說(shuō)法在某種程度上是公允的。但是，這樣做，我們使用的“通�！币辉~在硬實(shí)時(shí)語(yǔ)境下是無(wú)意義的。僅僅通常滿(mǎn)足實(shí)時(shí)條件是不夠的，必須始終滿(mǎn)足該條件。 住在化工廠(chǎng)或煉油廠(chǎng)旁邊的任何人都能理解這一點(diǎn)。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1.自動(dòng)化中的實(shí)時(shí)通信。
圖2.ISO七層模型。 以PROFINET和EtherCAT為例展示的實(shí)時(shí)擴展 由于負責以太網(wǎng)標準化的IEEE并未就該問(wèn)題提出解決方案，工業(yè)界開(kāi)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(chǎng)問(wèn)題。 PROFINET：普遍適用 通過(guò)PROFINET，可提供兩種互補型解決方案。PROFINET RT是一種工廠(chǎng)自動(dòng)化解決方案，周期時(shí)間最長(cháng)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(wù)質(zhì)量（QoS，優(yōu)先級））被用于產(chǎn)生實(shí)時(shí)流量?jì)?yōu)先級。這有所幫助，但QoS并不能完全解決資源和延遲問(wèn)題。這就是限制軟實(shí)時(shí)的原因。與網(wǎng)絡(luò )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(shù)的明顯優(yōu)勢。
圖4.PROFINET IRT。 對于硬實(shí)時(shí)，PROFINET提供同步實(shí)時(shí)(IRT)擴展。在此，部分以太網(wǎng)帶寬通過(guò)標準以太網(wǎng)硬件的擴展專(zhuān)門(mén)為IRT流量保留。這可以通過(guò)IRT節點(diǎn)中的時(shí)鐘的精確同步來(lái)實(shí)現。因此，可以在每個(gè)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(luò )。此外，網(wǎng)絡(luò )參與者準確地在預先計算的時(shí)間發(fā)送IRT幀，從而在紅色階段實(shí)現效率的最大化。IRT幀通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，幾乎無(wú)周跳。這樣做的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以紅色階段的長(cháng)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％。
圖3.協(xié)議概述。 如前所述，全長(cháng)以太網(wǎng)幀（1552字節）在線(xiàn)路上大約耗時(shí)124μs。如果PROFINET IRT占用全部50％的帶寬，最快的周期時(shí)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(dòng)態(tài)幀封裝和分段，因此可以實(shí)現低至31.25μs的更快周期時(shí)間。 EtherCAT：以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn) 在EtherCAT的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)還有其他要求。EtherCAT是基于物理以太網(wǎng)（即第1層）的現場(chǎng)總線(xiàn)。甚至第2層也針對現場(chǎng)總線(xiàn)應用和高吞吐量應用進(jìn)行了優(yōu)化。EtherCAT沒(méi)有經(jīng)典的以太網(wǎng)橋，使用求和幀電報，使數據傳輸特別高效。EtherCAT每個(gè)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據。當EtherCAT幀由設備轉發(fā)時(shí)，該特定設備的數據被實(shí)時(shí)插入到該幀中并從該幀中取出。通過(guò)這種方式，可以實(shí)現極短的周期時(shí)間，最小低于31.25μs。 EtherCAT還具有時(shí)間同步功能。為了將在PC上表現不太理想的以太網(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(xiàn)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(guò)背負方式把IP應用傳輸到節點(diǎn)。但這是他們唯一的共同點(diǎn)。POWERLINK不使用求和幀協(xié)議，然而，它在實(shí)際應用中表現同樣出色。 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(shí)機快到 IEEE從音頻/視頻橋接(AVB)協(xié)議的角度研究了這個(gè)話(huà)題。在對協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，還考慮了更具挑戰性的工業(yè)實(shí)時(shí)通信。這些標準的原始名稱(chēng)AVB2由此改稱(chēng)TSN（指時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )）。有了這些標準，現在可以使用統一的確定性以太網(wǎng)版本。 這實(shí)際上可以簡(jiǎn)化許多問(wèn)題。例如，眾所周知的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )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(guān)注焦點(diǎn)。TSN標準涵蓋所有速率。使用TSN，無(wú)需從頭開(kāi)始：如果不是TSN，所有現有標準都必須針對千兆速率進(jìn)行重新定義——這將導致硬件開(kāi)發(fā)成本和市場(chǎng)碎片化成本。 TSN有什么用？TSN實(shí)時(shí) TSN擴展了以太網(wǎng)第2層，納入了實(shí)時(shí)操作所需的一系列機制： ► 802.1AS/802.1AS-Rev考慮了網(wǎng)絡(luò )中時(shí)鐘的高精度同步問(wèn)題。 ► 時(shí)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(shí)間阻止/釋放QoS模型的一個(gè)或多個(gè)隊列。 ► 搶占（穿插快速流量）選項使長(cháng)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(guò)100 Mbps時(shí)，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(guò)網(wǎng)絡(luò )的冗余路徑；如環(huán)路中。 ► 使用軟件定義的網(wǎng)絡(luò )意味著(zhù)幀不再通過(guò)目標節點(diǎn)的硬件MAC地址轉發(fā)到目的地，而是通過(guò)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(dòng)確定這些幀在網(wǎng)絡(luò )中的路由方式，而是由軟件進(jìn)行配置。多播MAC和VLAN ID的這種組合稱(chēng)為流ID，具有相同流ID的所有TSN幀稱(chēng)為T(mén)SN流。TSN流始終只有一個(gè)發(fā)件人，但可以有多個(gè)收件人。
圖5.以太網(wǎng)幀（其中，與TSN數據流標識相關(guān)的部分以綠色表示）。 鑒于現有資源，現在可以用特殊的方式組織TSN流，不再需要丟棄幀�，F在，網(wǎng)橋將其資源用于TSN流的無(wú)損轉發(fā)。 盡力服務(wù)流量（標準以太網(wǎng)、IP、Web）用剩余資源（內存/帶寬）正常傳輸。 第二層以上發(fā)生了什么？ 每個(gè)互聯(lián)網(wǎng)以太網(wǎng)協(xié)議背后都有一個(gè)組織，是它推動(dòng)著(zhù)各自協(xié)議的標準化和普及。這些組織中的每一個(gè)都制定了TSN戰略。結果，我們看到，幾乎所有現有協(xié)議都有TSN，只是表現形式各異而已。繼續看我們的例子： 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(shí)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(hù)而言，很多東西都未變，因此，熟悉的環(huán)境有利于提升績(jì)效。 EtherCAT和類(lèi)似的SERCOS將使TSN獲得現場(chǎng)層次以上的運用能力。例如，EtherCAT自動(dòng)化協(xié)議(EAP)非常適合通過(guò)TSN以較低的開(kāi)銷(xiāo)，連通經(jīng)典EtherCAT網(wǎng)段。 但是，該領(lǐng)域也有新的參與者。 有一個(gè)團體正著(zhù)手定義一個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)(IRT)、軟實(shí)時(shí)(RT)和IT協(xié)議(TCP/IP)的延遲/抖動(dòng)幅度。 越多越有用嗎？在實(shí)時(shí)領(lǐng)域并非如此 今天，我們在工業(yè)自動(dòng)化中使用的是100 Mbps以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)很快就會(huì )上線(xiàn)。但是，更高的速度并不意味著(zhù)延遲能得到保障，傳輸能得到保障。因此，對于硬實(shí)時(shí)，始終都需要特殊的機制。有了TSN，它們都已標準化。 Volker Goller Volker E. Goller [volker.goller@analog.com]是ADI公司的系統應用工程師，擁有30多年的豐富經(jīng)驗，廣泛涉獵復雜運動(dòng)控制、嵌入式傳感器、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等工業(yè)應用。作為一名軟件開(kāi)發(fā)員，Volker開(kāi)發(fā)了面向無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)應用的各種通信協(xié)議和協(xié)議棧，他還參與了主要行業(yè)組織，積極參與新通信標準的部署工作。 |
