時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )(TSN)讓工業(yè)控制如虎添翼

發(fā)布時(shí)間:2020-2-24 16:02    發(fā)布者:eechina
來(lái)源:貿澤電子

確定性是工業(yè)連接設計中的一個(gè)重要考量因素。工業(yè)控制和自動(dòng)化應用需要以特定的時(shí)間間隔發(fā)送和接收數據,另外還需要以非常低的延遲提供有保證的數據。數據丟失(例如在關(guān)鍵的噴氣推進(jìn)系統中)會(huì )導致非常危險的后果。

IEEE 802.1 Ethernet是一種廣泛部署的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準,其設計初衷并非為了滿(mǎn)足工業(yè)應用的這種確定性要求。為實(shí)現確定性,工業(yè)連接器、電纜和控制器中仍然使用以太網(wǎng)的專(zhuān)屬增強標準,如EtherCAT、PROFINET或SERCOS III,其結果是導致工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的標準混亂,各個(gè)部分無(wú)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應用集成的過(guò)程中就成為了瓶頸。

隨著(zhù)IEEE 802.1 Ethernet標準的發(fā)展,時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )(TSN - Time-Sensitive Networking)的出現終于解決了這個(gè)問(wèn)題。除了具有標準以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)外,TSN還可以通過(guò)非常低的延遲和抖動(dòng)來(lái)實(shí)現確定性。這就為聚合企業(yè)與工廠(chǎng)連接提供了可能性,也是工業(yè)企業(yè)接受IIoT的一個(gè)重要原因。

時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )標準

在過(guò)去的幾年間,IEEE的TSN任務(wù)組為現有802.1標準增加了一系列擴展,以在傳輸數據包時(shí)嚴格遵守企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上時(shí)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。

這些標準規定了時(shí)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(lèi)型定義了八個(gè)VLAN優(yōu)先級。系統會(huì )為每個(gè)端到端數據包流分配這八個(gè)VLAN優(yōu)先級中的一個(gè)。最高VLAN優(yōu)先級通常分配給時(shí)間敏感型流量。

例如,汽車(chē)的安全數據(如車(chē)道偏離警告)和發(fā)動(dòng)機定時(shí)相關(guān)數據需要有保證的低延遲。而對于導航和信息娛樂(lè )流量,這個(gè)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(shí)效要求的情況下,用一根以太網(wǎng)電纜傳輸所有數據流,減少在車(chē)上為各種流量類(lèi)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(shí)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(shí)效性網(wǎng)絡(luò )增強的IEEE802.1標準套件(資料來(lái)源:Practical Industrial Internet of Things Security)

時(shí)間同步

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

時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )(TSN)的三種流量類(lèi)型以及網(wǎng)絡(luò )和系統配置。

流量調度


IEEE 802.1Qbv定義了一個(gè)時(shí)間感知整形器(Time Aware Shaper),有助于對TSN基礎設施中的流量進(jìn)行優(yōu)先級排序。時(shí)間感知整形器將數據交換分成多個(gè)循環(huán)重復的固定長(cháng)度時(shí)間周期。通信各方同意TSN通信將這些周期劃分成多個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙可以分配八個(gè)VLAN優(yōu)先級中的一個(gè)或多個(gè)。

TSN定義了三種流量類(lèi)型:

· 計劃流量:這種流量包括要求低延遲和零擁塞損失的工業(yè)自動(dòng)化和控制流量。
· 最大傳輸流量:這種流量包括沒(méi)有特定服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求的一般以太網(wǎng)流量。
· 預留流量:這種流量由不同時(shí)隙中分配的幀組成,系統為其預留指定的帶寬。

網(wǎng)絡(luò )和系統配置

IEEE 802.1Qcc定義了TSN系統配置。TSN使用軟件定義的網(wǎng)絡(luò )概念來(lái)自動(dòng)設置和配置各種設備及網(wǎng)絡(luò )裝置。通信各方預先同意TSN對定時(shí)、調度和QoS指標的配置,然后在不同的TSN端點(diǎn)和交換機之間應用這些配置。自動(dòng)化簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )的調配和管理,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(dòng)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(gè)專(zhuān)利版本的各種控制器、I/O設備、傳感器和執行器。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(zhù)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(diǎn)。但是,TSN也支持向后兼容,任何以太網(wǎng)設備應該都能在TSN網(wǎng)絡(luò )中正常工作。比較復雜的棕地場(chǎng)景需要支持TSN的協(xié)議轉換器和網(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。許多框架和應用層協(xié)議(如OPC-UA)也在采用TSN。

工業(yè)、嵌入式和汽車(chē)領(lǐng)域的主要供應商正齊聚一堂,為各種行業(yè)用例定義TSN要求,并將TSN概念擴展到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

結論

時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )是標準以太網(wǎng)的一個(gè)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(shí)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(jìn)行著(zhù)大量的先導測試。不過(guò),距離TSN產(chǎn)品遍地開(kāi)花的日子應該也不遠了。


作者簡(jiǎn)介
Sravani Bhattacharjee是一名數據通信技術(shù)專(zhuān)家,有著(zhù)20多年的從業(yè)經(jīng)歷。她是《Practical Industrial IoT Security》(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全)一書(shū)的作者,這是第一本有關(guān)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的出版書(shū)。Sravani曾擔任Cisco的技術(shù)主管直到2014年,在此期間領(lǐng)導主持了多個(gè)企業(yè)云/數據中心解決方案的架構設計和安全評估工作。作為Irecamedia.com公司的負責人,她目前致力于與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng )新力量合作,通過(guò)撰寫(xiě)各種評論和技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)內容,來(lái)推動(dòng)相關(guān)認識和商業(yè)決策的進(jìn)步。Sravani擁有電子工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位。她是一名IEEE物聯(lián)網(wǎng)小組成員,一位作者,還是一位演說(shuō)家。
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