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时间敏感网络是什么鬼?

2018/5/17 15:58:01 标签:中国传动网

时间敏感网络( TSN:Time Sensitive Networking )指的是 IEEE 802.1 工作组中的 TSN 任务组正在开发的一套协议标准。该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制,为标准以太网增加了确定性和可靠性,以确保以太网能够为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。
 
 
我们知道,通用以太网是以非同步方式工作的,网络中任何设备都可以随时发送数据,因此在数据的传输时间上既不精准也不确定;同时,广播数据或视频等大规模数据的传输,也会因网络负载的增加而导致通讯的延迟甚至瘫痪。因此通用以太网技术仅仅是解决了许多设备共享网络基础设施和数据连接的问题,但却并没有很好的实现设备之间实时、确定和可靠的数据传输。
 
 
HMS 发布的最新工业网络市场报告显示
工业以太网份额首次超过现场总线
 
出于对设备控制性能的要求,工业制造领域比较早的意识到了这一点,于是从上世纪末开始,业内多家协议组织(如:PI、ODVA、ETG、ESPG)分别基于原有的现场总线技术开发出各自的实时工业以太网协议,并将其应用到工业制造现场。
 
 
不过,我们真的很难将这些所谓的工业以太网协议称为“标准”。尽管它们普遍有着相似的用户需求和细分市场,但实际上相互之间的生态系统却有着极大的差异。 它们中大多会通过一个组织运营,而在其身后则有着来自市场中某个主流玩家的引导和资助。用户和制造商在产品设计、制造、运行、诊断,维护和使用过程中的每个环节都需要面临不同的技术方案,例如:芯片、主板、连接器、线缆、软件...等等,这无疑会带来技术实施的复杂性和成本的增加。
 
 
另外,随着工业互联网进程的推进,工业制造系统正在变得越来越庞大,各类设备间的互联互通也开始变得越来越重要,这几乎将成为智能制造成功的关键。然而多种以太网协议的并存却恰恰成了这其中的一个巨大障碍。因为我们真的很难想象在制造业现场从信息、控制、传感和执行机构...等各个层面会只使用来自某一家/或一个组织的产品系统和解决方案,而与此同时这些总线系统之间却基本上谈不上有什么兼容性和互操作性。
 
 
所以,在工业制造领域长期以来一直迫切需要有一种具备时间确定性的通用以太网技术。然而事实上,这样的需求,却不仅仅是来自于工业制造行业。比如在音频视频领域或汽车行业,多通道数据的同步传输也需要有一种可靠的、具备时间确定性的网络通讯技术,以帮助简化复杂系统中的线路敷设。
 
 
2006 年,IEEE 802.1 工作组成立 AVB 音频视频桥接任务组,并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。这一点立刻受到来自汽车和工业等领域人士的关注。2012年,AVB 任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围,并同时将任务组名称改为现在的:TSN 任务组。
 
 
所以,TSN 其实指的是在 IEEE 802.1 标准框架下,基于特定应用需求制定的一组“子标准”,旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制,以确保网络数据传输的时间确定性。而既然是隶属于 IEEE 802.1 下的协议标准,TSN 就仅仅是关于以太网通讯协议模型中的第二层,也就是数据链路层(更确切的说是 MAC 层)的协议标准。请注意,是一套协议标准,而不是一种协议,就是说 TSN 将会为以太网协议的 MAC 层提供一套通用的时间敏感机制,在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时,为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。
 
 
TSN 标准中涉及到的技术内容非常多,在协议实施时并非每一种都需要用到。而在这其中对于工业制造领域来说比较重要的部分主要包括以下几个方面:
802.1 ASrev 时钟同步
确保连接在网络中各个设备节点的时钟同步,并达到微秒级的精度误差;
802.1 Qbv 时间感知调度程序
时间感知调度程序会为优先级较高的时间敏感型关键数据分配特定的时间槽,并且在规定的时间节点,网络中所有节点都必须优先确保重要数据帧的通过;
802.1 Qcc 网络管理和配置
用于实现对网络参数的动态配置,以满足设备节点和数据需求的各种变化;
...
 
 
在 TSN 标准的制定过程中,IEEE 负责在 802 架构体系中的网间互操作、安全性和整体网络管理...等方面的标准制定和应用推荐,目前他们正在落实完成剩余的 TSN 子标准。
 
除此以外,还有很多独立的第三方组织也参与到了 TSN 标准的测试、推广、产品认证...等各项工作中,例如:AVNU 和 IIC。
 
 
AVNU 组织,为各种使用开放标准的应用方案中的时间精确性和低延迟特性部分提供认证服务,以确保其满足 TSN 网络元素的合规性和互操作性要求。
 
目前他们已经完成了运营理念的论证,并已经在 2017 年开始了设备的认证工作。
 
IIC 的 TSN 测试板
IIC 工业互联网联盟,整合了相关组织和技术资源,一方面为组织成员提供测试平台,另一方面则帮助推进 TSN 标准在各行业领域的应用。
 
目前有很多来自各行业的产品和服务供应商都已经加入到了该组织中。
 
2017 下半年以来,尤其是在 SPS IPC Drive 期间,不少厂商开始就其产品在 TSN 技术上的进展发表声明,甚至直接演示或发布了一些有关 TSN 技术的产品和解决方案。例如:
 
 
EtherCAT 组织发表了关于 TSN 技术的白皮书;
Beckhoff 发布了其首款 TSN 桥接通讯模块 EK1000;
NI 发布了多款集成 TSN 技术的控制器,如:CompactDAQ、CompactRIO...等;
PI 组织宣布将会在新的 ProfiNet 协议中使用 TSN 技术,并计划在 2019 年中发布该协议或相关产品;
 
 
SERCOS 在 SPS IPC Drive 上展示了由 TSN 交换机桥接组成的 Rexroth 运动控制系统;
SIEMENS 已经确定会在今年的汉诺威展上演示基于 TSN 的 OPC UA Pub/Sub 技术在控制层(如机器人)上的应用;
包括 ADI、瑞萨、TI ... 等在内的芯片厂商,和包括华为、CISCO、BELDEN ... 等在内的网络设备提供商,都在不同场合演示说明了目前 TSN 的发展状况以及各自在该技术上的能力;
...
 
目测 2018 年还会有更多有关 TSN 技术和产品的更新。
 
 
值得一提的是,除了上述这些 TSN 技术相关组织外,一些制造业的自动化产品厂商(如:B&R)还在去年成立了一个叫做 OPC UA TSN Shaper 的会议组织,旨在共同推广基于 TSN 的 OPC UA 协议标准。
 
 
这并不难理解,因为如前所述,TSN 仅仅是为以太网提供了一套 MAC 层的协议标准,它解决的是网络通讯中数据传输及获取的可靠性和确定性的问题;而如果要真正实现网络间的互操作,还需要有一套通用的数据解析机制,这就是 OPC UA。
 
 
总的来说:
TSN 技术为所有工业以太网在协议第二层(MAC 层)提供了相互联通/融合的机会...
它有能力在协议第 2 层提供网络间的互操作性,从而帮助实现真正意义上的网络融合;
TSN 可以应用于现有的工业以太网协议,如:PROFINET、EtherNet/IP,SERCOS、POWERLINK...等,以帮助其获得:
更广泛、优质的硬件支持
协议第 2 层互通融合的实时通讯模型
网络带宽的提升,实现千兆(甚至更高带宽)以太网

供稿:智造商

本文链接:http://www.cmcia.cn/Content.aspx?id=478

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