时间敏感的网络如何使以太网具有确定性

时间敏感网络(TSN)通过设计使以太网具有确定性，并提高设备之间的同步性和整体通信。

通过耐莉Ayllon 2021年3月10日

提供:PI North America

学习目标

时间敏感网络(TSN)的设计是为了使以太网更具确定性。
Profinet over TSN是为控制器到设备的通信而设计的。
工业4.0和工业物联网(IIoT)等工业趋势导致不断增长的融合网络中的网络流量增加。

以太网标准多年来一直在发展。在20世纪70年代，以太网的第一个版本的速度仅为10mbps。然后，快速以太网在1995年可用，速度为100mbps。现在，千兆以太网是可用的。此外，随着以太网在大多数行业中变得无处不在，以太网组件变得更加经济实惠，也更容易实现。最后，大多数网络协议都支持以太网作为其通信介质。因此，以太网可以采用各种各样的协议来实现应用。

尽管以太网的速度多年来一直在提高，但还有另一个关键的性能因素:确定性。确定性网络以确定的延迟时间以精确的方式交换数据。由于以太网通信基于尽力原则，以太网网络中的数据交换缺乏确定性。到目前为止，以太网中的确定性数据交换只能通过专有解决方案实现，但时间敏感网络(TSN)旨在改变这一现状。TSN的重点是通过设计使以太网具有确定性。

图1:时间敏感网络(TSN)位于ISO/OSI模型的第二层。提供:PI North America

什么是TSN?

TSN是指一组IEEE 802标准，默认情况下使以太网具有确定性。TSN位于ISO/OSI模型的第二层，并添加了定义以保证以太网的确定性和吞吐量。以下是组成TSN的一些IEEE标准:

增强的同步行为(IEEE 802.1AS)
长帧暂停(抢占)(IEEE 802.1-2018)
对预定流量的增强(IEEE 802.1Q-2018)
路径控制和带宽保留(IEEE 802.1Q-2018)
无缝冗余(IEEE 802.1CB)
流预约(IEEE 802.1Q-2018)。

TSN是从行业对音频/视频传输的使用以及对更多设备和同步通信的需求发展而来的。网络上的设备比以往任何时候都多，更多的信息被共享和分析。

图2:该图展示了Profinet在TSN和基于ip的协议(如OPC UA)上的互补和协调相互作用的示例。提供:PI North America

TSN用于工业自动化

许多行业都需要确定性以太网，工业自动化就是其中之一。自动化行业一直在寻求实现快速、确定性和健壮通信的解决方案。目前，有几个专门的解决方案可用于此目的，如Profinet IRT, Sercos III和Varan。TSN可以帮助标准化整个行业的实时以太网。

工业4.0和工业物联网(IIoT)等工业趋势导致不断增长的融合网络中的网络流量增加。这样的网络需要灵活性和可伸缩性，以支持小型设备和大数据服务器系统，同时确保时间紧迫的通信有有限的延迟。TSN打算满足所有这些要求。它将为同时使用确定性和非确定性通信提供标准化的机制。

图3:两个节点之间定义的流。提供:PI North America

Profinet网络中的TSN

与TSN相比，Profinet在收敛性、可伸缩性和灵活性方面具有优势。用户还将继续访问所有现有的Profinet功能和配置文件。TSN应用标准化的流量整形工具，以确保低延迟和必要时的确定性数据交换。

现有的非TSN Profinet设备可以与新的基于TSN的Profinet V2.4硬件合作使用，尽管它们可能不会从TSN中受益。底层TSN机制增强了健壮性，该机制保护实时关键数据不受最大努力流量的影响。在未来的工业4.0场景中，对数据量的需求不断增长，这些数据必须通过网络与时间关键型数据并行传输，因此保护实时关键数据是一项基本功能。

图4:为了获得高精度，必须测量线路上和开关中的延迟。提供:PI North America

Profinet over TSN是为控制器到设备的通信而设计的。它可以处理多达1024个设备，实现31.25 μs的循环时间。OPC UA也可以使用当前和未来的TSN标准。然而，PI致力于将OPC UA应用于控制器到控制器或控制器/设备到云通信。该图举例说明了Profinet在TSN和基于ip的协议上的互补和协调相互作用。在过程自动化、工厂自动化和运动控制中，Profinet over TSN被plc、远程传感器、远程I/O、运动控制器和驱动器以及计算机化数字控制器所使用。

TSN旨在将广泛的IT网络与Profinet自动化网络的鲁棒性和确定性结合起来。简而言之，它将通过标准it网络创建硬实时功能。

TSN是IEEE为提高以太网的确定性而指定的一组机制。Profinet使用这些TSN修正:

时间同步802.1应用服务器
对预定流量802.1 Qbv的增强
帧抢占802.1 Qbu
穿插快速交通802.3 br
帧复制和消除可靠性802.1 CB
固定和媒体访问控制连接发现802.1 AB。

五种Profinet优于TSN原则

1.流:网络中的路由

当网络中的两个节点希望通过Profinet在TSN上进行通信时，就定义了流。流描述了网络中从“说话者”到“监听者”的路径。流必须在路由上的所有交换机上注册。流由目的MAC地址和VLAN (virtual local area network)标签来表示优先级。

2.时间同步:精确的时钟

时间同步是实现确定性的关键。TSN域中的所有设备都以公共时间为基础进行同步。“工作时钟”是TSN域内预定流量和等时应用程序的控制时间参考。“通用时钟”还可以作为系统和工厂范围内的任务参考，例如按时间顺序记录事件。

图5:Time Aware Shaper为帧的传输创建了一个重复的时隙模式。提供:PI North America

3.定期交通:按时间表进行交通

Profinet IRT调度所有同步流量。它创建一个定义的时间表，其中包含节点之间的所有传输和转发时间。IRT机制可以工作，但是在融合网络中调度可能变得非常复杂。因此，Profinet over TSN不采用调度。它使用了一个时间感知形器(TAS)概念。时间计划为帧的传输创建了一个重复的时隙(网络周期时间)模式。为了确保可用性，高优先级的帧有一个持续活动的队列。此外，保护保护带防止帧进入下一个周期的时隙。

图6:TCP/IP帧被分割和重组，以最大限度地利用带宽。提供:PI North America

4.帧抢占:RT中断TCP/IP

帧抢占和保护带一起起着关键作用。所有实时帧都在TCP/IP帧之前自行排序。尽力而为的流量永远不会延迟实时数据交换。此外，TCP/IP帧被分割和重组，以最大限度地利用带宽。

5.无缝介质冗余

冗余保证了在设备或链路故障的情况下传输的连续性。网络设计人员可以使用冗余流在设备之间创建冗余网络路径。冗余流确保即使在设备或链路故障后，对时间要求严格的通信仍能无缝进行。

图7:无缝媒体冗余的两个定义流提供:PI North America

配置TSN域遵循即插即用的概念，并使用Profinet工程工具。TSN域特征(流路径、vlan等)由网络管理引擎(NME)建立并持续维护。NME将成为具有tsn功能的Profinet控制器的一部分。它负责拓扑采集、路径规划和网络配置。首先，用户在工程工具中设置一个特定的基于策略的网络配置。然后，NME使用这些规则不断地创建和塑造TSN域。

耐莉Ayllon技术营销总监是干什么的PI北美是CFE Media的内容合作伙伴。本文最初发表于PI北美网站．由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．