歷史回顧

 

以太網(wǎng)在20世紀80年代初被引入辦公領(lǐng)域，并因其驚人的10Mbps的高吞吐量（相對于當時(shí)而言）迅速普及。然而，這種以太網(wǎng)對于實(shí)時(shí)應用來(lái)說(shuō)并不實(shí)用，因為它使用被稱(chēng)為“合用線(xiàn)”的通用介質(zhì)。在高利用率的情況下容易發(fā)生沖突，導致辦公設置問(wèn)題。

 

后來(lái)隨著(zhù)以太網(wǎng)的發(fā)展，通過(guò)引入交換網(wǎng)絡(luò )解決了沖突問(wèn)題。此外，通過(guò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)引入了以太網(wǎng)數據報文優(yōu)先級。

 

對于工業(yè)應用，保證低延遲尤為重要。盡管有QoS，但在辦公環(huán)境中使用的標準以太網(wǎng)只能保證延遲低至某一點(diǎn)，尤其是在高網(wǎng)絡(luò )利用率的情況下。

 

這源于諸多原因，而主要原因是商用多端口交換機常用的存儲轉發(fā)策略和不可能預留帶寬的事實(shí)。

 

存儲轉發(fā)意味著(zhù)交換機在轉發(fā)之前要收到完整的數據報文。這在交換機處理方面具有優(yōu)勢，但也帶來(lái)了潛在問(wèn)題，會(huì )對延遲和可靠性產(chǎn)生負面影響：

 

●     當數據報文經(jīng)過(guò)交換機時(shí)，會(huì )按照其長(cháng)度生成一定的延遲。如果多個(gè)交換機級聯(lián)，延遲影響會(huì )被放大。

●     由于交換機的存儲容量不是無(wú)限的，如果網(wǎng)絡(luò )使用過(guò)度（流量過(guò)多），它可能拒絕數據報文；這意味著(zhù)可能會(huì )丟失數據報文（甚至那些優(yōu)先級較高的數據報文）。

●     長(cháng)數據報文會(huì )長(cháng)時(shí)間堵塞端口。

 

交換機級聯(lián)從一開(kāi)始就給工業(yè)環(huán)境應用帶來(lái)了挑戰。除了用于IT領(lǐng)域中的星型拓撲結構以外，自動(dòng)化領(lǐng)域也常使用線(xiàn)型、環(huán)型和樹(shù)型拓撲結構。這些經(jīng)過(guò)調整的拓撲結構大幅降低了以太網(wǎng)安裝的布線(xiàn)要求和成本。因此，在工業(yè)應用中，采用直通式策略的雙端口交換機被整合到現場(chǎng)設備中。直通式意味著(zhù)數據報文在被完全接收前被轉發(fā)。

 

圖1.以太網(wǎng)幀: 與TSN數據流標識相關(guān)的數據字段用綠色表示。

 

圖2.拓撲結構。

 

必須保證總是能為高優(yōu)先級數據報文提供足夠的帶寬（和緩沖區空間）。標準以太網(wǎng)目前還無(wú)法做到這一點(diǎn)。

 

一體適用的技術(shù)：工業(yè)以太網(wǎng)橫空出世

 

由于傳統的以太網(wǎng)沒(méi)有足夠的帶寬預留功能，自動(dòng)化領(lǐng)域的專(zhuān)家從2000年就開(kāi)始著(zhù)手開(kāi)發(fā)自己的以太網(wǎng)版本。然而，他們選取的開(kāi)發(fā)路徑各不相同。以下方法各有特色：

 

●     使用以太網(wǎng)作為現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸介質(zhì)的協(xié)議。這些協(xié)議要求自己完全控制以太網(wǎng)介質(zhì)。傳統的TCP/IP通信只能通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)（EtherCAT®和POWERLINK®）或現場(chǎng)總線(xiàn)(Sercos)分配的通道進(jìn)行搭載?，F場(chǎng)總線(xiàn)牢牢掌握著(zhù)帶寬控制。

●     通過(guò)以太網(wǎng)上的時(shí)間分片程序來(lái)保證帶寬預留的協(xié)議。這里要提一下PROFINET® IRT。IRT支持在運行軟實(shí)時(shí)或背景流量的相同電纜上進(jìn)行確定性硬實(shí)時(shí)數據傳輸。時(shí)間片的規劃需要一個(gè)精確的傳輸路徑時(shí)序模型。

●     基于共享以太網(wǎng)電纜的協(xié)議。這些協(xié)議使用QoS并非常適用于工廠(chǎng)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化應用。PROFINET RT和EtherNet/IP是值得關(guān)注的例子。這些協(xié)議僅限用于軟實(shí)時(shí)（周期時(shí)間≥1 ms）范圍。

 

圖3.時(shí)序模型：PHY、電纜和交換機會(huì )影響到數據傳輸延遲。使用時(shí)隙方法（PROFINET IRT和TSN時(shí)間感知整形器(TAS)）時(shí)必須考慮這一點(diǎn)。

 

這些標準需要特殊的硬件來(lái)支持，因此需要使用特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP®也是基于嵌入式雙端口直通式交換機的，因此它們在這一點(diǎn)上也不例外。諸如ADI的fido5000之類(lèi)的靈活、基于硬件的多協(xié)議解決方案以精簡(jiǎn)的方式解決了這個(gè)問(wèn)題。

 

步入TSN

 

借助TSN，業(yè)界已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出符合IEEE 802.1的標準以太網(wǎng)擴展版本，成功地擺脫了過(guò)去的限制。因此，ISO七層模型中的標準化第2層現在已經(jīng)可以向上兼容之前的以太網(wǎng)和硬實(shí)時(shí)功能。通過(guò)802.1AS-rev，TSN還定義了可互操作的統一方法，用于同步網(wǎng)絡(luò )中的分布式時(shí)鐘。由于通過(guò)TSN總能實(shí)現“盡力而為”的通信，所以在硬實(shí)時(shí)應用以及所有其它應用（網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器、SSH等）中，共用電纜成為可能。在這方面，TSN與PROFINET IRT并沒(méi)有什么不同，它也提供了相仿的性能。

 

采用TSN的新增需求是需要更廣泛的網(wǎng)絡(luò )配置。集中式或分布式配置均有可能。目前正在討論和實(shí)施兼顧兩種類(lèi)型的配置。未來(lái)的發(fā)展目標是實(shí)現兩種配置機制之間的互操作性。

 

這一切都再好不過(guò)了，TSN的實(shí)際優(yōu)勢到底是什么？

 

最常見(jiàn)的答案是，它提供了市面上更低成本的網(wǎng)絡(luò )接口，并且適用于更廣泛的市場(chǎng)。畢竟，TSN也能用于未來(lái)的樓宇自動(dòng)化和汽車(chē)行業(yè)中。事實(shí)上，預計嵌入式TSN解決方案的市場(chǎng)規模將大大超過(guò)所有工業(yè)以太網(wǎng)解決方案當前市場(chǎng)的總和。

 

TSN相較以前的工業(yè)以太網(wǎng)方式最大的技術(shù)優(yōu)勢是其可擴展性。與當前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )不同，TSN并不針對特定的傳輸速率進(jìn)行定義。TSN可用于100 Mbps，也可同樣用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。

 

它還更好地優(yōu)化拓撲結構，因為現在可以針對各個(gè)不同的區段選擇與之相適應的數據速率。無(wú)論是1 Gbps、100 Mbps還是10 Mbps，都使用統一的第2層——IEEE802.1/TSN。

 

統一的網(wǎng)絡(luò )基礎設施還有助于相關(guān)人員完成建立和維護網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)，因為通過(guò)TSN，解決方案現在可以用于自動(dòng)化以外的其它領(lǐng)域，如建筑、過(guò)程和工廠(chǎng)自動(dòng)化以及能源分配等。

 

這為我們帶來(lái)了下一個(gè)優(yōu)勢，即培訓因素。TSN已經(jīng)成為許多大學(xué)的課題，多數尚處在研究階段。然而，技術(shù)和職業(yè)學(xué)院已經(jīng)對這個(gè)課題表現出極大的興趣。我們可以相當負責任地說(shuō)，TSN將成為工程師、技術(shù)人員和技術(shù)工人的必備基本知識。將不再需要針對不同的現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行再培訓。

 

 “棕地”(Brownfield)，即現有的協(xié)議該怎么辦？

 

在幾乎所有與TSN相關(guān)的工作組中，都會(huì )反復出現一個(gè)主題：如何同時(shí)保障向TSN的過(guò)渡和向現有安裝系統（如“棕地”應用）的供給？

 

在各方面，強調的重點(diǎn)都是旨在讓客戶(hù)能夠輕松順利地過(guò)渡到TSN。今天，我們可以有把握地說(shuō)，現有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會(huì )在一夜之間消失。與之相反，任何人當前正在使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或類(lèi)似普遍的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，他們都可以很有把握地假定，在10年內他們還是能夠使用這些協(xié)議運行網(wǎng)絡(luò )，并獲得支持和替換部件。

 

所有工業(yè)以太網(wǎng)組織都提供了模型，用來(lái)描述現有工廠(chǎng)如何與基于TSN的新設備協(xié)同工作?，F有工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的接口由網(wǎng)關(guān)(Sercos)、帶耦合器(EtherCAT)或沒(méi)有任何特殊硬件(PROFINET RT)的接口組成。特別是PROFINET和EtherNet/IP計劃將其完整協(xié)議作為第2層用于TSN。

這使得逐步過(guò)渡到TSN成為可能。

 

圖4.棕地：TSN網(wǎng)絡(luò )與PROFINET和EtherCAT相結合。

 

總之，TSN將在新裝置中隨處可見(jiàn)，并逐漸以島或區段的形式導入至現有裝置中。

 

然而，伴隨著(zhù)TSN，工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域將涌現出新的協(xié)議。帶有新傳輸協(xié)議PUB/SUB的OPC UA與TSN一起，已被視為傳統協(xié)議的競爭對手。對于現場(chǎng)設備的制造商來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)它們不得不同時(shí)支持傳統的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及TSN和新協(xié)議。

 

TSN和ADI公司

 

ADI公司一年多前收購了工業(yè)以太網(wǎng)的領(lǐng)先企業(yè)Innovasic，現已成功完成了整合。隨著(zhù)Innovasic的整合，fido5000系列工業(yè)雙端口交換機已被納入ADI公司產(chǎn)品線(xiàn)。該交換機支持所有相關(guān)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，并支持TSN。

 

利用fido5000，現在就可以將產(chǎn)品規劃過(guò)渡至TSN并同時(shí)滿(mǎn)足當前需求（PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等）。借助fido5000還將使實(shí)現OPC UA PUB/SUB成為可能。借助fido5000，可將TSN規劃為現有系統的一個(gè)更新。

 

fido5000系列仍在不斷增強。我們將提供面向1 Gb應用的新產(chǎn)品，但10 Mb/100 Mb的產(chǎn)品仍將繼續提供，以滿(mǎn)足客戶(hù)的要求。

 

借助fido5000系列提供的靈活性，能夠可靠、高效地執行TSN移植。

 

TSN是一個(gè)機遇

 

TSN使得為所有工業(yè)通信創(chuàng )建一個(gè)統一的基礎成為可能。一旦引入TSN，工業(yè)應用中的ISO七層模型的第1、2、3層將統一。這有可能使可擴展性和性能達到全新的水平。

 

基于此，上層通信是否也會(huì )標準化？是否有可能出現一個(gè)統一的OPC UA PUB/SUB？有可能。利用fido5000系列，用戶(hù)能夠為應對所有場(chǎng)景做好準備。

 

作者簡(jiǎn)介

 

Volker在時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的各種工業(yè)應用領(lǐng)域擁有超過(guò)30年的豐富經(jīng)驗。作為一名商用軟件開(kāi)發(fā)人員，Volker為無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)應用開(kāi)發(fā)了各種通信協(xié)議和堆棧，同時(shí)積極參與領(lǐng)先的行業(yè)組織的新通信標準制定。聯(lián)系方式：volker.goller@analog.com。

 

 

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