深入了解即時乙太網路

作者:ADI系統應用工程師Volker Goller

工業乙太網路——即時乙太網路——在過去幾年中經歷了大幅的成長。雖然經典的現場匯流排仍大量存在,但它們已經過了巔峰期。風行的即時乙太網路協定擴展了乙太網路標準,可以滿足即時功能的要求。現在,TSN為即時乙太網路提供了一條新的途徑。

即時與通訊

在工廠自動化和驅動技術的背景下,即時意味著週期時間要安全、可靠地達到10毫秒以下,最低至微秒。為了滿足這些即時要求,乙太網路還必須獲得即時功能。

圖1.自動化中的即時通訊。

乙太網路比現場匯流排快得多——那又如何?

為了滿足自動化的即時要求,需要保證傳輸頻寬和傳輸延遲。即使這些頻寬通常非常小(每個元件幾十個位元組),該傳輸通道必須在每個I/O週期中可用,且達到延遲要求。但是,經典乙太網路不提供延遲和頻寬保證。相反的,如果操作需要,乙太網路可以隨時丟棄幀。這意味著什麼?

乙太網路是所謂的橋接網路。幀(乙太網路幀)從一個點發到另一個點:從端點到交換機(橋接器),從那裡可能發到其他橋接器,最後到達另一個端點。該架構在很大程度上具有自我配置能力。橋接器在轉發幀之前先完全接收幀。許多問題正是出在這裡:

  • 如果在峰值時間儲存的幀數多於橋接器緩衝記憶體可以容納的幀數,則丟棄新傳入的幀。
  • 由於幀長不同,因此其延遲時間為其長度的函數。這會導致延遲波動(抖動)。
  • 由於交換機應通過其發送幀的埠可能已經被其他幀完全佔用,所以會導致額外的延遲。發送大型乙太網路幀(1522位元組)在100 Mbps速率下大約耗時124 µs。

如果乙太網路通常運作良好,這種說法在某種程度上是公允的。但是,這樣做,我們使用的"通常"一詞在硬即時情境下是無意義的。僅僅通常滿足即時條件是不夠的,必須始終滿足該條件。

住在化工廠或煉油廠旁邊的任何人都能理解這一點。工業通訊也不公平:最重要的是,控制/閉迴路控制應用始終具有優先權。

圖2.ISO七層模型

以PROFINET和EtherCAT為例展示的即時擴展

由於負責乙太網路標準化的IEEE並未就該問題提出解決方案,工業界因此開發了自己的解決方案——再次證明了其創造力。各種解決方案都有自己的優勢和劣勢,最終將用以解決不同的市場問題。

圖 3.協議概述

PROFINET: 普遍適用

透過PROFINET,可提供兩種互補型解決方案。PROFINET RT是一種工廠自動化解決方案,週期時間最長為1 ms。RT直接以標準乙太網路為基礎。乙太網路的可能性(例如,服務品質(QoS,優先順序))被用於產生即時流量優先順序。這是有所幫助的,但QoS並不能完全解決資源和延遲問題。這就是限制軟即時的原因。與網路中使用的其他協定(例如HTTP、SNMP和TCP/IP)的良好相容性是該技術的明顯優勢。

圖4. PROFINET IRT.

對於硬即時,PROFINET提供同步即時(IRT)擴展。在此,部分乙太網路頻寬透過標準乙太網路硬體的擴展專門為IRT流量保留。這可以透過IRT節點中的時脈的精準同步來加以實現。因此,可以在每個週期阻止通道(紅色階段)中的正常流量。只有紅色階段中的IRT幀到達網路。此外,網路參與者準確地在預先計算的時間發送IRT幀,從而在紅色階段實現效率的最大化。IRT幀通過網路,幾乎無周跳。這樣做的一個優點是它可以紅色階段的長度限制在最低限度;在紅色階段,所有其他流量都必須等待。紅色相位最多可以佔用乙太網路通道頻寬的50%。

如前所述,全長乙太網路幀(1552位元組)線路上大約耗時124 µs。如果PROFINET IRT佔用全部50%的頻寬,最快的週期時間為2×124 µs =248 µs,捨入後為250 µs。只有這樣,其他協議(如HTTP)才能以不變的形式與其共存。

由於PROFINET 2.3可用於IRT的優化,包括快速轉發、動態幀封裝和分段,因此可以實現低至31.25µs的更快週期時間。

EtherCAT:乙太網路現場匯流排

在EtherCAT的開發過程中,開始時還有其他要求。EtherCAT是基於物理乙太網路(即第1層)的現場匯流排。甚至第2層也針對現場匯流排應用和高輸送量應用進行了優化。EtherCAT沒有經典的乙太橋接器,使用求和幀電報,使資料傳輸特別高效。EtherCAT每個週期發送一幀,與普通乙太網路不同;在後者中,設備間通訊涉及的每台設備發送單獨的幀。但是,此幀包含被定址設備的所有資料。當EtherCAT幀由設備轉發時,該特定設備的資料被即時插入到該幀中並從該幀中取出。透過這種方式,可以實現極短的週期時間,最小低於31.25 µs。

EtherCAT還具有時間同步功能。為了將在PC上表現不太理想的乙太網路介面用作EtherCAT的主設備,人們付出了大量努力。

在EtherCAT下,乙太網路流量(如Web或TCP/IP流量)只能以背負方式分成小部分傳輸;不可能線上上直接共存。

其他的呢?

POWERLINK採用與EtherCAT相同的基本方法;其取得對乙太網路的完全控制權,並透過背負方式把IP應用傳輸到節點。但這是他們唯一的共同點。POWERLINK不使用求和幀協定,然而,它在實際應用中表現同樣出色。

與IRT一樣,SERCOS有預留頻寬,但在其中使用的是求和幀協定。SERCOS允許其他協議共存。

TSN時機已至

IEEE從音訊/視頻橋接(AVB)協議的角度研究了這個話題。在對協議進行改進時,還考慮了更具挑戰性的工業即時通訊。這些標準的原始名稱AVB2由此改稱TSN(指時間敏感型網路)。有了這些標準,現在可以使用統一的確定性乙太網路版本。

這實際上可以簡化許多問題。例如,眾所周知的工業網路幾乎全部針對100Mbps。然而,千兆乙太網路和10 Mbps乙太網路如今已成為特殊應用的關注焦點。TSN標準涵蓋所有速率。使用TSN,無需從頭開始:如果不是TSN,所有現有標準都必須針對千兆速率進行重新定義——這將導致硬體開發成本和市場碎片化成本。

TSN有什麼用?關於TSN即時

TSN擴展了乙太網路第2層,納入了即時操作所需的一系列機制:

  • 802.1AS/802.1AS-Rev考慮了網路中時脈的高精度同步問題。
  • 時間感知整形器(TAS)選項使乙太網路能夠在硬調度模式下運行。有了該選項,就可以在特定時間阻止/釋放QoS模型的一個或多個佇列。
  • 搶佔(穿插快速流量)選項使長幀能夠被分解成更小的部分,從而最大限度地減小優先順序更高的幀的延遲。該選項可用於在速率超過100 Mbps時,優化TAS的保護帶或替換TAS。
  • 複製和消除幀以提高可靠性的選項可用於定義通過網路的冗餘路徑;如迴路中。
  • 使用軟體定義的網路意味著幀不再透過目標節點的硬體MAC位址轉發到目的地,而是透過特殊MAC地址(本地管理的多播MAC)和VLAN ID的組合轉發。不再自動確定這些幀在網路中的路由方式,而是由軟體進行配置。多播MAC和VLAN ID的這種組合稱為流ID,具有相同流ID的所有TSN幀稱為TSN流。TSN流始終只有一個寄件者,但可以有多個收件人。

有鑑於現有資源,現在可以用特殊的方式組織TSN流,不再需要丟棄幀。現在,橋接器將其資源用於TSN流的無損轉發。

圖5.乙太網路幀(其中,與TSN資料流程標識相關的部分以綠色表示)。

盡力服務流量(標準乙太網路、IP、Web)用剩餘資源(記憶體/頻寬)正常傳輸。

第二層以上發生了什麼?

每個互聯網乙太網路協定背後都有一個組織,是它推動著各自協議的標準化和普及。這些組織中的每一個都制定了TSN策略。結果是,如同我們所見,幾乎所有現有協議都有TSN,只是表現形式各異而已。繼續看我們的例子:

對於PROFINET,通向TSN的途徑相對較短,因為人們目前已經累積了豐富的時間感知整形經驗(已經非常接近IRT),並且始終都支援業界協定與IT協定的共存。對於用戶而言,很多東西都沒有改變,因此,熟悉的環境將有利於提升績效。

EtherCAT和類似的SERCOS將使TSN獲得現場層次以上的運用能力。例如,EtherCAT自動化協議(EAP)非常適合透過TSN以較低的開銷,連通經典EtherCAT網段。

但是,該領域也有新的參與者。

有一個團體正著手定義一個全新的工業乙太網路協定。有人將OPC UA用作應用層。TSN被視為使該協議具有即時能力的手段。但是,這裡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協議)。

圖6.硬實時(IRT)、軟即時(RT)和IT協議(TCP/IP)的延遲/抖動幅度。

越多越有用嗎?在即時領域並非如此

今天,我們在工業自動化中使用的是100 Mbps乙太網路,千兆乙太網路很快就會上線。但是,更高的速度並不意味著延遲能得到保障,傳輸能得到保障。因此,對於硬實時,始終都需要特殊的機制。有了TSN,它們業已標準化。

Author

Volker Goller

Volker Goller

Volker E. Goller is a systems applications engineer with Analog Devices and has over 30 years of experience with a diverse set of industrial application ranging from complex motion control and embedded sensors to time sensitive networking technology. A software developer by trade, Volker has developed a wide variety of communication protocols and stacks for wireless and wired applications while actively engaging in fielding new communication standards through his involvement in leading industry organizations.