时间敏感型网络:实时以太网

关于以太网的讨论引发业界对安全数据传输和实时性的需求不断增长。这涉及到时间敏感型网络(TSN)——在IEEE 802时间敏感性网络工作组(TSN TG)框架内开发的几个子标准的组合。其目标是将传统以太网与工业通信所需的实时功能相结合,从而使所有工业通信建立在一个统一基础上。在这里,有保证的延迟和相应的确定性是关键参数。传统以太网对此已无能为力,尤其是在高网络负载下,因为传统交换机通常在看到消息之前、在消息前往目的地之前以及在转发消息时缓存消息。然而,新的应用需要能够以快得多的速度更准确地控制带宽分配的技术,尤其是在当今物联网和工业4.0时代。未来,TSN或其子标准将使传统以太网具备实时特性成为可能,即便数据传输速率达到GSPS范围。除了实时能力和确定性之外,TSN还有另一项巨大技术优势。网络扩展能力使得TSN能以10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps或10 Gbps的速率运行。但是,这需要细致(因而更复杂)的网络配置。1 Gbps及以上的传输速率是当今网络的逻辑演进。1 Gbps为新型(物联网)应用开辟了道路,有助于克服数据密集型应用中的性能瓶颈。但是,只有当终端和以太网交换机均支持TSN功能时,TSN作为一个系统才能发挥全部效用。TSN功能和标准如图1所示。

图1. TSN标准

由图示子标准组成的完整TSN包目前尚未完成。图1中突出显示的两个子标准IEEE 802.1AS-REV(时间同步)和IEEE 802.1Qcc(流预留),仍在IEEE 802.1时间敏感性网络工作组内部讨论。很难估计这些开放的子标准将于何时完全厘定。但是,这项工作应该在2019年中期之前完成。尽管如此,即使在TSN标准的当前状态下,标准以太网的一个向上兼容的发展版本也已根据IEEE 802.1创建出来。例如,最近被采纳的子标准提供了一种用于同步整个网络中分配的时钟信号的互操作方法。同时,这些子标准支持在其他设备也使用的共享传输介质上实现确定实时性。因此,TSN调节ISO/OSI参考模型第2层中的数据通信(参见图2)。

图2. ISO/OSI参考模型

严格地说,TSN代表以太网中支持实时性的第2层,但不是完整的实时协议。也就是说,TSN不会取代PROFINET、EtherNet/IP及类似的以太网协议。相反,这些工业以太网协议长期而言将支持第2层TSN,因此传统工业以太网协议不会消失,但未来将建立在TSN之上。但是,现场总线则可能会被以太网永久性取代。

为了能够在未来支持所有这些工业标准,业界需要用户专用ASIC形式的特殊且灵活的硬件。这方面的一个范例是ADI公司精致的多协议芯片解决方案fido5000。TSN所需的硬件已集成到此以太网交换芯片中。一旦所有子标准都已完全明确,通过固件更新即可轻松调适此芯片。因此,它已为TSN做好准备。

图3. fido5000支持的TSN标准

然而,为使从标准工业以太网应用到TSN的过渡循序渐进展开且尽可能简单,标准化组织为现有工厂如何适应基于TSN的新设备提供了一些模型。这涉及使用ISO/OSI参考模型的统一层1、2和3,从而支持在可扩展性和性能方面采用全新方法。但是,这要求整个网络及其所有组件(如交换机)支持各种通信协议。如此就能实现统一的确定性基础设施,TSN网络即可发挥其相对于传统标准以太网的优势。

但是,由于完整TSN标准尚未完全确定,许多公司目前不愿意实施TSN。转换可能需要一些时间,不过终端已经可以从TSN网络中获益,因为现有TSN交换机已经提供确定性和实时能力。所以,TSN将成为未来的以太网标准是毫无疑问的。唯一未决的问题是完整TSN包将于何时准备就绪,并在行业中找到合适的应用。

作者

Thomas Brand

Thomas Brand

Thomas Brand于2015年10月加入德国慕尼黑的ADI公司,当时他还在攻读硕士。2016年5月至2017年1月,他参加了ADI公司的现场应用工程师培训生项目。之后在2017年2月,他开始担任现场应用工程师职位,主要负责工业大客户。此外,他还专注于研究工业以太网,并为中欧的相关主题提供支持。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业,之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。