工業(yè)以太網(wǎng)（實時以太網(wǎng)）在過去幾年中經(jīng)歷了巨大的增長。盡管經(jīng)典的現(xiàn)場總線仍在大量運(yùn)行，但它們已經(jīng)過了巔峰時期。流行的實時以太網(wǎng)協(xié)議擴(kuò)展了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足實時功能的要求。TSN現(xiàn)在提供了一條通往實時以太網(wǎng)的新路由。

實時和通信

在工廠自動化和驅(qū)動技術(shù)的背景下，實時意味著安全可靠地達(dá)到不到十毫秒到微秒的循環(huán)時間。為了滿足這些實時要求，以太網(wǎng)還必須獲得實時功能。

圖1.自動化中的實時通信。

以太網(wǎng)比現(xiàn)場總線快得多，那又怎樣？

為了滿足自動化的實時性要求，需要保證傳輸帶寬和傳輸延遲。即使這些帶寬通常非常小（每個設(shè)備幾十字節(jié)），該傳輸通道也必須在每個 I/O 周期中以所需的延遲可用。

但是，經(jīng)典以太網(wǎng)不提供延遲和帶寬的保證。相反，如果操作需要，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以隨時丟棄幀。這是什么意思？

以太網(wǎng)是一種所謂的橋接網(wǎng)絡(luò)。幀（以太網(wǎng)幀）從一個點發(fā)送到另一個點：從端點發(fā)送到交換機(jī)（網(wǎng)橋），從那里可能發(fā)送到其他網(wǎng)橋，最后發(fā)送到另一個端點。此體系結(jié)構(gòu)在很大程度上是自我配置的。網(wǎng)橋首先完全接收幀，然后再轉(zhuǎn)發(fā)幀。這就是出現(xiàn)多個問題的地方：

如果在高峰時段要存儲的幀數(shù)超過網(wǎng)橋中的緩沖區(qū)內(nèi)存可以容納的幀數(shù)，則會丟棄新傳入的幀。

由于幀的長度不同，因此它們會延遲作為其長度的函數(shù)。這會導(dǎo)致延遲波動（抖動）。

由于交換機(jī)應(yīng)通過其發(fā)送幀的端口可能已被其他幀占用，直至達(dá)到完整幀大小，因此會出現(xiàn)額外的延遲。在 100 Mbps 下發(fā)送大型以太網(wǎng)幀（1522 字節(jié)）大約需要 124 μs。

我們可以爭辯說，以太網(wǎng)通常運(yùn)行良好，并且在某種程度上是公平的。但是，通過這樣做，我們使用兩個與硬實時無關(guān)的詞。如果僅正常滿足實時條件，則是不夠的。它總是必須得到滿足。

任何住在化工廠或煉油廠旁邊的人都可以欣賞這一點。工業(yè)通信也不公平：最重要的事情，即控制/閉環(huán)控制應(yīng)用，始終具有優(yōu)先級。

圖2.ISO 七層模型。

以PROFINET和EtherCAT為例說明的實時擴(kuò)展

由于負(fù)責(zé)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的IEEE沒有解決問題的解決方案，因此該行業(yè)開發(fā)了自己的解決方案，再次證明了其創(chuàng)新性。這些解決方案都有其優(yōu)點和缺點，最終針對不同的市場。

圖3.協(xié)議概述。

PROFINET：普遍適用

PROFINET提供了兩種互補(bǔ)的解決方案。PROFINET RT是一種工廠自動化解決方案，循環(huán)時間長達(dá)1毫秒，RT直接基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)的可能性（例如，服務(wù)質(zhì)量（QoS，優(yōu)先級））被用來優(yōu)先考慮實時流量。這很有幫助，但 QoS 并不能完全解決資源和延遲問題。這就是限制軟實時的原因。與網(wǎng)絡(luò)中使用的其他協(xié)議（如HTTP，SNMP和TCP / IP）的良好兼容性是該技術(shù)的明顯優(yōu)勢。

圖4.普羅菲特 IRT.

對于硬實時，PROFINET提供同步實時（IRT）擴(kuò)展。在這里，部分以太網(wǎng)帶寬專門保留給通過擴(kuò)展到標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件的 IRT 流量。這是通過IRT節(jié)點中時鐘的精確同步來實現(xiàn)的。因此，可以在每個周期中阻塞正常流量的通道（紅色階段）。只有處于紅色階段的 IRT 幀才能到達(dá)網(wǎng)絡(luò)。此外，網(wǎng)絡(luò)參與者在預(yù)先計算的時間精確地發(fā)送IRT幀，從而在紅色階段內(nèi)實現(xiàn)效率最大化。IRT 幀在網(wǎng)絡(luò)中移動幾乎不會滑移。這樣做的一個優(yōu)點是它將所有其他流量必須等待的紅色階段的長度限制在最低限度。紅相最多可占用以太網(wǎng)通道帶寬的50%。

如前所述，全長（1552字節(jié)）以太網(wǎng)幀需要大約124 μs的線路。如果PROFINET IRT占用最大50%的帶寬，則最快周期時間為2 × 124 μs = 248 μs，四舍五入時為250 μs。只有這樣，其他協(xié)議（如HTTP）才能以不變的形式與之共存。

由于PROFINET 2.3用于IRT的優(yōu)化，包括快進(jìn)，動態(tài)幀打包和分段，因此可以縮短到31.25 μs的更快循環(huán)時間。

EtherCAT：以太網(wǎng)現(xiàn)場總線

在EtherCAT的開發(fā)中，一開始還有其他要求。EtherCAT 是基于物理以太網(wǎng)（即第 1 層）的現(xiàn)場總線。甚至第 2 層也針對現(xiàn)場總線應(yīng)用和高吞吐量進(jìn)行了優(yōu)化。EtherCAT沒有經(jīng)典的以太網(wǎng)橋接器。它使用求和幀報文，這使得數(shù)據(jù)傳輸特別高效。與普通以太網(wǎng)不同，普通以太網(wǎng)中涉及設(shè)備之間通信的每個設(shè)備發(fā)送單獨的幀，EtherCAT每個周期發(fā)送一個幀。但是，此幀包含尋址設(shè)備的所有數(shù)據(jù)。當(dāng)EtherCAT幀由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時，該特定設(shè)備的數(shù)據(jù)將實時插入幀并從幀中取出。通過這種方式，在極端情況下可以實現(xiàn)甚至小于 31.25 μs 的極短循環(huán)時間。

EtherCAT還具有時間同步功能。為了使PC上并不總是理想的以太網(wǎng)接口能夠用作EtherCAT的主站，我們付出了很多努力。

以太網(wǎng)流量（如 Web 或 TCP/IP 流量）只能通過 EtherCAT 以背負(fù)式方式分小部分傳輸;在網(wǎng)絡(luò)上直接共存是不可能的。

其他人呢？

POWERLINK采用與EtherCAT相同的基本方法;它完全控制以太網(wǎng)，并通過搭載到節(jié)點來傳輸 IP 應(yīng)用程序。但這是他們唯一的共同點。POWERLINK不使用求和幀協(xié)議。然而，它在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)同樣出色。

與IRT一樣，SERCOS具有保留帶寬，但在其中使用求和幀協(xié)議。SERCOS允許其他協(xié)議共存。

是時候使用 TSN 了

IEEE在音頻/視頻橋接（AVB）協(xié)議的范圍內(nèi)處理了實時主題。在協(xié)議的改進(jìn)中，還考慮了更具挑戰(zhàn)性的工業(yè)實時通信。這套標(biāo)準(zhǔn)的原始名稱AVB2在此更改為TSN（用于時間敏感網(wǎng)絡(luò)）。有了這些標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在可以使用統(tǒng)一的確定性以太網(wǎng)版本。

這實際上使許多事情變得更容易。例如，眾所周知的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)幾乎都定義為100 Mbps。然而，今天，千兆以太網(wǎng)和10 Mbps以太網(wǎng)已成為特殊應(yīng)用中關(guān)注的焦點。TSN標(biāo)準(zhǔn)涵蓋所有速度。有了TSN，輪子就不必重新發(fā)明：如果不是TSN，所有現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)都必須重新定義千兆位，這將導(dǎo)致硬件開發(fā)成本和市場碎片化。

TSN如何提供幫助？與TSN實時

TSN擴(kuò)展了以太網(wǎng)的第2層，包括實時操作所需的一系列機(jī)制：

802.1AS/802.1AS-Rev 為網(wǎng)絡(luò)中的時鐘提供極其精確的同步。

時間感知整形器 （TAS） 選項使以太網(wǎng)能夠通過硬調(diào)度進(jìn)行操作。有了它，可以在特定時間阻止/釋放 QoS 模型的一個或多個隊列。

搶占（穿插快速流量）選項允許將長幀分解為較小的部分，以便最大限度地減少更高優(yōu)先級幀的延遲。它可用于優(yōu)化 TAS 的保護(hù)帶，或在速度超過 100 Mbps 時替換 TAS。

幀復(fù)制和消除可靠性選項可用于定義通過網(wǎng)絡(luò)的冗余路徑;例如，在戒指中。

使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)意味著幀不再通過目標(biāo)節(jié)點的硬件 MAC 地址轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)，而是通過特殊 MAC 地址（本地管理的組播 MAC）和 VLAN ID 的組合進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這些幀如何通過網(wǎng)絡(luò)路由不再自動確定，而是由軟件配置。組播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 流始終只有一個發(fā)送者，但它可以有多個收件人。

現(xiàn)在可以考慮現(xiàn)有資源來設(shè)置 TSN 流，這樣就不必再丟棄任何幀。網(wǎng)橋現(xiàn)在使用其資源對 TSN 流進(jìn)行無損轉(zhuǎn)發(fā)。

圖5.以太網(wǎng)幀，與TSN數(shù)據(jù)流標(biāo)識相關(guān)的部分以綠色顯示。

盡力而為的流量（標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、IP、Web）與剩余資源（內(nèi)存/帶寬）完全正常發(fā)生。

第 2 層以上會發(fā)生什么？

每個互聯(lián)網(wǎng)以太網(wǎng)協(xié)議的背后都有一個組織，推動各自協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化和普及。這些組織中的每一個都制定了TSN戰(zhàn)略。因此，我們將再次看到幾乎所有現(xiàn)有的TSN協(xié)議 - 以一種或另一種形式。堅持我們的例子：

對于PROFINET來說，通往TSN的道路相對較短，因為已經(jīng)有豐富的時間感知整形經(jīng)驗（它已經(jīng)與IRT非常相似），并且一直支持行業(yè)和IT協(xié)議的共存。對于用戶來說，很多事情都保持不變，因此熟悉的環(huán)境可以產(chǎn)生新的性能。

EtherCAT和類似的SERCOS將使TSN在現(xiàn)場級別之上可訪問。例如，EtherCAT自動化協(xié)議（EAP）非常適合以較低的開銷通過TSN將經(jīng)典的EtherCAT段聯(lián)網(wǎng)。

但是，該領(lǐng)域也有新的參與者。

有一個小組正在定義一種全新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。OPC UA被用作應(yīng)用層。TSN被視為使該協(xié)議具有實時功能的一種手段。然而，這里仍然需要做工作。傳輸需要OPC UA的新傳輸層，即所謂的OPC UA PUB/SUL協(xié)議。

圖6.硬實時 （IRT）、軟實時 （RT） 和 IT 協(xié)議 （TCP/IP） 的延遲/抖動大小。

很多幫助很大嗎？非實時

今天，我們在工業(yè)自動化中使用100 Mbps以太網(wǎng)，很快千兆以太網(wǎng)將可用。但是，更高的速度并不自動意味著保證延遲和保證傳輸。因此，對于硬實時，總是需要特殊的機(jī)制。有了TSN，它們現(xiàn)在是標(biāo)準(zhǔn)化的。

審核編輯：郭婷