Part 1

背景介紹

1

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議種類繁多，難以統(tǒng)一

自從以太網(wǎng)于1983年標(biāo)準(zhǔn)化以來，它已成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和航空航天、汽車和運(yùn)輸部門中廣泛使用的鏈路層協(xié)議。這些關(guān)鍵領(lǐng)域的大多數(shù)應(yīng)用程序都需要實(shí)時(shí)運(yùn)行，即必須在緊迫的期限內(nèi)接收數(shù)據(jù)。但是，以太網(wǎng)并不是確定性地工作的，這意味著它不能保證網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間。因此，在過去的35年中，技術(shù)專家們已經(jīng)開發(fā)了各種基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)的增強(qiáng)功能，如工業(yè)領(lǐng)域的PROFINET、EtherCAT協(xié)議，航空航天領(lǐng)域的AFDX協(xié)議，汽車領(lǐng)域的TTEthernet等。它們彼此不兼容，并且與傳統(tǒng)以太網(wǎng)不兼容，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)合了不同的機(jī)制來保證確定性。這種差異意味著該行業(yè)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案市場(chǎng)目前高度分散。

2

IT與OT技術(shù)難以互操作

此外，工業(yè)4.0和數(shù)字化進(jìn)程的出現(xiàn)旨在通過提出運(yùn)營(yíng)技術(shù) (OT)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或信息技術(shù) (IT) 的互連來獲得更高的生產(chǎn)力和效率（見圖1）。這個(gè)概念稱為IIoT，包括工廠的所有元素（傳感器、機(jī)械、工業(yè)計(jì)算機(jī)）與外部數(shù)據(jù)中心的互連。這種互連允許它從工廠收集許多操作數(shù)據(jù)，以使用服務(wù)來分析它們，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化以優(yōu)化工廠控制流程并提高生產(chǎn)力和效率。雙方的互操作性是IIoT的重要愿望。

由于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的具體特征，兩個(gè)世界（OT和IT）中的技術(shù)差別很大，通常無法互操作。因此，使用當(dāng)前技術(shù)來實(shí)現(xiàn)IT與OT的融合是重要的，否則工廠網(wǎng)絡(luò)無法兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)，從而無法直接訪問互聯(lián)網(wǎng)。所以，需要一種可以橋接IT和OT世界的基于以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，而TSN正是針對(duì)此類僅基于以太網(wǎng)的解決方案的方案。

圖1OT世界（工廠）和IT（數(shù)據(jù)中心）之間的邊界

3

TSN自身帶來的挑戰(zhàn)

TSN方案面臨著來自技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用的挑戰(zhàn)，高成本便是其中之一，這主要是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的所有交換機(jī)和元素都必須是TSN感知的。另一個(gè)挑戰(zhàn)來自于快速變化的未完成標(biāo)準(zhǔn)，它們有時(shí)會(huì)重疊，而目前沒有能力驗(yàn)證一致性和互操作性。網(wǎng)絡(luò)安全和其他安全問題也是一個(gè)挑戰(zhàn)，這主要是因?yàn)門SN強(qiáng)烈依賴于可作為目標(biāo)的穩(wěn)健同步和配置。由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，TSN配置也是一個(gè)問題。

因此，下文將沿著這一方向，介紹TSN的兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.1AS（關(guān)于時(shí)鐘同步）和IEEE 802.1Qbv（關(guān)于時(shí)間計(jì)劃流量 (ST)）的實(shí)現(xiàn)，建立端到端的 TSN 網(wǎng)絡(luò)。

主要內(nèi)容包括：

(1) Linux內(nèi)核的設(shè)置和配置，以將 TSN 插槽配置擴(kuò)展到操作系統(tǒng)(OS)。

(2)在Linux中設(shè)置專用硬件。

(3)使用專用軟件工具輕松配置所有不同參數(shù)。

(4)一種可視化工具，顯示其插槽中的數(shù)據(jù)包以檢查其正確行為。

Part 2

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

TSN是由IEEE時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組開發(fā)的一組標(biāo)準(zhǔn)。該任務(wù)組于2012年從現(xiàn)有的音頻/視頻橋接(AVB) 任務(wù)組成立。AVB是為通過LAN同步音頻和視頻數(shù)據(jù)傳輸而開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。TSN小組的想法是將AVB計(jì)劃提供的技術(shù)解決方案遷移和調(diào)整到其他部門并發(fā)送所有類型的數(shù)據(jù)。需要注意的是，TSN本身并不是一種通信協(xié)議，而是以太網(wǎng)的演進(jìn)。所有與TSN相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都是IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一部分。例如，搶占等高級(jí)TSN功能是802.3的一部分。

隨著TSN的出現(xiàn)，確定性的數(shù)據(jù)傳輸可以通過傳統(tǒng)的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。TSN強(qiáng)制執(zhí)行帶寬和時(shí)隙，從而增加隔離度。它允許關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過與其余流量相同的通信鏈路發(fā)送，而不會(huì)造成延遲或干擾，從而無需創(chuàng)建彼此獨(dú)立的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。這些流量類別通過完全互操作工廠網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)來促進(jìn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和企業(yè)之間的數(shù)據(jù)交換。

所有交換機(jī)都必須具有TSN感知能力才能利用TSN。此要求背后的主要原因是需要高級(jí)同步。另一方面，非實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的布線和以太網(wǎng)卡將保持不變。由于它是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，不同供應(yīng)商可以實(shí)現(xiàn)互操作，而不會(huì)出現(xiàn)專有協(xié)議的問題。該技術(shù)可用于幾乎所有工業(yè)應(yīng)用，因?yàn)樗梢造`活地滿足不同的延遲、抖動(dòng)或容錯(cuò)要求。

如前所述，TSN 不是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是一組使以太網(wǎng)更具確定性的標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都以不同的速度發(fā)展，這取決于市場(chǎng)的發(fā)展及其需求。其中一些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)過全面測(cè)試和實(shí)施，而其他標(biāo)準(zhǔn)仍處于開發(fā)的早期階段（草案版本）。其中兩個(gè)基本的標(biāo)準(zhǔn)是：

IEEE 802.1ASrev：該標(biāo)準(zhǔn)定義了IEEE 802.1AS協(xié)議，用于時(shí)鐘同步。通過這些，可以實(shí)現(xiàn)TSN的許多高級(jí)功能。

IEEE 802.1Qbv：該標(biāo)準(zhǔn)定義了IEEE 802.1Qbv協(xié)議，用于ST。它利用網(wǎng)絡(luò)同步來劃分帶寬和時(shí)隙。

下面，本文將展開介紹這兩種基本協(xié)議。

IEEE 802.1Qbv（ST增強(qiáng)）

使用IEEE 802.1Qbv，數(shù)據(jù)包傳輸被安排在一個(gè)重復(fù)周期中端到端。Qbv允許數(shù)據(jù)包確定性到達(dá)，提供延遲保證、極低的抖動(dòng)和無數(shù)據(jù)包丟失。TSN中定義了三種基本類型的流量：ST、盡力而為流量 (BE)和RE。ST適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的關(guān)鍵消息。BE是不需要任何QoS 的一般以太網(wǎng)流量。此外，預(yù)留流量 (RT)適用于需要預(yù)留特定帶寬并具有軟實(shí)時(shí)要求的幀。

IEEE 802.1Qbv中定義的時(shí)間感知整形器 (TAS) 是根據(jù)調(diào)度算法啟用或禁用幀傳輸?shù)拈T。TAS將以太網(wǎng)通信劃分為固定長(zhǎng)度、連續(xù)重復(fù)的周期。這些周期被分成時(shí)隙，在每個(gè)時(shí)隙中，分配八個(gè)優(yōu)先級(jí)中的一個(gè)或多個(gè)。

每個(gè)周期中的時(shí)隙數(shù)量、它們的持續(xù)時(shí)間以及每個(gè)周期中可以傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)都可以完全由應(yīng)用程序配置。由于此操作，ST可以擁有專用時(shí)隙，從而確保此流量在傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的確定性操作。另一方面，保留和BE被容納在每個(gè)周期的剩余時(shí)隙中。RT保證有專用帶寬，而BE可以使用剩余的帶寬。圖2顯示了802.1Qbv配置示例。

圖2 時(shí)隙劃分

Slot 1為ST預(yù)留；時(shí)隙期間不存在其他流量。另一方面，時(shí)隙2由保留流量和盡力而為流量使用。主要區(qū)別在于RT是保證的最小帶寬。

由于TSN的運(yùn)行基于在不同的時(shí)間間隔發(fā)送不同類型的流量，因此所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須在納秒級(jí)范圍內(nèi)同步。

IEEE 802.1ASrev（定時(shí)與同步）

IEEE 802.1ASrev是第一個(gè)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，也是當(dāng)今實(shí)施最廣泛TSN標(biāo)準(zhǔn)。借助IEEE 802.1ASrev，網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備和交換機(jī)具有共同的時(shí)鐘，允許以小于1μs的精度進(jìn)行同步，可以在不影響數(shù)據(jù)包傳播延遲的情況下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離同步。

IEEE 1588中定義的精確時(shí)間協(xié)議(PTP)用于以微秒精度同步網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的時(shí)鐘。通用精確時(shí)間協(xié)議 (gPTP)，也稱為IEEE 802.1ASrev（802.1AS的后繼者），是PTP的配置文件，其中包含可顯著提高時(shí)鐘同步準(zhǔn)確性的功能。gPTP有一些變化使這兩個(gè)協(xié)議不兼容。

gPTP中時(shí)鐘域的同步和建立分四個(gè)階段進(jìn)行：

• 確定鏈路上的其他設(shè)備（對(duì)端）是否能夠支持 gPTP。
• 確定對(duì)端的鏈路延遲和時(shí)鐘頻率。
• 選擇網(wǎng)絡(luò)中最好的時(shí)鐘作為主時(shí)鐘(MasterClock)。
• 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)同步到主時(shí)鐘。

未

完

待

續(xù)

在下一期更新的文章中，我們將介紹TSN在實(shí)施過程中的困難和挑戰(zhàn)，以及TSN如何在Linux設(shè)備上的實(shí)現(xiàn)，這將包括IEEE 802.1Qbv實(shí)施和IEEE 802.1ASrev實(shí)施。

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