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时间敏感型网络:为具有多种网络流量的IIoT环境配置的解决方案

供稿:工控网 2017/10/11 13:57:01
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设想一下当您在一个工厂里面,周围的机械、输送系统和工件不断地相互通信,以提升自动化、灵活性和效率。像这样的智能工业生产环境场景可能听起来有点科幻,实际上它的第一步,即互联工厂,正在迅速成为常态。

在我们熟知的工业物联网(IIoT)中,每个应用场景都有赖于辅助通信网络在可靠和可预先计算的时间框架内向目标发送信息并接收其响应的能力。随着越来越多的企业采用联网设备并依赖智能化的工厂场景,连接的问题(工厂运动部件之间的物理碰撞)和网络传输延迟的可能性将会增大。在运动控制场景中,即使设备之间数据信号的延迟仅为一毫秒,也会对生产线造成严重的破坏,给企业造成数百万美元的损失。

由丰富的数据流带来的新的挑战

速度、实时的通信和真正的确定性对于当今工业应用的成功至关重要。随着IIoT的兴起和相应的数据涌入,我们发现流量和带宽问题变得越来越突出。自动化网络在一定程度上始终存在着实时的要求,但是随着现场层面接入的传感器越来越多,可用带宽和不同流量类型共存成为工厂骨干网络上行信道的一个重要问题。当时间关键型流量和后台流量共享相同的网络基础设施时,标准以太网就无法提供可靠的实时保证。

电气和电子工程师协会(IEEE)目前正在参与开发时间敏感网络(TSN),它是一种新颖的技术,旨在通过容错机制以及时间关键型流量和背景流量的共存方法,提高标准以太网的可靠性。

TSN 可为标准 IEEE 802.1和 802.3 以太网提供全新水平的确定性。在IIoT应用中工作的自动化网络设计人员能够更加简便地扩展工艺流程,更好地提供实时的信息,并且能够传输和充分利用其以太网的可用带宽,而不用担心时间关键型通信出现中断情况。

TSN寻根问底:网络设计人员必须掌握的情况

TSN包含一系列的标准和机制,能够满足确定性数据传输的各种要求。我们必须通过一种标准的配置方式,在网络及各种网络设备上实施这些不同的机制。

IEEE 提出了三种不同的TSN配置模式,目前均处于标准化的过程中。每一种模式在网络基础设施要求的传达和处理方面有着细微的差别:

集中模式:在逻辑化的集中配置情况下,送话器和受话器通过直接的端到端连接进行通信。集中网络配置(CNC)基于网络拓扑上的信息和已分配的预留资源计算新数据流的时隙,然后对有关的网络参与者进行相应的配置。

分散模式:与集中模式全然不同的是,分散模式通过网络分发终端设备要求。TSN机制的常见配置基于每台设备的本地信息。终端设备向第一台网络设备(交换机)提交其要求,然后通过该设备将信息分发至网络的其余部分。

混合模式:这种模式将集中模式和分散模式结合在一起,并保留了终端设备向第一台以太网交换机提交要求的概念。实际的TSN配置以集中的方式进行,因为第一台交换机可将要求转发至CNC。这种方法的优势在于,终端设备只需要支持单一的配置协议,而网络能够以集中或分散的方式进行管理。

这三种模式的共同之处在于自动化的配置,它可以确保TSN网络的处理能够保持可管理性。

基本的 TSN 配置过程:它是什么样子的

要想配置网络,就必须确定并激活必要的 TSN 机制。发送设备或“送话器”公布它所希望发送的数据流的有关信息,其中包括各种识别特征,例如:流组播媒体访问控制(MAC)地址和服务类型优先级。称为“受话器”的终端设备若对数据流感兴趣,便可在上述信息的帮助下,注册并接收该数据流的相关数据包。需要配置哪些TSN机制取决于有待发送的数据流的要求,以及传输路径上所有以太网交换机的功能。

TSN的组件:设计人员需要什么才能够打造出一个成功的网络

TSN为基于以太网的数据通信增添了一定水平的确定性,甚至能够满足现代控制网络的最高要求。TSN拥有各种强大的组件,正是它们使得TSN 能够在工业应用中大获成功:

1.时间感知调度器:根据IEEE 802.1Qbv的要求,TSN的核心组件之一“时间感知调度器(TAS)”引入了一种可能性,即基于服务类型(CoS)优先级和传输时间来调度常规以太网帧的数据传输。它可以保证在界定的时间点进行数据的转发和交付。

TAS将时间分成等长的离散片段,称为周期,这样就能够按照实时的要求为数据包的传输提供专门的时隙。

2.尽力而为(Best Effort)以太网流量:在TAS的辅助下,我们可以暂时中断常规尽力而为以太网流量的传输,以便在为高优先级流量保留的时隙内转发时间敏感型数据流量。TAS允许对常规尽力而为数据流量的周期性实时数据进行优先级排序,以便只有实时数据包才能够在为高优先级流量保留的时隙内访问网络媒体。

TAS利用以太网报头的虚拟局域网标签中的服务类型优先级来区分高优先级流量和后台流量。

3.门控列表:门控列表确定在周期内的特定时间点允许发送哪个流量队列。该组件可以显示特定条目将处于活动状态的时间长度,它是TAS的重要组成部分,可以在每台网络设备的每个端口上进行配置。

4.隐式保护带:该保护带与TAS一起引入,它能够在传输门关闭之前将数据包的传输抑制最大尺寸以太网帧的持续时间,并防止传输可能侵入后续时隙从而破坏实时保证的尽力而为以太网帧。当使用存储—转发切换功能时,我们可以先考虑准备传输的数据包的长度,然后再决定是否在传输门关闭之前开始发送。

5.精确时间协议:时间同步对于TSN网络来说是一项强制性的要求。所有网络设备如果没有对时间的统一理解,TAS等调度机制就无法发挥作用,因为时隙也需要同步。TSN可以利用任何方法进行时间同步,但是根据IEEE 1588的要求,精确时间协议是自动化网络分发时间的推荐解决方案。

6.流量整形器:流量整形器是优先级排序机制,它允许保留最大的带宽,以便在界定的观察时段内传输时间敏感型数据。随后,有待传输的数据流量由相应的流量整形器转换成为某种类型和形式,从而保证达到一定的延迟限制。TSN及其前身技术“音频视频桥接(AVB)”目前给出了三种整形器,有的已经全面规范化,而有的正在进行标准化:

IEEE 802.1Qav—来自于AVB技术的基于信用量的整形器(The Credit-based shaper)可以保证在观察时段内为音频/视频传输提供最大所需带宽,而同时传输的尽力而为数据流量不会发生明显的中断情况。不过,这种整形器无法给出精确的时间保证。

IEEE P802.1Qch—循环队列和转发整形器(The Cyclic queuing and forwarding shaper)对传输的时间精度要求显著降低。这种流量整形器的作用是收集一个周期内通过保留带宽接收到的数据帧,并在下一个周期开始时作为“优先”流量发送。举例来说,它非常适用于过程自动化中发生的循环数据传输。

IEEE P802.1Qcr—异步流量整形器(The Asynchronous traffic shaper)不需要时间同步机制,因此最适合于时间同步本身所需的优先数据包传输。

正在开发中的其他新机制,如IEEE P802.1Qci,允许丢弃分配给错误时隙的数据帧。它还允许监管和丢弃使用超过其预留带宽的实时数据流。

TSN:IIoT应用的未来和高效的生产

随着TSN的不断发展,它必将带来标准化的、普遍可互操作的以太网,这些网络可以提供可计算的、有保证的端到端延迟,高度有限的延迟波动,以及极低的丢包率。这些优势对于IIoT应用来说是无价的,并且在实施实时以太网时能够节约成本和保障安全。

有些 TSN 标准仍然处于标准化的过程中,而有些 TSN 标准(如 TAS)已经制定完成。由于IEEE802.1采用模块化的方法,所以通过目前可用的 TSN 机制安装和实施的各种网络将来仍可以使用。对于在IIoT应用中工作的网络设计人员来说,重要的是了解TSN是什么以及如何实现这种网络,这样才能够做好准备工作,以便迎接工业网络的未来,其实这个未来并不遥远,只是许多人都还没有意识到而已。

欲进一步了解时间敏感网络及其对于 IIoT应用的意义,请下载TSN:时间敏感网络白皮书。

审核编辑(刘婷)
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