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    下一代工業通信—TSN(時間敏感網絡),工業物聯網的助推器

    2020-10-28
    來源:SDNLAB

      隨著工業物聯網(IIoT)的興起和工業4.0的提出,越來越多的設計師、工程師和最終用戶關注TSN(Time-Sensitive Networking,時間敏感網絡)。TSN為以太網提供確定性性能,本質上是一個確定性以太網擴展集,同時也是音頻視頻橋接 (AVB) 的后繼者。那TSN到底是什么呢?在工業物聯網中扮演什么角色?這些年發展的怎樣?下面扒一扒TSN的前世今生。

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      閱讀《從Ethernet到TSN:實時通信一小步,工業4.0一大步》可深入了解TSN.

      TSN源于何處?

      TSN是一項從視頻音頻數據領域延伸至工業領域、汽車領域的技術。TSN最初來源于音視頻領域的應用需求,當時該技術被稱為AVB,由于針對音視頻網絡需要較高的帶寬和最大限度的實時,借助AVB能較好的傳輸高質量音視頻。

      2006年,IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務組,并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網絡中數據實時同步傳輸的問題。這一點立刻受到來自汽車和工業等領域人士的關注。2012年,AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍,并同時將任務組名稱改為現在的:TSN任務組。TSN是以以太網為基礎的新一代網絡標準,具有時間同步、延時保證等確保實時性的功能。

      TSN有何用武之地?

      TSN使用標準以太網提供分布式時間同步和確定性通信。因此,任何需要分布式測量或控制的應用都可以從TSN中受益??蛻艨墒褂肨SN進行簡單的分布式同步測量、下一代計算機數控加工的改進、新型半導體加工機器以及未來的電網研究等。在其他行業的應用包括:

      視頻/音頻傳輸

      如前所述,TSN最初來源于視頻領域的應用需求。傳輸音頻和視頻信息的網絡需要遵守嚴格的時序規則。如果音頻或視頻分組不能按指定的時序規則到達目的地,則接收設備(例如視頻屏幕或揚聲器)可能會發生視頻幀被丟棄、音頻偽像的情況。此外,這種網絡還需要可預測的延遲,保證視頻和相關音頻流之間的同步。另一方面,足球賽事的實況轉播有很多高清的數據要通過網絡傳輸到處理中心,對帶寬的需求極大。而且為了最大限度的提供實時性,這些圖像、音頻必須實現高實時的傳輸與處理,可以想象其對帶寬和實時性的需求。

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      音頻視頻橋接

      汽車駕駛

      目前大多數的汽車控制系統非常復雜。比如說:剎車、引擎、懸掛等采用CAN總線。而燈光、車門、遙控等采用LIN系統。娛樂系統更是五花八門,有FlexRay和MOST等目前的車載網絡。實際上,所有上述系統都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統一管理??梢越档徒o汽車和專業的A/V設備增加網絡功能的成本及復雜性。

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      典型的汽車A / V系統

      在車輛中,實時功能對于某些應用至關重要。 為確保這些實時功能可用,必須在以太網控制器中設置具有直接訪問硬件資源的機制。TSN使構建可擴展的以太網網絡成為可能。為此,不同的消息按照其可用性分為了不同的等級,并對其延遲和優先級進行了分類,每個消息類被分配到一個固定的帶寬。此外,TSN還支持冗余以太網系統,并且,為確保穩定的數據交換,定義了安全標準。

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      以太網AVB如何在汽車流媒體應用中發揮核心作用

      IEEE音頻/視頻橋接工作組定義了相關機制和協議,以確保低延遲數據正常交換、并在時間上同步應用。音頻/視頻橋接(AVB)主要應用在娛樂系統。如今駕駛員輔助系統的廣泛引入,要求在發送和接收行為方面有更嚴格的規范。因此,IEEE TSN工作組延續了AVB的工作,該工作組的重點是研究確定性數據傳輸機制,進一步減少以太網網絡中的延遲,更加穩定和安全地傳輸數據。

      工業物聯網

      工業物聯網是未來TSN最廣泛的一個應用,所有需要實時監控或是實時反饋的工業領域都需要TSN網絡。比如:機器人工業、深海石油鉆井以及銀行業等等。

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      標準以太網的本質是一種非確定性網,但在工業領域必須要求確定性,一組數據包裹必須完整、實時、確定性的到達目的地,因此較新的TSN標準增加了中心控制、所有網絡設備的時間同步以及更低的延遲等特性。為了達到盡可能低的絕對延遲,IEEE 802.1Qbv定義了一個時間感知整形器,它可以無視定時流量門的存在。想象一下,你在曼哈頓從時代廣場開車到運河街,通常需要22分鐘?,F在你的行程已經計劃安排好,如果你準時出發,以60英里/小時的速度行駛,那么在2.7分鐘后就能到達運河街,TSN消除了標準以太網由于交通“擁堵”導致的非確定性。

      TSN除了解決以太網的不確定性問題,還正在解決工業領域總線的復雜性問題。

      如今工業中每種總線有著不同的物理接口、傳輸機制、對象字典,每種不同的技術背后都有不同的廠商在支持,難以統一。而且即使是采用了以太網來標準各個總線,仍然會在互操作層出現問題,這使得對于IT應用,如大數據分析、訂單排產、能源優化等應用遇到了障礙。

      TSN還可以用于支持大數據的服務器之間的數據傳輸。全球的工業已經入了物聯網(Internet of Things,IoT)的時代,毫無疑問TSN是改善物聯網的互聯效率的最佳途徑。

      TSN到底是何方神圣呢?

      時間敏感網絡 (TSN) 通過以太網提供確定性性能,它的持續發展已導致 IEEE 802.1 和 IEEE 802.3 標準發生重大更新。IEEE802.3開發并維護以太網的PHY和MAC標準,IEEE802.1開發并維護Bridging(akaSwitching)標準。通過AVB、TSN,使得以太網進入硬實時領域應用。

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      TSN是一組以太網標準,允許通過802網絡實現時間同步的低延遲流服務。通過標準以太網,TSN創建了分布式,同步,硬實時系統的機制。這些系統使用相同的基礎架構來提供實時控制并傳達所有標準IT數據,從而為控制、測量、配置、UI和文件交換基礎架構的融合提供動力。通過基于時間定義隊列,TSN可確保通過交換網絡的流量具有有限的最大延遲。這意味著標準以太網現在可以:

      通過交換網絡保證消息延遲

      關鍵和非關鍵流量可以在一個網絡中融合

      更高層協議可以共享網絡基礎結構

      實時控制可以遠離操作區域

      子系統可以更容易地集成

      可以在不進行網絡或設備更改的情況下添加組件

      可以更快地診斷和修復網絡故障

      TSN并非涵蓋整個網絡,TSN其實指的是在IEEE802.1標準框架下,基于特定應用需求制定的一組“子標準”,旨在為以太網協議建立“通用”的時間敏感機制,以確保網絡數據傳輸的時間確定性。而既然是隸屬于IEEE802.1下的協議標準,TSN就僅僅是關于以太網通訊協議模型中的第二層,也就是數據鏈路層(更確切的說是MAC層)的協議標準。請注意,是一套協議標準,而不是一種協議,就是說TSN將會為以太網協議的MAC層提供一套通用的時間敏感機制,在確保以太網數據通訊的時間確定性的同時,為不同協議網絡之間的互操作提供了可能性。

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      TSN關鍵組件

      由IEEE 802.1制定的TSN標準文檔可以分為三個基本關鍵組件。每個標準規范都可以單獨使用,并且主要是自給自足的。但是,只有在每個規范協同使用的情況下,TSN作為通信系統才能充分發揮其潛力。三個基本組成部分是:時間同步,調度和流量整形,通信路徑的選擇、預留和容錯。

      時間同步在這方面,“時間敏感網絡”這個名稱已經非常具有描述性。端到端(End-to-End)的傳輸延遲具有難以協商的時間界限,因此網絡中的所有設備都需要共同的時間參考,需要彼此同步時鐘。

      TSN網絡中的時間同步可以通過不同的技術實現。從理論上講,可以為每個終端設備和網絡交換機配備GPS時鐘。然而,這種方法不僅昂貴,而且無法保證GPS時鐘始終接入衛星信號。由于這些限制,TSN網絡中的時間通常從一個中央時間源直接通過網絡本身分配,也就是使用IEEE 1588精確時間協議完成。除了普遍適用的IEEE 1588規范之外,IEEE802.1委員會已經指定了一個IEEE1588的概要文件,稱為IEEE802.1AS。此配置文件背后的想法是將大量不同的IEEE 1588選項縮小到可管理的幾個關鍵選項,這些選項適用于汽車或工業自動化環境中得網絡。

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      調度和流量整形由于端口轉發機制的限制,在標準的以太網中,實時性是難以保證的。調度和流量整形允許在同一網絡上共存不同優先級的流量類別,每個類別對可用帶寬和端到端延遲都有不同的要求。因此,所有參與實時通信的設備在處理和轉發通信包時需遵循相同的規則。

      通信路徑的選擇,預留和容錯,所有參與實時通信的設備在選擇通信路徑、預留帶寬和時隙方面遵循相同的規則,可以利用多條路徑來實現故障排除,支持保護諸如安全相關的控制回路或車輛中的自動駕駛之類的安全應用,以防止硬件或網絡中的故障。

      TSN的相關協議標準

      AVB標準由同一工作組在IEEE開發,通過部署流量保留和整形,確保在指定的時間段內,從發送方到接收方的網絡傳輸流量不會突然變化。盡管AVB標準有其自己的特性,但它缺少以太網中高確定性流量類所需的一些關鍵屬性。TSN的調度、搶占和冗余功能提供更確定的延遲,更高效的數據包傳輸概率,以及跨網絡中冗余路徑的無縫時鐘同步。

      AVB Gen1功能

      AVB是由IEEE 802.1時間敏感網絡任務組定義的一組規范,它們共同為音頻/視頻流應用提供低延遲,時間同步的服務。AVB規范包括:

      流預留協議(SRP)[IEEE 802.1Qat],

      時間敏感應用的時序和同步[IEEE 802.1AS]

      時間敏感流的轉發和排隊增強[IEEE 802.1Qav]用于流媒體類應用,例如汽車攝像頭和信息娛樂應用。

      IEEE 802.1AS它用于實現高精度的時鐘同步。IEEE 802.1Qat流預留協議(SRP)解決網絡中音視頻實時流量與普通異步數據流量之間的競爭問題。通過協商機制,在音視頻流從源設備到不同交換機再到終端設備的整個路徑上預留出所需的帶寬資源,以提供端到端(End-to-End)的服務質量及延遲保障。IEEE 802.1Qav 是實時數據流的轉發和隊列控制協議,為數據流發送端和交換節點提供一個成形的數據流服務。確保傳統的異步以太網數據流量不會干擾到AVB的實時音視頻流。為了避免普通數據流量與AVB流量之間對網絡資源的競爭,AVB交換機內對時間敏感的音視頻流和普通數據流進行了區別處理,將實時幀與異步幀分別進行排隊,并且賦予實時幀最高的優先級。

      AVB標準通過定義流預留(SR)流量類來確保服務質量(QoS)。例如,A類提供2ms的最大延遲,而B類提供50ms的最大延遲,用于網絡中的七個躍點。汽車音頻設備可支持SR類,其觀測間隔大于AVnu聯盟起草的汽車要求的B類。

      盡管有基于信用的公平隊列(CBFQ),但在最壞的情況下,由于在其他業務干擾期間沒有搶占式調度,AVB流量仍然會在每個網絡節點上延遲,因此還需要AVB Gen2。

      TSN(AVB Gen2)功能

      時間敏感網絡(TSN)是由IEEE 802組開發的一套標準,它提供以下功能:

      時間敏感應用的定時和同步,IEEE802.1ASbt

      計劃流量的增強功能,IEEE802.1Qbv

      Frame Preemption,IEEE802.1Qbu

      冗余網絡的路徑控制和保留,IEEE802.1Qca

      流保留協議(SRP)增強功能支持IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1 Qca / IEEE802.1CB,IEEE802.1Qcc

      無縫冗余,IEEE802.1CB

      IEEE 802.1ASbt是對IEEE 802.1AS的增強。IEEE 802.1ASbt增加了對一步時間戳的支持,相對于IEEE 802.1AS中的兩步過程,這減少了在網絡中傳送定時信息的分組數量。在具有時間感知系統的daisy-chain網絡中,分組流量和計算能力的減少是有用的。IEEE 802.1ASbt通過預先選擇好備用主時鐘,并確保在發生故障時快速地切換,來提高網絡的響應能力。這符合工業網絡中無縫切換(優選零時間)的要求。

      IEEE 802.1Qbv時間感知隊列通過時間感知整形器(Time Aware Shaper,TAS)使TSN交換機能夠來控制隊列流量(queued traffic),以太網幀被標識并指派給基于優先級的VLAN Tag,每個隊列在一個時間表中定義,然后這些數據隊列報文在預定時間窗口在出口執行傳輸。其它隊列將被鎖定在規定時間窗口里。因此消除了周期性數據被非周期性數據所影響的結果。這意味著每個交換機的延遲是確定的,可知的。而在TSN網絡的數據報文延時被得到保障。

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      TAS介紹了一個傳輸門概念,這個門有“開”、“關”兩個狀態。當傳輸的選擇過程-僅選擇那些數據隊列的門是“開”狀態的信息。TAS保障時間要求嚴苛的隊列免受其它網絡信息的干擾,它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當優先級非常高時,搶占機制可以被使用。

      IEEE 802.1Qbv主要為那些時間嚴苛型應用而設計,其必須確保非常低的抖動和延時。IEEE 802.1Qbv確保了實時數據的傳輸,以及其它非實時數據的交換。

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      IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr轉發與隊列機制是IEEE以太網標準的新補充,可以在信息傳輸的時候讓高優先級的幀打斷低優先級的幀,最大限度地降低高優先級信息流的延遲。在工業自動化控制系統的應用方面,搶占可以進一步將不同技術的多個網絡融合在一個以太網和IP的基礎架構里,可以實現自動化操作以及訂單控制生產。通過大幅降低低優先級信息流對重要信息流的影響,兩種信息流可以混合在同一鏈路上。

      IEEE802.1Qcc Qcc用于為TSN進行基礎設施和交換終端節點進行即插即用能力的配置。采用集中配置模式,由1或多個CUC(集中用戶配置)和1個CNC(集中網絡配置)構成。CUC制定用戶周期性時間相關的需求并傳輸過程數據到CNC,CNC計算TSN配置以滿足需求。

      IEEE 802.1Qca為數據流提供顯式路徑控制,帶寬和流預留以及冗余。它通過攜帶用于時間同步和調度的信息,使用IS-IS擴展了最短路徑橋接(SPB)的功能,以控制橋接網絡。它通過使用PCE(路徑計算元素)提供顯式轉發路徑控制。PCE是一個實體,能夠根據網絡拓撲的表示計算出通過網絡的路徑。IEEE 802.1CB依賴于IEEE 802.1Qca在從發送方到接收方的網絡中的不相交路徑上傳送消息。

      IEEE802.1CB標準通過在發送端復制多個不相交路徑中的分組并消除多個點處的重復來提高網絡的可靠性,使得監聽器僅看到一個分組。無縫冗余(IEEE802.1CB)與IEEE802.1Qca和零擁塞相結合,可在數據包傳輸中提供最佳的QoS。它使用冗余標記(類似于VLAN標記)中攜帶的序列編號來復制和消除網絡中的重復數據包。

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      TSN相關標準及進程

      雖然成套的TSN特性還在繼續擴展,功能不斷改進,但現有標準提供了豐富的功能選擇,使基于標準的解決方案能夠在與傳統通信共存的網絡上,實現確定性,時間敏感,可靠的通信。

      具體詳見https://1.ieee802.org/

      圍繞TSN,都有哪些玩家呢?他們最近都在干什么呢?

      TSN 不再只是一個理想化項目,而是已成為被行業組織認證的廣泛使用的標準。目前國內外有大量的組織、企業在推動TSN發展。大量廠商正在對其進行測試與互操作測試。

      在2016年的SPS上各個廠商宣布了對OPC UA TSN的支持,包括了ABB、B&R、Bosch Rexroth、CISCO、GE、NI、KUKA、Parker、Phoenix、Schneider、SEW、TTTech等主流的自動化與IT廠商。

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      2016年2月下旬,Bosch Rexroth、Schneider Electric、National Instruments和Kuka宣布他們將聯手開發全球首個TSN測試平臺。該測試平臺旨在將不同業務流量整合到以太網TSN網絡上。它將測試TSN的多供應商互操作性,以及其安全特性、性能、延遲、與基于云的控制系統的集成National Instruments主持測試平臺開發工作。其高管Eric Starkloff 評論說,TSN是“工業物聯網未來發展的必要條件”,并強調其從專業視聽技術發展到現在的融合式確定性以太網,可謂進步驚人。

      2017年紐倫堡SPS展會上EPSG組織展臺展出的OPC UA TSN演示系統,針對200個I/O站、5個高清視頻,達到100μS的數據刷新能力。

      2018年11月27日,在德國紐倫堡電氣自動化系統及元器件展(SPS IPC ),CC-Link協會正式發布最新的開放式工業網絡協議“CC-Link IE TSN”,宣布工業通信迎來新的變革時代。CC-Link IE TSN規范在全球率先將千兆以太網帶寬與時間敏感網絡(TSN) 相結合,在確??刂茢祿ㄐ诺膶崟r性的同時,實現在同一個網絡中與其它開放式網絡、以及與IT系統的數據通信,實現“多網互連互通”。

      結語

      TSN的核心思維是提出了一個可互操作的系統,并支持多個制造商、協議和機構在同一個網絡上共享,同時數據使用相同的語言進行解析,不僅可得,而且可用。作為底層的通用架構,TSN使得更多企業可以在此架構上實現OT和IT的融合。這種融合提高了工業設備的連接性和通用性,并且面向未來,為大數據分析、邊緣智能、新型業務提供了更快更好的發展路徑。

      

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