《電子技術(shù)應(yīng)用》
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時間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)技術(shù)綜述——最系統(tǒng)最全面的TSN技術(shù)解讀

2020-10-28
來源:www.cechina.cn
關(guān)鍵詞: 工業(yè)以太網(wǎng) TSN

  0 引言

  隨著信息技術(shù)(informationtechnology,IT)與運營技術(shù)(operation technology,OT)的不斷融合,,對于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求變得迫切,。智能制造,、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展,,都使得這一融合變得更為緊迫。而IT與OT對于通信的不同需求也導致了在很長一段時間,,融合這兩個領(lǐng)域出現(xiàn)了很大的障礙:互聯(lián)網(wǎng)與信息化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)需要更大的帶寬,,而對于工業(yè)而言,實時性與確定性則是問題的關(guān)鍵,。這些數(shù)據(jù)通常無法在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸,。因此,尋找一個統(tǒng)一的解決方案已成為產(chǎn)業(yè)融合的必然需求,。

  時間敏感型網(wǎng)絡(luò)(timesensitive network,,TSN)是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動的全新工業(yè)通信技術(shù),。時間敏感型網(wǎng)絡(luò)允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸,使得標準以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢,,并通過廠商獨立的標準化進程,,已成為廣泛聚焦的關(guān)鍵技術(shù)。目前,,IEEE,、IEC等組織均在制定基于TSN的工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的底層互操作性標準與規(guī)范[1]。

  1 實時通信技術(shù)的發(fā)展及需求

  1.1總線時代

  早在20世紀70年代,,隨著可編程邏輯控制器(programmable logic controller,,PLC)的產(chǎn)生,為了分布式控制所需的總線也誕生,。至今,,總線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近50年,各始創(chuàng)公司開發(fā)了多種總線,,其在介質(zhì),、信號電平、校驗方式,、物理接口,、波特率等多個指標方面都有不同。20世紀90年代,,隨著競爭的加劇,,各公司在IEC爭取主導地位,產(chǎn)生了“總線之爭”,。IEC因此產(chǎn)生了多達18個總線標準,,對訪問造成很大障礙。

  1.2 實時以太網(wǎng)階段

  進入21世紀,,隨著標準以太網(wǎng)成本的下降,,總線開始進入基于以太網(wǎng)的實時網(wǎng)絡(luò)時代。2001年,,貝加萊推出了工業(yè)應(yīng)用的Ethernet POWERLINK,;2003年,在Profibus基礎(chǔ)上,,Siemens開發(fā)了PROFINET,,Rockwell、 ABB開發(fā)了基于DeviceNet應(yīng)用層協(xié)議的Ethernet/IP,,Beckhoff開發(fā)了EtherCAT,,Rexroth開發(fā)了基于SERCOS的SERCOSIII。這些網(wǎng)絡(luò)均采用了標準以太網(wǎng)介質(zhì),即在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層統(tǒng)一了標準,,而在應(yīng)用層仍然保持原有的應(yīng)用層,,旨在保護用戶的軟件資產(chǎn)投入。

  1.3 在智能時代的網(wǎng)絡(luò)融合需求

  2014年以后,,隨著工業(yè)4.0的提出,,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的需求逐漸變得迫切,,對于連接的需求產(chǎn)生了變化,。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通常不支持交換機網(wǎng)絡(luò)(考慮到延時,通常采用HUB的透傳方式),,其輪詢機制(如Profinet,、POWERLINK、Ethernet/IP)或集束幀技術(shù)(如EtherCAT,、SERCOSIII)使得標準以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)無法在同一網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)的傳輸,。但是,對于邊緣計算,、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng),、智能制造的全局優(yōu)化而言,制造現(xiàn)場控制所需的實時性數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理與優(yōu)化層所需的非實時性數(shù)據(jù)要通過統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)進行集中,,在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)處理與分析,,并能夠下發(fā)到各個控制器執(zhí)行;而一些全局優(yōu)化的工作并不需要通過層級的控制器,,而是希望直接到邊緣側(cè)或者云端,。這使得同一網(wǎng)絡(luò)的需求變得迫切。另外,,對于制造業(yè)的終端用戶而言,,生產(chǎn)系統(tǒng)往往由來自不同企業(yè)的設(shè)備與系統(tǒng)構(gòu)成,必須有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議規(guī)范,。因此,,獨立于廠商的總線在智能時代變得更為必要。

  工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展過程如圖1所示[2],。

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  圖1 工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展過程

  2 TSN的簡要發(fā)展

  TSN本身并非是一項全新的技術(shù),。IEEE于2002年發(fā)布了IEEE 1588[3]精確時鐘同步協(xié)議。2005年,,IEEE 802.1成立了IEEE 802.1AVB工作組,開始制定基于以太網(wǎng)架構(gòu)的音頻/視頻傳輸協(xié)議集,,用于解決數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的實時性,、低延時以及流量整形的標準,同時又確保與以太網(wǎng)的兼容性。AVB引起了汽車工業(yè),、工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)組織及企業(yè)的關(guān)注,。其成立了TSN工作組,進而開發(fā)了時鐘同步,、流量調(diào)度,、網(wǎng)絡(luò)配置系列標準集。在這個過程中,,由AVnu,、IIC、OPC UA基金會等組織共同積極推進TSN技術(shù)的標準,。工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)(包括B&R,、TTTech、SEW,、Schneider等)著手為工業(yè)領(lǐng)域的嚴格時間任務(wù)制定整形器,,成立了整形器工作組,并于2016年9月在維也納召開了第一次整形器工作組會議,。然后,,有更多的企業(yè)和組織(包括德國工業(yè)4.0組織LNI、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC,、中國的邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC,、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟AII等)加入TSN技術(shù)的研究,并構(gòu)建了多個測試床,。2019年,,IEC與IEEE合作成立IEC 60802工作組,并在日本召開了第一次工作組會議,,以便工業(yè)領(lǐng)域的TSN開發(fā)可以實現(xiàn)底層的互操作,。同時,在OPC UA基金會也成立了(field level communication,FLC)工作組,,將TSN技術(shù)與OPC UA規(guī)范融合,,以提供適用于智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的高帶寬,、低延時,、語義互操作的工業(yè)通信架構(gòu)。

  圖2簡要說明了IEEE組織TSN相關(guān)標準的發(fā)布過程[4],。其中,,IEEE802.1Qat[5]是早期的網(wǎng)絡(luò)配置方法,而IEEE 802.1Qcc[6]則是其增強版,,于2018年底發(fā)布,。

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  圖2 TSN相關(guān)標準的發(fā)布過程

  3 TSN基本概念

  TSN由一系列技術(shù)標準構(gòu)成。其主要分為時鐘同步、數(shù)據(jù)流調(diào)度策略(即整形器)以及TSN網(wǎng)絡(luò)與用戶配置三個部分相關(guān)標準,。

  3.1 VLAN技術(shù)

  按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),,網(wǎng)絡(luò)通常分為標準以太網(wǎng)、確定性以太網(wǎng),。TSN實現(xiàn)了混合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力,,滿足標準以太網(wǎng)的分布式對等架構(gòu)、確定性網(wǎng)絡(luò)所采用的輪詢/集束幀技術(shù)各自的存在的要求,,并使得網(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢功能,。TSN基于IEEE 802.1Q[7]的虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network,VLAN)和優(yōu)先級標準,。IEEE802.1Q支持服務(wù)質(zhì)量(quality of service,,QoS)。QoS是一種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),,用于為網(wǎng)絡(luò)通信提供更好的服務(wù),。它是一種網(wǎng)絡(luò)安全機制,用于解決網(wǎng)絡(luò)延時與擁塞的問題,。最初的Internet并未設(shè)計QoS機制,。為滿足用戶不同應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量需求,需要網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)用戶需求進行配置與資源調(diào)度,。IEEE 802.1Q標準是一種包含了QoS機制的網(wǎng)絡(luò),,能夠提供網(wǎng)絡(luò)性能的可預知性,并有效分配網(wǎng)絡(luò)帶寬,,以便合理利用資源,。

  3.1.1 TSN

  TSN是IEEE 802.1Q標準的VLAN。該標準在標準以太網(wǎng)幀中插入4個字節(jié)用于定義其特征,。TSN的標簽位定義[8]如圖3所示,。

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  圖3 TSN的標簽位定義

  ①標簽協(xié)議識別:網(wǎng)絡(luò)類型識別,,代表這是一個TSN網(wǎng)絡(luò),,標記0X8100。

 ?、趦?yōu)先級代碼(prioritycode point,,PCP)由3位代碼構(gòu)成。

 ?、蹃G棄標志位:對于網(wǎng)絡(luò)低QoS要求的數(shù)據(jù),,可以丟棄,以確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的QoS,。

 ?、躒LANIdentifier(VID):VLAN網(wǎng)絡(luò)的識別號,,12位表示可支持的子網(wǎng)數(shù)量,2的12次方即4 096,,VID=0 用于識別幀優(yōu)先級,4 095(FFF)作為預留值,。所以,,VID最多可以表示4 094個子網(wǎng)。這表明TSN是為了大型的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計的,。

  3.1.2 優(yōu)先級的定義

  TSN有一個服務(wù)等級(class of service,CoS)的概念,。對TSN網(wǎng)絡(luò)而言,不同優(yōu)先級的服務(wù)對應(yīng)圖3中的PCP碼,。3位PCP碼定義了0(最低)~7(最高)這8個優(yōu)先級,,傳輸類型分別對應(yīng)

  基礎(chǔ)、最大努力,、卓越努力,、嚴苛應(yīng)用、延時和抖動小于100 ms的視頻,、延時和抖動小于10 ms的音頻,、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)控制,。其會對網(wǎng)絡(luò)場景進行不同的匹配,,是后續(xù)調(diào)度、配置設(shè)計中會考慮到的數(shù)據(jù)流調(diào)度因素,。

  3.2 TSN在ISO/OSI模型中的位置

  TSN在IEEE 802.1Q僅指ISO/OSI參考模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層的標準,。TSN在七層架構(gòu)中的位置[9]如圖4所示。

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  圖4 TSN在七層架構(gòu)中的位置

  3.3 精確時鐘同步與延時計算

  對于通信,、工業(yè)控制等領(lǐng)域而言,,所有的任務(wù)都是基于時間基準的。因此,,精確時鐘同步是基礎(chǔ)的標準,。TSN首先要解決網(wǎng)絡(luò)中的時鐘同步與延時計算問題,以確保整個網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)調(diào)度具有高度一致性,。

  3.3.1 時鐘同步機制

  TSN標準由IEEE 802.1AS[10]和為工業(yè)所開發(fā)的升級版IEEE 802.1AS-rev[11]構(gòu)成,。

  IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時鐘同步協(xié)議發(fā)展的,稱為gPTP-廣義時鐘同步協(xié)議,。gPTP是一個分布式主從結(jié)構(gòu),,它對所有g(shù)PTP網(wǎng)絡(luò)中的時鐘與主時鐘進行同步。首先由最佳主時鐘算法(best clock master algrothms,,BCMA)建立主次關(guān)系,,分別稱為主時鐘(clock master,CM)和從時鐘(clock slave,CS),。每個gPTP節(jié)點會運行一個gPTP Engine。IEEE1588所采用的PTP是由網(wǎng)絡(luò)的L3和L4層的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸,,通過IPv4或IPv6的多播或單播進行分發(fā)時鐘信息,。而gPTP則是嵌入在MAC層硬件中,只在L2工作,,直接對數(shù)據(jù)幀插入時間信息,,并隨著數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點。

  gPTP應(yīng)用快速生成樹協(xié)議(papid spanning tree protocol,,RSTP),。這是一種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點路徑規(guī)劃,網(wǎng)絡(luò)配置后生成一個最優(yōu)路徑,。其由TSN橋接節(jié)點計算并以表格形式分發(fā)給每個終端節(jié)點存儲,。當一個TSN節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時,它會先檢查這個表格,,計算最短路徑,,整個網(wǎng)絡(luò)以最短路徑傳送至需要接收的節(jié)點。IEEE 802.1AS的時鐘結(jié)構(gòu)[2]如圖5所示,。

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  圖5 IEEE802.1AS的時鐘結(jié)構(gòu)

  圖5中,,最左下方的802.1AS端點從上游CM接收時間信息。該時間信息包括從GM到上游CM的累計時間,。對于全雙工以太網(wǎng)LAN,,計算本地CS和直接CM對等體之間的路徑延時測量并用于校正接收時間。在調(diào)整(校正)接收時間后,,本地時鐘應(yīng)與gPTP域的GM時鐘同步,。SN網(wǎng)絡(luò)也支持交叉通信,每個節(jié)點都會有RSTP所給出的路徑表,。

  802.1AS的核心在于時間戳機制(Timestamping),。PTP消息在進出具備802.1AS功能的端口時,會根據(jù)協(xié)議觸發(fā)對本地實時時鐘(real time clock,RTC)采樣,,并將自己的RTC值與來自該端口相對應(yīng)的CM信息進行比較,;利用路徑延時測算和補償技術(shù),將RTC時鐘值匹配到PTP域的時間,。當PTP同步機制覆蓋整個AVB局域網(wǎng),,各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備間就可以通過周期性的PTP消息的交換,精確地實現(xiàn)時鐘調(diào)整和頻率匹配算法,。最終,,所有的PTP節(jié)點都將同步到相同的“掛鐘”(Wall Clock)時間,即主節(jié)點時間,。在最大7跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,,理論上PTP能夠保證時鐘同步誤差在1 μs以內(nèi),。

  IEEE 802.1AS-rev則是一種多主時鐘體系,主要優(yōu)勢是支持新的連接類型(如WiFi),、改善冗余路徑的支持能力,、增強了時間感知網(wǎng)絡(luò)的主時鐘切換時間等性能。當有一個GrandMaster宕機時,,其可確??焖偾袚Q到一個新的主時鐘,以便實現(xiàn)高可用性系統(tǒng),。對于車載系統(tǒng)而言,采用IEEE 802.1AS即可,;而對于工業(yè)領(lǐng)域則考慮高可用性,,采用AS-Rev版本。

  3.3.2 TSN網(wǎng)絡(luò)中的延時測量方法

  對于網(wǎng)絡(luò)時鐘而言,,其時鐘同步精度主要取決于駐留時間(residence time)和鏈路延時(link latency),。

  在gPTP中,時間同步的過程與IEEEStd 1588-2008采用相同的方式:主時鐘發(fā)送同步時間信息給所有直接與其連接的時間感知系統(tǒng),。這些時間感知系統(tǒng)在收到這個同步時間信息后必須通過加上信息從主時鐘傳播到本節(jié)點的傳輸時間來修正同步時間信息,。如果這個時間感知系統(tǒng)是一個時間感知網(wǎng)橋,則它必須向與它連接的其他時間感知系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)修正后的同步時間信息(包含額外的轉(zhuǎn)發(fā)過程的延時),。

  數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時[12]如圖6所示,。這些延時可以被精確計算。

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  圖6 數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時

  為了保證上述過程正常工作,,整個過程中有兩個時間間隔必須精確已知:①轉(zhuǎn)發(fā)延時(駐留時間),;②同步時間信息在兩個時間感知系統(tǒng)之間的傳輸路徑的延時。駐留時間是在時間感知網(wǎng)橋內(nèi)部測量的,,比較簡單,;而傳輸路徑上的延時則取決于諸多因素,包括介質(zhì)相關(guān)屬性和路徑長度等,。

  對于每一類型的局域網(wǎng)或傳輸路徑,,有不同的方法來測量傳播時間。但這些方法都基于同一原理:測量從一個設(shè)備發(fā)送某個消息的時間以及另一個設(shè)備接收到此消息的時間,,然后以相反方向發(fā)送另一個消息,,并執(zhí)行相同的測量。

  在這個過程中,,可以計算Pdelay:

 ?。?)

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  其比率r為:

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  (2)

  網(wǎng)絡(luò)的延時測量原理[13-14]如圖7所示,。

 ?。╝) 1步法

 ?。╞) 2步法

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  圖7 網(wǎng)絡(luò)的延時測量原理圖

  Fig.7Schematic diagram of network delay measurement

  由圖7可知,網(wǎng)絡(luò)的延時測量有1步法和2步法兩種,。因為在這個網(wǎng)絡(luò)中可能有一個節(jié)點無法提供準確的時鐘,。對于時間感知型節(jié)點而言,由于時間信息是隨著數(shù)據(jù)載荷發(fā)送的,,因此每個節(jié)點都會帶有時間信息,。而對于有一些非時間感知網(wǎng)絡(luò),則需要在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后再向另一個節(jié)點發(fā)送一個發(fā)送的時間信息,。因此,,IEEE 802.1AS-Rev增強了對1步法的支持,使得實時性得以提高,。

  3.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸過程

  對于TSN而言,,其數(shù)據(jù)調(diào)度機制是關(guān)鍵。TSN中數(shù)據(jù)的傳輸過程[15]如圖8所示,。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過接收端口,,進行幀濾波、流量計量,、幀排隊,。在傳輸選擇部分,TSN的調(diào)度機制將發(fā)揮作用,。IEEE 802.1Q工作組定義了不同的整形器(Shaper)機制來實現(xiàn)這些調(diào)度,。它是一種傳輸選擇算法(transmission selection algorithm,TSA),。每種算法對應(yīng)一種調(diào)度機制,,適用于不同的應(yīng)用場景。

  TSN網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸過程如圖8所示,。

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  圖8 TSN中數(shù)據(jù)的傳輸過程

  3.5 流預留協(xié)議

  從圖8可以看到,,網(wǎng)絡(luò)存在濾波數(shù)據(jù)庫、傳輸端口狀態(tài)監(jiān)測,、隊列管理,。這些都用于解決網(wǎng)絡(luò)資源分配與調(diào)度問題。而IEEE 802.1Qat所采用的流預留協(xié)議(stream reservation protocol,,SRP)機制是一個對TSN進行配置的標準,。其在2010年SRP標準化成為IEEE802.1Qat,并入IEEE 802.1Q-2011標準中,。SRP定義了OSI模型第2層的流概念,。

  SRP的工作在于建立AVB域、注冊流路徑,、制定AVB轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則,、計算延時最差情況,、為AVB流分配帶寬。SRP在于讓網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)言者(Talker)用合適的網(wǎng)絡(luò)資源將數(shù)據(jù)發(fā)送給聽者(Listener),,并在網(wǎng)絡(luò)中傳播這些信息,。而在終端節(jié)點之間的網(wǎng)橋則維護一個發(fā)言者對一個或多個聽者注冊的相同數(shù)據(jù)流的路徑帶寬等資源的需求記錄。SRP是在原有IEEE 802.1Qak-MRP多注冊協(xié)議之上的一個實現(xiàn),。SRP標準則提供了一個新的多協(xié)議注冊協(xié)議(multiple multicast registration protocol,,MMRP)來管理相關(guān)流帶寬服務(wù)的屬性,MSRP,、MVRP,、MMRP提供了整個SRP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)信號處理過程。關(guān)于SRP機制,,可以參考AVnu的SRP文檔[16],。

  4 流控制相關(guān)標準

  對于TSN而言,數(shù)據(jù)流的管理標準由一系列主要方式構(gòu)成,。通用網(wǎng)絡(luò)通常遵循嚴格優(yōu)先級的方式,而TSN則為這種缺乏傳輸確定性的機制引入了新的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度,、整形方法,,并根據(jù)不同的應(yīng)用場景需求提出了多種不同的整形器(Shaper)。這也是整個TSN的核心調(diào)度機制,。

  4.1 基于信用的整形器機制

  IEEE 802.1Qav定義了時間敏感流轉(zhuǎn)發(fā)與排隊(forwarding and queuing for time-sensitive streams,,F(xiàn)QTSS)的數(shù)據(jù)敏感性轉(zhuǎn)發(fā)機制,并成為了IEEE 802.1Q的標準,。作為一個主要對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)排隊轉(zhuǎn)發(fā)機制的增強標準,,最初它的開發(fā)主要用于限制A/V信息緩沖。增強的突發(fā)多媒體數(shù)據(jù)流會導致較大的緩沖擁堵,,并產(chǎn)生丟包,。丟包會產(chǎn)生重新發(fā)包,使得服務(wù)體驗下降,。它采用了基于信用的整形器(credit-based shaper,CBS),,以應(yīng)對數(shù)據(jù)突發(fā)和聚集,可限制爆發(fā)的信息,。

  CBS的工作隊列時序[17]如圖9所示,。

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  圖9 CBS的工作隊列時序圖

  CBS將隊列分為Class A(Tight delay bound)和Class B(Loose delay bound)。如果沒有數(shù)據(jù)傳輸,,隊列的信用設(shè)置為0,,A隊列的信用非負時可以傳輸。如果有數(shù)據(jù)傳輸,,其信用將按照SendSlope下降,,而另一個隊列則IdelSlope速度上升,,idleSlope是實際帶寬(bit/s),而SendSlope是端口傳輸率,,由MAC服務(wù)支持,。

  CBS控制每個隊列最大數(shù)據(jù)流不超過配置的帶寬限制(75%最大帶寬)。CBS和SRP融合,,可以提供250 μs/橋的延時,。整體來說,IEEE802.1Qav以太網(wǎng)保證在7個跳轉(zhuǎn)(hop)最差2 ms Class A和50 ms Class B延時,。

  當然,,這個延時對于工業(yè)應(yīng)用來說是不能接受的。為了獲取更好的QoS,,IEEE 802.1TSN TG又進一步開發(fā)了Qbv時間感知整形器,、Qbu搶占式MAC等機制。

  4.2 時間感知整形器機制

  時間感知整形器(Time Awareness Shaper,,TAS)是為了更低的時間粒度,、更為嚴苛的工業(yè)控制類應(yīng)用而設(shè)計的調(diào)度機制,目前被工業(yè)自動化領(lǐng)域的企業(yè)所采用,。TAS由IEEE 802.1Qbv定義,,是基于預先設(shè)定的周期性門控制列表,動態(tài)地為出口隊列提供開/關(guān)控制的機制,。Qbv定義了一個時間窗口,,是一個時間觸發(fā)型網(wǎng)絡(luò)(Time-trigged)。這個窗口在這個機制中是被預先確定的,。這個門控制列表被周期性的掃描,,并按預先定義的次序為不同的隊列開放傳輸端口。

  出口硬件有8個軟件隊列,,每個都有唯一的傳輸選擇算法,。傳輸由門控制列表(gate control list,GCL)控制。它是多個門控制實體確定軟件的隊列開放,。

  TAS的工作原理如圖10所示,。

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  圖10 TAS的工作原理圖

  在TAS機制中,為了確保數(shù)據(jù)傳輸前網(wǎng)絡(luò)是空閑的,,在整個啟動傳輸前需要設(shè)置一個保護帶寬(Guardbound)[18],。Guardband占用最大的以太網(wǎng)幀傳輸長度,以確保最差情況——即使前面有一個標準以太網(wǎng)幀正在傳輸,,也不會讓GCL在重啟下一個周期前被占用網(wǎng)絡(luò),。

  4.3 搶占式MAC機制

  在TAS機制中,會存在兩個問題:①保護帶寬消耗了一定的采樣時間;②低優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的風險,。因此,,TSN的802.1Qbu和IEEE 802.3工作組共同開發(fā)了IEEE 802.3br,即可搶占式MAC機制,?;趽屨际組AC的傳輸機制[19]如圖11所示。其采用了802.3TG中的幀搶占機制,,將給定的出口分為2個MAC服務(wù)接口,,分別稱為可被搶占MAC(pAMC-Preemptable MAC)和快速MAC(eMAC-express MAC)。pMAC可以被eMAC搶占,,進入數(shù)據(jù)堆棧后等待eMAC數(shù)據(jù)傳輸完成,,再傳輸。

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  圖11 基于搶占式MAC的傳輸機制

  通過搶占,,保護帶寬可以被減少至最短低優(yōu)先級幀片段,。然而,在最差情況下,,低優(yōu)先級的片段可以在下一個高優(yōu)先級前完成,。當然,搶占這個傳輸過程僅在連接層接口——即對于搶占式MAC,,交換機需要專用的硬件層MAC芯片支持,。

  4.4 周期性排隊與轉(zhuǎn)發(fā)機制

  由于CBS機制僅可實現(xiàn)軟實時級,路徑拓撲會導致持續(xù)的延時增加,。而最差延時情況與拓撲,、跳數(shù),、交換機的緩沖需求相關(guān),。因此,TSN工作組推進了周期性排隊與轉(zhuǎn)發(fā)(cyclic quening forwarding,CQF)機制(又稱蠕動整形器),。作為一個同步入隊和出隊的方法,,CQF使得運行允許LAN橋與幀傳輸在一個周期內(nèi)實現(xiàn)同步,以獲得零堵塞丟包以及有邊界的延時,,并能夠獨立于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)而存在,。IEEE 802.1Qch標準定義了CQF要與IEEE 802.1Qci標準相互配合使用。IEEE 802.1Qci-t表明,,它會根據(jù)達到時間,、速度、帶寬,,對橋節(jié)點輸入的每個隊列進行濾波和監(jiān)管,,用于保護過大的帶寬使用、突發(fā)的傳輸尺寸以及錯誤或惡意端點。IEEE 802.1Qch所采用的CQF機制遵循了一個“每周期走一步”的策略,,為數(shù)據(jù)傳輸賦予了確定性,。

  CQF可以與幀搶占IEEE 802.1Qbu合并使用,以降低完整尺寸幀到最小幀片段的傳輸周期時間,。為使CQF正常工作,,必須將所有幀保持在其分配的周期內(nèi)。因此,,需要考慮周期時間,,使得中間網(wǎng)橋的周期與第一次和最后一次傳輸?shù)臅r間都對齊,以確保達到所需的等待時間邊界,。為此,,CQF結(jié)合Qci入口策略和IEEE 802.1Qbv整形器,可確保所有幀保持在確定的延時范圍,,并保證在其分配時間內(nèi)發(fā)送,。

  4.5 異步流整形機制

  CQF和TAS提供了用于超低延時的數(shù)據(jù),依賴網(wǎng)絡(luò)高度時間協(xié)同,,以及在強制的周期中增強的包傳輸,。但其對帶寬的使用效率并不高。因此,,TSN工作組提出IEEE 802.1Qcr異步流整形(asynchronous traffic shaper,,ATS)機制。ATS基于緊急度的調(diào)度器設(shè)計,。其通過重新對每個跳轉(zhuǎn)的TSN流整形,,以獲得流模式的平滑,實現(xiàn)每個流排隊,,并使得優(yōu)先級緊急的數(shù)據(jù)流可以優(yōu)先傳輸,。ATS以異步形式運行,橋和終端節(jié)點無需同步時間,。ATS可以更高效地使用帶寬,,可運行在高速連接應(yīng)用的混合負載時間,如周期和非周期數(shù)據(jù)流,。

  5 TSN網(wǎng)絡(luò)配置標準IEEE 802.1Qcc

  對于TSN而言,,在時鐘同步、調(diào)度策略之后,,就必須考慮網(wǎng)絡(luò)配置的問題,。在AVB中,SRP是一種分布式網(wǎng)絡(luò)配置機制,。而在更為嚴格的工業(yè)應(yīng)用中,,需要更為高效,、易用的配置方式。IEEE 802.1Qcc是目前普遍接受的配置標準,。TSN網(wǎng)絡(luò)配置的集中式模式原理[20]如圖12所示,。

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  圖12 TSN網(wǎng)絡(luò)配置的集中式模式原理圖

  對于IEEE802.1Qat所提供的SRP機制而言,這是一種分布式方式的網(wǎng)絡(luò)需求與資源分配機制,。新的注冊或退出注冊,、任何變化與請求都將導致網(wǎng)絡(luò)延時和超負荷,降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率,。因此,,TSN工作組又提供了IEEE 802.1Qcc支持集中式的注冊與流預留服務(wù),稱為SRP增強模式,。在這種模式下,,系統(tǒng)通過降低預留消息的大小與頻率(放寬計時器),以便在鏈路狀態(tài)和預留變更時觸發(fā)更新,。

  此外,,IEEE802.1Qcc提供了一套工具,用于全局管理和控制網(wǎng)絡(luò),,通過UNI來增強SRP,,并由一個集中式網(wǎng)絡(luò)配置(centralized network configuration,CNC)節(jié)點作為補充,。UNI提供了一個通用L2層服務(wù)方法,。CNC與UNI交互以提供運行資源的預留、調(diào)度以及其他類型的遠程管理協(xié)議,,如NETCONF或RESTCONF,;同時,IEEE 802.1Qcc與IETF YANG/NETCONF數(shù)據(jù)建模語言兼容,。

  對于完全集中式網(wǎng)絡(luò),,可選的CUC節(jié)點通過標準API與CNC通信,用于發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點,、檢索終端節(jié)點功能和用戶需求,,以及配置優(yōu)化的TSN終端節(jié)點的功能,。其與更高級的流預留協(xié)議(例如RSVP)的交互是無縫的,,類似于AVB利用現(xiàn)有的SRP機制。

  IEEE 802.1Qcc仍然支持原有的SRP的全分布式配置模式,,允許集中式管理的系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)間共存,。此外,IEEE 802.1Qcc支持一種稱為混合配置模式,,從而為舊式設(shè)備提供遷移服務(wù),。這個配置管理機制與IEEE 802.1Qca路徑控制與預留,以及TSN整形器相結(jié)合,可以實現(xiàn)端到端傳輸?shù)牧愣氯麚p失,。

  對于整個網(wǎng)絡(luò)而言,,必須有高效、易用的網(wǎng)絡(luò)配置,,以獲得終端節(jié)點,、橋節(jié)點的資源、每個節(jié)點的帶寬,、數(shù)據(jù)負載,、目標地址、時鐘等信息,,并匯集到中央節(jié)點進行統(tǒng)一進調(diào)度,,以獲得最優(yōu)的傳輸效率。

  6 TSN應(yīng)用前景

  TSN的應(yīng)用前景非常廣闊,,目前來說聚焦于以下幾個方面,。

  6.1 汽車領(lǐng)域

  在汽車工業(yè)領(lǐng)域,隨著高級輔助駕駛系統(tǒng)(advanced driver assistance system,,ADAS)的發(fā)展,,迫切需要更高帶寬和響應(yīng)能力的網(wǎng)絡(luò)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CAN總線。IEEE 802.1AVB就是汽車行業(yè)發(fā)起并正在執(zhí)行的標準組,。目前,,奧迪、奔馳,、大眾等已經(jīng)開始進行基于TSN的以太網(wǎng)應(yīng)用測試與驗證工作,。2019年,由三星所發(fā)起的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟向TTTech投資9 000萬美元,,共同開發(fā)基于以太網(wǎng)的車載電子系統(tǒng),。

  6.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

  工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將意味著更為廣泛的數(shù)據(jù)連接需求,通過機器學習,、數(shù)字孿生技術(shù)來更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)作用,,為整體的產(chǎn)線優(yōu)化提供支撐。而這些數(shù)據(jù)(包括機器視覺,、AR/VR數(shù)據(jù))將需要更高的帶寬,。因此,來自于ICT領(lǐng)域的CISCO,、華為等廠商都將目標聚焦于通過OPC UA over TSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來實現(xiàn)這一互聯(lián)需求,。OPC UA扮演了數(shù)據(jù)規(guī)范與標準的角色,而TSN則賦予它實時性傳輸能力,。這樣的架構(gòu)可以實現(xiàn)從傳感器到云端的高效連接,,在很多場景可以直接省略掉傳統(tǒng)工業(yè)架構(gòu)中的控制器層,,形成一個新的分布式計算架構(gòu)。

  6.3 工業(yè)控制

  目前,,在工業(yè)領(lǐng)域,,包括貝加萊、三菱,、西門子,、施耐德、羅克韋爾等主流廠商已經(jīng)推出其基于TSN的產(chǎn)品,。貝加萊推出新的TSN交換機,、PLC,而三菱則采用了TSN技術(shù)的伺服驅(qū)動器,。未來,,TSN將成為工業(yè)控制現(xiàn)場的主流總線。

  TSN的意義對于工業(yè)而言并非僅僅是實時性,,而在于通過TSN實現(xiàn)了從控制到整個工廠的連接,。TSN是IEEE的標準,更具有“中立性”,,因而得到了廣泛的支持,。未來,TSN將會成為工業(yè)通信的共同選擇,。

  7 結(jié)論

  本文旨在通過對當前國際產(chǎn)業(yè)界前沿的時間敏感型網(wǎng)絡(luò)進行全景的介紹,,對其發(fā)展的必要性、技術(shù)的前沿性進行探索,,并通過對其關(guān)鍵技術(shù)進行的解析來探尋其應(yīng)用場景,、技術(shù)實現(xiàn)路徑。希望通過這一前沿技術(shù)的解讀,,使得國內(nèi)在推進智能制造,、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)人員及時了解這些產(chǎn)業(yè)動態(tài),,緊追國際前沿,,開發(fā)有利于適應(yīng)于我國自身的相應(yīng)產(chǎn)品與技術(shù)。

  


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