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什么是时间敏感网络(TSN)?

通过丹尼尔•柯林斯|2020年5月22日,

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大多数工业以太网网络可以提供硬实时通信多轴,同步运动控制。但每个网络都使用自己的方法进行时间同步和数据传输,以保证周期时间、延迟和抖动,这使得这些网络彼此不兼容。

时间敏感网络(TSN)通过提供时间同步和流量管理的标准方法来解决网络兼容性问题,允许在标准以太网上进行确定性通信。通过在同一网络上管理非时间关键的信息数据(例如诊断和统计数据)和时间关键的操作数据(例如运动控制和安全命令),它还将实现“It和OT的融合”的服务质量(QoS)。

对时间敏感的网络

TSN实现了通常被描述为“IT和OT的融合”。
图片来源:瑞萨


需要注意的是,对时间敏感的网络不是单一的技术——它是一组标准,由IEEE 802.1任务组,定义了对时间敏感的数据传输机制。


工业以太网以以太网的物理层为基础,在其他层(包括第二层(数据链路层))添加专有协议,以实现实时通信。对时间敏感的网络对第2层进行了标准化,因此不同的网络协议可以在共享相同基础设施的同时提供确定性通信。为此,TSN处理三个主要函数:同步网络上所有的时钟调度最重要的交通,和”塑造的剩余流量以实现所需的流量模式。

对时间敏感的网络

以太网/IP架构,TSN在第2层(数据链路层)。
图片来源:ODVA


同步

对于硬实时通信,网络上的每个设备必须对时间有相同的理解——也就是说,每个设备必须高度同步。TSN通过IEEE 1588PTP(精确时间协议)。请注意,一些IE网络,如Ethernet/IP和ProfiNET,已经使用IEEE 1588 PTP进行时间同步。大多数TSN网络将使用IEEE 1588的一个子集(称为IEEE 802.1AS或IEEE 802.1ASRev)进行同步,尽管IEEE 1588的其他子集也可能是TSN的解决方案,具体取决于具体的应用需求。但是,网络上的所有设备必须使用相同的同步方法。

调度

在流量调度方面,TSN使用IEEE 802.1Qbv的时间感知调度程序,允许在网络上配置时间片,以服务不同类型的流量。(这个过程通常被称为时分多址(TDMA)——时分多址接入。)每个时间段或片被分配给不同的流量类别或优先级。通过所有网络设备之间的时间同步,每个设备都准确地知道应该在什么时候传输和处理每种流量类别,并可以根据需要保存其他流量,以确保对时间关键的数据有可用的带宽。这种时间同步和流量调度的方法确保了网络在需要时能够提供确定性通信。

塑造

整形是管理软实时通信流量的过程,或实现预定义的流量模式。在时间敏感的网络中,有许多机制可以根据特定的流量需求促进流量整形,这些整形机制可以在同一个网络中组合。流量整形机制和时间感知调度器的结合使不同的数据类型——硬实时、软实时和后台数据——能够在同一个网络上共存。


时间敏感网络是一套不断发展的标准,目前正在开发IEC-IEEE联合标准来定义工业自动化的TSN配置文件。此联合标准,称为IEC/IEEE 60802:工业自动化TSN简介(TSN-IA)将确保各种工业以太网协议之间的兼容性,使它们能够在同一网络上使用。IEC/IEEE 60802的第一个正式版本预计将于2022年发布。


了下:运动控制技巧


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