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工業以太網

深入實時以太網

  2019年07月26日  

  工業以太網——實時以太網——在過去幾年中經歷了巨大的增長。雖然經典的現場總線仍大量存在,但它們已經過了巔峰期。流行的實時以太網協議擴展了以太網標準,可以滿足實時功能的要求。現在,TSN為實時以太網提供了一條新的途徑。

實時與通信

  在工廠自動化和驅動技術的背景下,實時意味著周期時間要安全、可靠地達到10毫秒以下,最低至微秒。為了滿足這些實時要求,以太網還必須獲得實時功能。

  以太網比現場總線快得多——那又怎樣?

  為了滿足自動化的實時要求,需要保證傳輸帶寬和傳輸延遲。即使這些帶寬通常非常小(每個器件幾十個字節),該傳輸通道必須在每個I/O周期中可用,且達到延遲要求。

  但是,經典以太網不提供延遲和帶寬保證。相反,如果操作需要,以太網可以隨時丟棄幀。這意味著什么?

  以太網是所謂的橋接網絡。幀(以太網幀)從一個點發到另一個點:從端點到交換機(網橋),從那里可能發到其他網橋,最后到達另一個端點。該架構在很大程度上具有自我配置能力。網橋在轉發幀之前先完全接收幀。許多問題正是出在這里:

  ? 如果在峰值時間存儲的幀數多于網橋緩沖存儲器可以容納的幀數,則丟棄新傳入的幀。

  ? 由于幀長不同,因此其延遲時間為其長度的函數。這會導致延遲波動(抖動)。

  ? 由于交換機應通過其發送幀的端口可能已經被其他幀完全占用,所以會導致額外的延遲。發送大型以太網幀(1522字節)在100 Mbps速率下大約耗時124μs。

  如果說以太網通常運行良好,這種說法在某種程度上是公允的。但是,這樣做,我們使用的“通常”一詞在硬實時語境下是無意義的。僅僅通常滿足實時條件是不夠的,必須始終滿足該條件。

  住在化工廠或煉油廠旁邊的任何人都能理解這一點。工業通訊也不公平:最重要的是,控制/閉環控制應用始終具有優先權。

  圖1.自動化中的實時通信

  圖2.ISO七層模型

以PROFINET和EtherCAT為例展示的實時擴展

  由于負責以太網標準化的IEEE并未就該問題提出解決方案,工業界開發了自己的解決方案——再次證明了其創造力。各種解決方案都有自己的優勢和劣勢,最終解決不同的市場問題。

  PROFINET:普遍適用

  通過PROFINET,可提供兩種互補型解決方案。PROFINET RT是一種工廠自動化解決方案,周期時間最長為1 ms。RT直接以標準以太網為基礎。以太網的可能性(例如,服務質量(QoS,優先級))被用于產生實時流量優先級。這有所幫助,但QoS并不能完全解決資源和延遲問題。這就是限制軟實時的原因。與網絡中使用的其他協議(例如HTTP、SNMP和TCP/IP)的良好兼容性是該技術的明顯優勢。

  圖4.PROFINET IRT

  對于硬實時,PROFINET提供同步實時(IRT)擴展。在此,部分以太網帶寬通過標準以太網硬件的擴展專門為IRT流量保留。這可以通過IRT節點中的時鐘的精確同步來實現。因此,可以在每個周期阻止通道(紅色階段)中的正常流量。只有紅色階段中的IRT幀到達網絡。此外,網絡參與者準確地在預先計算的時間發送IRT幀,從而在紅色階段實現效率的最大化。IRT幀通過網絡,幾乎無周跳。這樣做的一個優點是它可以紅色階段的長度限制在最低限度;在紅色階段,所有其他流量都必須等待。紅色相位最多可以占用以太網通道帶寬的50%。

  圖3.協議概述

  如前所述,全長以太網幀(1552字節)在線路上大約耗時124μs。如果PROFINET IRT占用全部50%的帶寬,最快的周期時間為2×124μs=248μs,舍入后為250μs。只有這樣,其他協議(如HTTP)才能以不變的形式與其共存。

  由于PROFINET 2.3可用于IRT的優化,包括快速轉發、動態幀封裝和分段,因此可以實現低至31.25μs的更快周期時間。

EtherCAT:以太網現場總線

  在EtherCAT的開發過程中,開始時還有其他要求。EtherCAT是基于物理以太網(即第1層)的現場總線。甚至第2層也針對現場總線應用和高吞吐量應用進行了優化。EtherCAT沒有經典的以太網橋,使用求和幀電報,使數據傳輸特別高效。EtherCAT每個周期發送一幀,與普通以太網不同;在后者中,設備間通信涉及的每臺設備發送單獨的幀。但是,此幀包含被尋址設備的所有數據。當EtherCAT幀由設備轉發時,該特定設備的數據被實時插入到該幀中并從該幀中取出。通過這種方式,可以實現極短的周期時間,最小低于31.25μs。

  EtherCAT還具有時間同步功能。為了將在PC上表現不太理想的以太網接口用作EtherCAT的主設備,人們付出了大量努力。

  在EtherCAT下,以太網流量(如Web或TCP/IP流量)只能以背負方式分成小部分傳輸;不可能在線上直接共存。

  其他如何?

  POWERLINK采用與EtherCAT相同的基本方法;其取得對以太網的完全控制權,并通過背負方式把IP應用傳輸到節點。但這是他們唯一的共同點。POWERLINK不使用求和幀協議,然而,它在實際應用中表現同樣出色。

  與IRT一樣,SERCOS有預留帶寬,但在其中使用的是求和幀協議。SERCOS允許其他協議共存。

  TSN時機快到

  IEEE從音頻/視頻橋接(AVB)協議的角度研究了這個話題。在對協議進行改進時,還考慮了更具挑戰性的工業實時通信。這些標準的原始名稱AVB2由此改稱TSN(指時間敏感型網絡)。有了這些標準,現在可以使用統一的確定性以太網版本。

  這實際上可以簡化許多問題。例如,眾所周知的工業網絡幾乎全部針對100Mbps。然而,千兆以太網和10 Mbps以太網如今已成為特殊應用的關注焦點。TSN標準涵蓋所有速率。使用TSN,無需從頭開始:如果不是TSN,所有現有標準都必須針對千兆速率進行重新定義——這將導致硬件開發成本和市場碎片化成本。

  TSN有什么用?TSN實時

  TSN擴展了以太網第2層,納入了實時操作所需的一系列機制:

  ? 802.1AS/802.1AS-Rev考慮了網絡中時鐘的高精度同步問題。

  ? 時間感知整形器(TAS)選項使以太網能夠在硬調度模式下運行。有了該選項,就可以在特定時間阻止/釋放QoS模型的一個或多個隊列。

  ? 搶占(穿插快速流量)選項使長幀能夠被分解成更小的部分,從而最大限度地減小優先級更高的幀的延遲。該選項可用于在速率超過100 Mbps時,優化TAS的保護帶或替換TAS。

  ? 復制和消除幀以提高可靠性的選項可用于定義通過網絡的冗余路徑;如環路中。

  ? 使用軟件定義的網絡意味著幀不再通過目標節點的硬件MAC地址轉發到目的地,而是通過特殊MAC地址(本地管理的多播MAC)和VLAN ID的組合轉發。不再自動確定這些幀在網絡中的路由方式,而是由軟件進行配置。多播MAC和VLAN ID的這種組合稱為流ID,具有相同流ID的所有TSN幀稱為TSN流。TSN流始終只有一個發件人,但可以有多個收件人。

  圖5.以太網幀(其中,與TSN數據流標識相關的部分以綠色表示)

  鑒于現有資源,現在可以用特殊的方式組織TSN流,不再需要丟棄幀。現在,網橋將其資源用于TSN流的無損轉發。

  盡力服務流量(標準以太網、IP、Web)用剩余資源(內存/帶寬)正常傳輸。

  第二層以上發生了什么?

  每個互聯網以太網協議背后都有一個組織,是它推動著各自協議的標準化和普及。這些組織中的每一個都制定了TSN戰略。結果,我們看到,幾乎所有現有協議都有TSN,只是表現形式各異而已。繼續看我們的例子:

  對于PROFINET,通向TSN的途徑相對較短,因為人們目前已經積累了豐富的時間感知整形經驗(已經非常接近IRT),并且始終都支持行業協議與IT協議的共存。對于用戶而言,很多東西都未變,因此,熟悉的環境有利于提升績效。

  EtherCAT和類似的SERCOS將使TSN獲得現場層次以上的運用能力。例如,EtherCAT自動化協議(EAP)非常適合通過TSN以較低的開銷,連通經典EtherCAT網段。

  但是,該領域也有新的參與者。

  有一個團體正著手定義一個全新的工業以太網協議。有人將OPC UA用作應用層。TSN被視為使該協議具有實時能力的手段。但是,這里還有大量的工作要做。傳輸需要新的OPC UA傳輸層(即所謂的OPC UA PUB/SUB協議)。

  圖6.硬實時(IRT)、軟實時(RT)和IT協議(TCP/IP)的延遲/抖動幅度

  越多越有用嗎?在實時領域并非如此

  今天,我們在工業自動化中使用的是100 Mbps以太網,千兆以太網很快就會上線。但是,更高的速度并不意味著延遲能得到保障,傳輸能得到保障。因此,對于硬實時,始終都需要特殊的機制。有了TSN,它們都已標準化。

(作者:Volker Goller ADI公司)

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