為了滿足自動化的即時要求，需要保證傳輸頻寬和傳輸延遲。即使這些頻寬通常非常小，該傳輸通道必須在每個I/O周期中可用，且達(dá)到延遲要求。乙太網(wǎng)路是所謂的橋接網(wǎng)路。該架構(gòu)在很大程度上具有自我配置能力。
工業(yè)乙太網(wǎng)路—即時乙太網(wǎng)路—在過去幾年中經(jīng)歷了大幅的成長。雖然經(jīng)典的現(xiàn)場匯流排仍大量存在，但它們已經(jīng)過了巔峰期。風(fēng)行的即時乙太網(wǎng)路協(xié)定擴展了乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足即時功能的要求。現(xiàn)在，TSN為即時乙太網(wǎng)路提供了一條新的途徑。
即時與通訊
在工廠自動化和驅(qū)動技術(shù)的背景下，即時意味著周期時間要安全、可靠地達(dá)到10毫秒以下，最低至微秒。為了滿足這些即時要求，乙太網(wǎng)路還必須獲得即時功能。
乙太網(wǎng)路比現(xiàn)場匯流排快得多—那又如何？
為了滿足自動化的即時要求，需要保證傳輸頻寬和傳輸延遲。即使這些頻寬通常非常小（每個元件幾十個位元組），該傳輸通道必須在每個I/O周期中可用，且達(dá)到延遲要求。但是，經(jīng)典乙太網(wǎng)路不提供延遲和頻寬保證。相反的，如果操作需要，乙太網(wǎng)路可以隨時丟棄幀。這意味著什么？
乙太網(wǎng)路是所謂的橋接網(wǎng)路。幀（乙太網(wǎng)路幀）從一個點發(fā)到另一個點：從端點到交換機（橋接器），從那里可能發(fā)到其他橋接器，最后到達(dá)另一個端點。該架構(gòu)在很大程度上具有自我配置能力。橋接器在轉(zhuǎn)發(fā)幀之前先完全接收幀。許多問題正是出在這里：
?如果在峰值時間儲存的幀數(shù)多于橋接器緩沖記憶體可以容納的幀數(shù)，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(shù)。這會導(dǎo)致延遲波動（抖動）。
?由于交換機應(yīng)通過其發(fā)送幀的埠可能已經(jīng)被其他幀完全占用，所以會導(dǎo)致額外的延遲。發(fā)送大型乙太網(wǎng)路幀（1522位元組）在100 Mbps速率下大約耗時124 μs。
如果乙太網(wǎng)路通常運作良好，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」一詞在硬即時情境下是無意義的。僅僅通常滿足即時條件是不夠的，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(yè)通訊也不公平：最重要的是，控制/閉回路控制應(yīng)用始終具有優(yōu)先權(quán)。
以PROFINET和EtherCAT為例展示的即時擴展
由于負(fù)責(zé)乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)化的IEEE并未就該問題提出解決方案，工業(yè)界因此開發(fā)了自己的解決方案—再次證明了其創(chuàng)造力。各種解決方案都有自己的優(yōu)勢和劣勢，最終將用以解決不同的市場問題。
PROFINET：普遍適用
透過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(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路為基礎(chǔ)，乙太網(wǎng)路的可能性（例如，服務(wù)品質(zhì)（QoS，優(yōu)先順序））被用于產(chǎn)生即時流量優(yōu)先順序。這是有所幫助的，但QoS并不能完全解決資源和延遲問題，這就是限制軟即時的原因，與網(wǎng)路中使用的其他協(xié)定（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的良好相容性是該技術(shù)的明顯優(yōu)勢。
對于硬即時，PROFINET提供同步即時（IRT）擴展。在此，部分乙太網(wǎng)路頻寬透過標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路硬體的擴展專門為IRT流量保留，這可以透過IRT節(jié)點中的時脈的精準(zhǔn)同步來加以實現(xiàn)；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(dá)網(wǎng)路。此外，網(wǎng)路參與者準(zhǔn)確地在預(yù)先計算的時間發(fā)送IRT幀，從而在紅色階段實現(xiàn)效率的最大化。IRT幀通過網(wǎng)路，幾乎無周跳，這樣做的一個優(yōu)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乙太網(wǎng)路通道頻寬的50％。
如前所述，全長乙太網(wǎng)路幀（1552位元組）線路上大約耗時124 μs。如果PROFINET IRT占用全部50％的頻寬，最快的周期時間為2×124 μs =248 μs，舍入后為250 μs。只有這樣，其他協(xié)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(yōu)化，包括快速轉(zhuǎn)發(fā)、動態(tài)幀封裝和分段，因此可以實現(xiàn)低至31.25μs的更快周期時間。
EtherCAT：乙太網(wǎng)路現(xiàn)場匯流排
在EtherCAT的開發(fā)過程中，開始時還有其他要求。 EtherCAT是基于物理乙太網(wǎng)路（即第1層）的現(xiàn)場匯流排，甚至第2層也針對現(xiàn)場匯流排應(yīng)用和高輸送量應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。 EtherCAT沒有經(jīng)典的乙太橋接器，使用求和幀電報，使資料傳輸特別高效。 EtherCAT每個周期發(fā)送一幀，與普通乙太網(wǎng)路不同；在后者中，設(shè)備間通訊涉及的每臺設(shè)備發(fā)送單獨的幀，但是此幀包含被定址設(shè)備的所有資料。當(dāng)EtherCAT幀由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時，該特定設(shè)備的資料被即時插入到該幀中并從該幀中取出，透過這種方式，可以實現(xiàn)極短的周期時間，最小低于31.25 μs。
EtherCAT還具有時間同步功能，為了將在PC上表現(xiàn)不太理想的乙太網(wǎng)路介面用作EtherCAT的主設(shè)備，人們付出了大量努力。
在EtherCAT下，乙太網(wǎng)路流量（如Web或TCP/IP流量）只能以背負(fù)方式分成小部分傳輸；不可能線上直接共存。
其他的呢？
POWERLINK采用與EtherCAT相同的基本方法；其取得對乙太網(wǎng)路的完全控制權(quán)，并透過背負(fù)方式把IP應(yīng)用傳輸?shù)焦?jié)點。但這是他們唯一的共同點。 POWERLINK不使用求和幀協(xié)定，然而它在實際應(yīng)用中表現(xiàn)同樣出色。
與IRT一樣，SERCOS有預(yù)留頻寬，但在其中使用的是求和幀協(xié)定，SERCOS允許其他協(xié)議共存。
TSN時機已至
IEEE從音訊/視頻橋接（AVB）協(xié)議的角度研究了這個話題。在對協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)時，還考慮了更具挑戰(zhàn)性的工業(yè)即時通訊，這些標(biāo)準(zhǔn)的原始名稱AVB2由此改稱TSN（指時間敏感型網(wǎng)路），有了這些標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在可以使用統(tǒng)一的確定性乙太網(wǎng)路版本。
這實際上可以簡化許多問題。例如，眾所周知的工業(yè)網(wǎng)路幾乎全部針對100Mbps。然而千兆乙太網(wǎng)路和10 Mbps乙太網(wǎng)路如今已成為特殊應(yīng)用的關(guān)注焦點。 TSN標(biāo)準(zhǔn)涵蓋所有速率，使用TSN，無需從頭開始：如果不是TSN，所有現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)都必須針對千兆速率進(jìn)行重新定義—這將導(dǎo)致硬體開發(fā)成本和市場碎片化成本。
TSN有什么用？關(guān)于TSN即時
TSN擴展了乙太網(wǎng)路第2層，納入了即時操作所需的一系列機制：
?802.1AS/802.1AS-Rev考慮了網(wǎng)路中時脈的高精度同步問題。
?時間感知整形器（TAS）選項使乙太網(wǎng)路能夠在硬調(diào)度模式下運行。有了該選項，就可以在特定時間阻止/釋放QoS模型的一個或多個佇列。
?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(yōu)先順序更高的幀的延遲。該選項可用于在速率超過100 Mbps時，優(yōu)化TAS的保護帶或替換TAS。
?復(fù)制和消除幀以提高可靠性的選項，可用于定義通過網(wǎng)路的冗余路徑；如回路中。
?使用軟體定義的網(wǎng)路意味著幀不再透過目標(biāo)節(jié)點的硬體MAC位址轉(zhuǎn)發(fā)到目的地，而是透過特殊MAC地址（本地管理的多播MAC）和VLAN ID的組合轉(zhuǎn)發(fā)，不再自動確定這些幀在網(wǎng)路中的路由方式，而是由軟體進(jìn)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流始終只有一個寄件者，但可以有多個收件人。
| 圖5 : 乙太網(wǎng)路幀（其中，與TSN資料流程標(biāo)識相關(guān)的部分以綠色表示）。 |
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有鑒于現(xiàn)有資源，現(xiàn)在可以用特殊的方式組織TSN流，不再需要丟棄幀。現(xiàn)在，橋接器將其資源用于TSN流的無損轉(zhuǎn)發(fā)。
盡力服務(wù)流量（標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路、IP、Web）用剩余資源（記憶體/頻寬）正常傳輸。
第二層以上發(fā)生了什么？
每個互聯(lián)網(wǎng)乙太網(wǎng)路協(xié)定背后都有一個組織，是它推動著各自協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化和普及，這些組織中的每一個都制定了TSN策略。結(jié)果是，如同我們所見，幾乎所有現(xiàn)有協(xié)議都有TSN，只是表現(xiàn)形式各異而已。可見下列的舉例：
對于PROFINET，通向TSN的途徑相對較短，因為人們目前已經(jīng)累積了豐富的時間感知整形經(jīng)驗（已經(jīng)非常接近IRT），并且始終都支援業(yè)界協(xié)定與IT協(xié)定的共存。對于用戶而言，很多東西都沒有改變，因此，熟悉的環(huán)境將有利于提升績效。
EtherCAT和類似的SERCOS將使TSN獲得現(xiàn)場層次以上的運用能力。例如，EtherCAT自動化協(xié)議（EAP）非常適合透過TSN以較低的開銷，連通經(jīng)典EtherCAT網(wǎng)段。
但是，該領(lǐng)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(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定，有人將OPC UA用作應(yīng)用層，TSN被視為使該協(xié)議具有即時能力的手段。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(xié)議）。
| 圖6 : 硬實時(IRT)、軟即時(RT)和IT協(xié)議(TCP/IP)的延遲/抖動幅度。 |
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越多越有用嗎？在即時領(lǐng)域并非如此
今天，我們在工業(yè)自動化中使用的是100 Mbps乙太網(wǎng)路，千兆乙太網(wǎng)路很快就會上線。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，它們業(yè)已標(biāo)準(zhǔn)化。
（本文作者Volker Goller為ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程師）
