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下一代工业通信—TSN(时间敏感网络),工业物联网的助推器

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发表于 2019-1-11 10:26:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

随着工业物联网(IIoT)的兴起和工业4.0的提出,越来越多的设计师、工程师和最终用户关注TSN(Time-Sensitive Networking,时间敏感网络)。TSN为以太网提供确定性性能,本质上是一个确定性以太网扩展集,同时也是音频视频桥接 (AVB) 的后继者。那TSN到底是什么呢?在工业物联网中扮演什么角色?这些年发展的怎样?下面扒一扒TSN的前世今生。

TSN源于何处?

TSN是一项从视频音频数据领域延伸至工业领域、汽车领域的技术。TSN最初来源于音视频领域的应用需求,当时该技术被称为AVB,由于针对音视频网络需要较高的带宽和最大限度的实时,借助AVB能较好的传输高质量音视频。

2006年,IEEE802.1工作组成立AVB音频视频桥接任务组,并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。这一点立刻受到来自汽车和工业等领域人士的关注。2012年,AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围,并同时将任务组名称改为现在的:TSN任务组。TSN是以以太网为基础的新一代网络标准,具有时间同步、延时保证等确保实时性的功能。

TSN有何用武之地?

TSN使用标准以太网提供分布式时间同步和确定性通信。因此,任何需要分布式测量或控制的应用都可以从TSN中受益。客户可使用TSN进行简单的分布式同步测量、下一代计算机数控加工的改进、新型半导体加工机器以及未来的电网研究等。在其他行业的应用包括:

视频/音频传输
如前所述,TSN最初来源于视频领域的应用需求。传输音频和视频信息的网络需要遵守严格的时序规则。如果音频或视频分组不能按指定的时序规则到达目的地,则接收设备(例如视频屏幕或扬声器)可能会发生视频帧被丢弃、音频伪像的情况。此外,这种网络还需要可预测的延迟,保证视频和相关音频流之间的同步。另一方面,足球赛事的实况转播有很多高清的数据要通过网络传输到处理中心,对带宽的需求极大。而且为了最大限度的提供实时性,这些图像、音频必须实现高实时的传输与处理,可以想象其对带宽和实时性的需求。

音频视频桥接

汽车驾驶
目前大多数的汽车控制系统非常复杂。比如说:刹车、引擎、悬挂等采用CAN总线。而灯光、车门、遥控等采用LIN系统。娱乐系统更是五花八门,有FlexRay和MOST等目前的车载网络。实际上,所有上述系统都可以用支持低延时且具有实时传输机制的TSN进行统一管理。可以降低给汽车和专业的A/V设备增加网络功能的成本及复杂性。

典型的汽车A / V系统

在车辆中,实时功能对于某些应用至关重要。 为确保这些实时功能可用,必须在以太网控制器中设置具有直接访问硬件资源的机制。TSN使构建可扩展的以太网网络成为可能。为此,不同的消息按照其可用性分为了不同的等级,并对其延迟和优先级进行了分类,每个消息类被分配到一个固定的带宽。此外,TSN还支持冗余以太网系统,并且,为确保稳定的数据交换,定义了安全标准。

以太网AVB如何在汽车流媒体应用中发挥核心作用

IEEE音频/视频桥接工作组定义了相关机制和协议,以确保低延迟数据正常交换、并在时间上同步应用。音频/视频桥接(AVB)主要应用在娱乐系统。如今驾驶员辅助系统的广泛引入,要求在发送和接收行为方面有更严格的规范。因此,IEEE TSN工作组延续了AVB的工作,该工作组的重点是研究确定性数据传输机制,进一步减少以太网网络中的延迟,更加稳定和安全地传输数据。

工业物联网
工业物联网是未来TSN最广泛的一个应用,所有需要实时监控或是实时反馈的工业领域都需要TSN网络。比如:机器人工业、深海石油钻井以及银行业等等。

标准以太网的本质是一种非确定性网,但在工业领域必须要求确定性,一组数据包裹必须完整、实时、确定性的到达目的地,因此较新的TSN标准增加了中心控制、所有网络设备的时间同步以及更低的延迟等特性。为了达到尽可能低的绝对延迟,IEEE 802.1Qbv定义了一个时间感知整形器,它可以无视定时流量门的存在。想象一下,你在曼哈顿从时代广场开车到运河街,通常需要22分钟。现在你的行程已经计划安排好,如果你准时出发,以60英里/小时的速度行驶,那么在2.7分钟后就能到达运河街,TSN消除了标准以太网由于交通“拥堵”导致的非确定性。

TSN除了解决以太网的不确定性问题,还正在解决工业领域总线的复杂性问题。如今工业中
每种总线有着不同的物理接口、传输机制、对象字典,每种不同的技术背后都有不同的厂商在支持,难以统一。而且即使是采用了以太网来标准各个总线,仍然会在互操作层出现问题,这使得对于IT应用,如大数据分析、订单排产、能源优化等应用遇到了障碍。

TSN还可以用于支持大数据的服务器之间的数据传输。全球的工业已经入了物联网(Internet of Things,IoT)的时代,毫无疑问TSN是改善物联网的互联效率的最佳途径。

TSN到底是何方神圣呢?

时间敏感网络 (TSN) 通过以太网提供确定性性能,它的持续发展已导致 IEEE 802.1 和 IEEE 802.3 标准发生重大更新。IEEE802.3开发并维护以太网的PHY和MAC标准,IEEE802.1开发并维护Bridging(akaSwitching)标准。通过AVB、TSN,使得以太网进入硬实时领域应用。

TSN是一组以太网标准,允许通过802网络实现时间同步的低延迟流服务。通过标准以太网,TSN创建了分布式,同步,硬实时系统的机制。这些系统使用相同的基础架构来提供实时控制并传达所有标准IT数据,从而为控制、测量、配置、UI和文件交换基础架构的融合提供动力。通过基于时间定义队列,TSN可确保通过交换网络的流量具有有限的最大延迟。这意味着标准以太网现在可以:

  • 通过交换网络保证消息延迟
  • 关键和非关键流量可以在一个网络中融合
  • 更高层协议可以共享网络基础结构
  • 实时控制可以远离操作区域
  • 子系统可以更容易地集成
  • 可以在不进行网络或设备更改的情况下添加组件
  • 可以更快地诊断和修复网络故障

TSN并非涵盖整个网络,TSN其实指的是在IEEE802.1标准框架下,基于特定应用需求制定的一组“子标准”,旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制,以确保网络数据传输的时间确定性。而既然是隶属于IEEE802.1下的协议标准,TSN就仅仅是关于以太网通讯协议模型中的第二层,也就是数据链路层(更确切的说是MAC层)的协议标准。请注意,是一套协议标准,而不是一种协议,就是说TSN将会为以太网协议的MAC层提供一套通用的时间敏感机制,在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时,为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。

TSN关键组件

由IEEE 802.1制定的TSN标准文档可以分为三个基本关键组件。每个标准规范都可以单独使用,并且主要是自给自足的。但是,只有在每个规范协同使用的情况下,TSN作为通信系统才能充分发挥其潜力。三个基本组成部分是:时间同步,调度和流量整形,通信路径的选择、预留和容错。

时间同步在这方面,“时间敏感网络”这个名称已经非常具有描述性。端到端(End-to-End)的传输延迟具有难以协商的时间界限,因此网络中的所有设备都需要共同的时间参考,需要彼此同步时钟。

TSN网络中的时间同步可以通过不同的技术实现。从理论上讲,可以为每个终端设备和网络交换机配备GPS时钟。然而,这种方法不仅昂贵,而且无法保证GPS时钟始终接入卫星信号。由于这些限制,TSN网络中的时间通常从一个中央时间源直接通过网络本身分配,也就是使用IEEE 1588精确时间协议完成。除了普遍适用的IEEE 1588规范之外,IEEE802.1委员会已经指定了一个IEEE1588的概要文件,称为IEEE802.1AS。此配置文件背后的想法是将大量不同的IEEE 1588选项缩小到可管理的几个关键选项,这些选项适用于汽车或工业自动化环境中得网络。

调度和流量整形由于端口转发机制的限制,在标准的以太网中,实时性是难以保证的。调度和流量整形允许在同一网络上共存不同优先级的流量类别,每个类别对可用带宽和端到端延迟都有不同的要求。因此,所有参与实时通信的设备在处理和转发通信包时需遵循相同的规则。

通信路径的选择,预留和容错,所有参与实时通信的设备在选择通信路径、预留带宽和时隙方面遵循相同的规则,可以利用多条路径来实现故障排除,支持保护诸如安全相关的控制回路或车辆中的自动驾驶之类的安全应用,以防止硬件或网络中的故障。

TSN的相关协议标准

AVB标准由同一工作组在IEEE开发,通过部署流量保留和整形,确保在指定的时间段内,从发送方到接收方的网络传输流量不会突然变化。尽管AVB标准有其自己的特性,但它缺少以太网中高确定性流量类所需的一些关键属性。TSN的调度、抢占和冗余功能提供更确定的延迟,更高效的数据包传输概率,以及跨网络中冗余路径的无缝时钟同步。

AVB Gen1功能

AVB是由IEEE 802.1时间敏感网络任务组定义的一组规范,它们共同为音频/视频流应用提供低延迟,时间同步的服务。AVB规范包括:

  • 流预留协议(SRP)[IEEE 802.1Qat],
  • 时间敏感应用的时序和同步[IEEE 802.1AS]
  • 时间敏感流的转发和排队增强[IEEE 802.1Qav]用于流媒体类应用,例如汽车摄像头和信息娱乐应用。

IEEE 802.1AS它用于实现高精度的时钟同步。IEEE 802.1Qat流预留协议(SRP)解决网络中音视频实时流量与普通异步数据流量之间的竞争问题。通过协商机制,在音视频流从源设备到不同交换机再到终端设备的整个路径上预留出所需的带宽资源,以提供端到端(End-to-End)的服务质量及延迟保障。IEEE 802.1Qav 是实时数据流的转发和队列控制协议,为数据流发送端和交换节点提供一个成形的数据流服务。确保传统的异步以太网数据流量不会干扰到AVB的实时音视频流。为了避免普通数据流量与AVB流量之间对网络资源的竞争,AVB交换机内对时间敏感的音视频流和普通数据流进行了区别处理,将实时帧与异步帧分别进行排队,并且赋予实时帧最高的优先级。

AVB标准通过定义流预留(SR)流量类来确保服务质量(QoS)。例如,A类提供2ms的最大延迟,而B类提供50ms的最大延迟,用于网络中的七个跃点。汽车音频设备可支持SR类,其观测间隔大于AVnu联盟起草的汽车要求的B类。

尽管有基于信用的公平队列(CBFQ),但在最坏的情况下,由于在其他业务干扰期间没有抢占式调度,AVB流量仍然会在每个网络节点上延迟,因此还需要AVB Gen2。

TSN(AVB Gen2)功能
时间敏感网络(TSN)是由IEEE 802组开发的一套标准,它提供以下功能:

  • 时间敏感应用的定时和同步,IEEE802.1ASbt
  • 计划流量的增强功能,IEEE802.1Qbv
  • Frame Preemption,IEEE802.1Qbu
  • 冗余网络的路径控制和保留,IEEE802.1Qca
  • 流保留协议(SRP)增强功能支持IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1 Qca / IEEE802.1CB,IEEE802.1Qcc
  • 无缝冗余,IEEE802.1CB

IEEE 802.1ASbt是对IEEE 802.1AS的增强。IEEE 802.1ASbt增加了对一步时间戳的支持,相对于IEEE 802.1AS中的两步过程,这减少了在网络中传送定时信息的分组数量。在具有时间感知系统的daisy-chain网络中,分组流量和计算能力的减少是有用的。IEEE 802.1ASbt通过预先选择好备用主时钟,并确保在发生故障时快速地切换,来提高网络的响应能力。这符合工业网络中无缝切换(优选零时间)的要求。

IEEE 802.1Qbv时间感知队列通过时间感知整形器(Time Aware Shaper,TAS)使TSN交换机能够来控制队列流量(queued traffic),以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag,每个队列在一个时间表中定义,然后这些数据队列报文在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在规定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的,可知的。而在TSN网络的数据报文延时被得到保障。

TAS介绍了一个传输门概念,这个门有“开”、“关”两个状态。当传输的选择过程-仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。TAS保障时间要求严苛的队列免受其它网络信息的干扰,它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟。当优先级非常高时,抢占机制可以被使用。

IEEE 802.1Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计,其必须确保非常低的抖动和延时。IEEE 802.1Qbv确保了实时数据的传输,以及其它非实时数据的交换。

IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr转发与队列机制是IEEE以太网标准的新补充,可以在信息传输的时候让高优先级的帧打断低优先级的帧,最大限度地降低高优先级信息流的延迟。在工业自动化控制系统的应用方面,抢占可以进一步将不同技术的多个网络融合在一个以太网和IP的基础架构里,可以实现自动化操作以及订单控制生产。通过大幅降低低优先级信息流对重要信息流的影响,两种信息流可以混合在同一链路上。

IEEE802.1Qcc Qcc用于为TSN进行基础设施和交换终端节点进行即插即用能力的配置。采用集中配置模式,由1或多个CUC(集中用户配置)和1个CNC(集中网络配置)构成。CUC制定用户周期性时间相关的需求并传输过程数据到CNC,CNC计算TSN配置以满足需求。

IEEE 802.1Qca为数据流提供显式路径控制,带宽和流预留以及冗余。它通过携带用于时间同步和调度的信息,使用IS-IS扩展了最短路径桥接(SPB)的功能,以控制桥接网络。它通过使用PCE(路径计算元素)提供显式转发路径控制。PCE是一个实体,能够根据网络拓扑的表示计算出通过网络的路径。IEEE 802.1CB依赖于IEEE 802.1Qca在从发送方到接收方的网络中的不相交路径上传送消息。

IEEE802.1CB标准通过在发送端复制多个不相交路径中的分组并消除多个点处的重复来提高网络的可靠性,使得监听器仅看到一个分组。无缝冗余(IEEE802.1CB)与IEEE802.1Qca和零拥塞相结合,可在数据包传输中提供最佳的QoS。它使用冗余标记(类似于VLAN标记)中携带的序列编号来复制和消除网络中的重复数据包。

TSN相关标准及进程

虽然成套的TSN特性还在继续扩展,功能不断改进,但现有标准提供了丰富的功能选择,使基于标准的解决方案能够在与传统通信共存的网络上,实现确定性,时间敏感,可靠的通信。
具体详见https://1.ieee802.org/

围绕TSN,都有哪些玩家呢?他们最近都在干什么呢?

TSN 不再只是一个理想化项目,而是已成为被行业组织认证的广泛使用的标准。目前国内外有大量的组织、企业在推动TSN发展。大量厂商正在对其进行测试与互操作测试。

在2016年的SPS上各个厂商宣布了对OPC UA TSN的支持,包括了ABB、B&R、Bosch Rexroth、CISCO、GE、NI、KUKA、Parker、Phoenix、Schneider、SEW、TTTech等主流的自动化与IT厂商。

2016年2月下旬,Bosch Rexroth、Schneider Electric、National InstrumentsKuka宣布他们将联手开发全球首个TSN测试平台。该测试平台旨在将不同业务流量整合到以太网TSN网络上。它将测试TSN的多供应商互操作性,以及其安全特性、性能、延迟、与基于云的控制系统的集成National Instruments主持测试平台开发工作。其高管Eric Starkloff 评论说,TSN是“工业物联网未来发展的必要条件”,并强调其从专业视听技术发展到现在的融合式确定性以太网,可谓进步惊人。

2017年纽伦堡SPS展会上EPSG组织展台展出的OPC UA TSN演示系统,针对200个I/O站、5个高清视频,达到100μS的数据刷新能力。

2018年11月27日,在德国纽伦堡电气自动化系统及元器件展(SPS IPC ),CC-Link协会正式发布最新的开放式工业网络协议“CC-Link IE TSN”,宣布工业通信迎来新的变革时代。CC-Link IE TSN规范在全球率先将千兆以太网带宽与时间敏感网络(TSN) 相结合,在确保控制数据通信的实时性的同时,实现在同一个网络中与其它开放式网络、以及与IT系统的数据通信,实现“多网互连互通”。

结语

TSN的核心思维是提出了一个可互操作的系统,并支持多个制造商、协议和机构在同一个网络上共享,同时数据使用相同的语言进行解析,不仅可得,而且可用。作为底层的通用架构,TSN使得更多企业可以在此架构上实现OT和IT的融合。这种融合提高了工业设备的连接性和通用性,并且面向未来,为大数据分析、边缘智能、新型业务提供了更快更好的发展路径。

参考:
1.https://www.chipestimate.com/Time-Sensitive-Networking-TSN-Switching-Enabling-Convergence-of-Critical-and-Non-critical-Control-Data-Streams-on-a-Single-Network/Microsemi-Corporation/Technical-Article/2015/02/03
2.https://en.wikipedia.org/wiki/Audio_Video_Bridging
3.https://en.wikipedia.org/wiki/Time-Sensitive_Networking
4.https://www.computerworld.com.au/article/617549/growing-importance-time-sensitive-networks/
5.https://mp.weixin.qq.com/s/pcqQshTWzHe1ht5Gbm9wxA
6.https://mp.weixin.qq.com/s/UM7C3J8CSaZnrXXpN9t7_w


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