連載2：從以太網(wǎng)到TSN的技術(shù)變革
2020-12-17新聞
從最早應(yīng)用于音視頻流的傳送，直到近年隨著工業(yè)4.0的不斷發(fā)展，它開始被工控人所熟知。那么，TSN是如何開始與工控自動化領(lǐng)域有所交集和被關(guān)注的呢？他們相互的關(guān)聯(lián)又是什么？這一期，我們就來聊聊從以太網(wǎng)到TSN的技術(shù)變革。以太網(wǎng)是上個世紀80年代開始走入辦公領(lǐng)域的，當時的以太網(wǎng)因其具備大容量、高速率等特點，在所有協(xié)議中脫穎而出大放異彩。以太網(wǎng)最顯著的特點就是使用了CSMA/CD協(xié)議來進行介質(zhì)訪問控制，在早期通常使用雙絞線的以太網(wǎng)中，由于介質(zhì)（在雙絞線網(wǎng)絡(luò)中就是網(wǎng)線）是共享的，連接在同一個網(wǎng)絡(luò)上的各個設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時勢必會出現(xiàn)沖突，這時，我們就必須要規(guī)定一種方式，來防止這種數(shù)據(jù)沖突，而這種方法就是CSMA/CD。如果要了解以太網(wǎng)和TSN之間的關(guān)系，那么了解以上提到的這個CSMA/CD就是一個關(guān)鍵。CSMA/CD中文叫做帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問技術(shù)，它是規(guī)定多臺計算機共享一個通道的協(xié)議，用一句話概括就是——先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，不發(fā)不聽。簡單來說，就是每個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)聽信道，如果空閑就發(fā)送，如果繁忙就等待；在發(fā)送后繼續(xù)監(jiān)聽信道，如果在傳送過程中發(fā)生沖突，也會繼續(xù)等待一個隨機時間重新發(fā)送。形象一點來說，就好像一群人在一間黑屋子里開會，沒有主持人，但是每個人都能隨時發(fā)言，便是你并不知道別人會不會發(fā)言、可能什么時候發(fā)言。這時候如果有人想發(fā)言，他就會先聽聽屋子里是不是有人說話，如果沒人說話他就直接發(fā)言。但是如果恰好在他發(fā)言的同時，也有人說話了，這時候，他就大吼一聲，告訴所有人，發(fā)言發(fā)生沖突了，然后所有要發(fā)言的人就停止說話，各自安靜的等待一段時間后再次發(fā)言。當每個人等待的時間都不相等時，發(fā)言才能成功，同時，我們給每個嘗試發(fā)言的人都規(guī)定了嘗試的次數(shù)是16次，如果他每次嘗試發(fā)言都和他人發(fā)生了沖突，且達到了上限16次，則他本次發(fā)言即宣告失敗。有些小伙伴可能被繞暈了（
壞笑）。莫急，我們技術(shù)小哥哥利用計算機語言技術(shù)，畫了下面這個更適合技術(shù)宅的流程圖來表達。在大致了解了CSMA/CD和以太網(wǎng)之后，我相信讀者們一定已經(jīng)從這里面看出點門道來了，這個CSMA/CD在執(zhí)行的時候由于要避免沖突，會給數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r帶來非常多的“不確定性”。日常我們發(fā)個郵件，微信聊個天，看看小視頻，這點比毫秒級別還小的延時可能沒什么影響，但是要用在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，那可能就有點問題了。如果控制器發(fā)出了指令，依次開啟A、B、C三個開關(guān)，每個開關(guān)間間隔1毫秒，但是，但是，由于網(wǎng)絡(luò)延時，極有可能C先收到了信號，這樣，開關(guān)就不能按照預定的計劃依次開啟了，我們的控制就出問題了。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)也由之前的共享式半雙工技術(shù)發(fā)展到了交換式全雙工技術(shù)。在交換式全雙工以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)被交換機分割成了各自獨立的沖突域，節(jié)點之間（交換機與交換機之間，交換機與設(shè)備之間）發(fā)送和接受的傳輸線路也被完全分開，數(shù)據(jù)通過交換機緩存并轉(zhuǎn)發(fā)，這樣，發(fā)生沖突的問題就基本得到解決了。這就好比以前我們在一條窄路上運送物資，來來往往的所有人都要在這條窄路上走，大家難免會發(fā)生碰撞。于是，我們只能規(guī)定這條路在有人走的時候只能單向通行，這樣的話，沖突就避免了，但是如此一來，道路的使用率卻大幅度下降。現(xiàn)在我們有了交換式全雙工以太網(wǎng)，相當于我們把道路拓寬了，把之前的單車道變成了雙向二車道，這樣來往的人流就不會碰撞了。同時，我們還在道路上的每個路口都設(shè)置了一個驛站，所有人只要把貨物都送到驛站，然后再由驛站集中把貨物送出去。送貨的方式由之前每個人親自上路去送，變成了快遞公司提供送貨服務(wù)的方式，大大降低了道路上來來往往的人流，也大大提高了貨物的運送效率。這種方法極有效的解決了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和延時。然而，在某些特殊條件下，它也引入了新的網(wǎng)絡(luò)延時，也就是當交換機連接了大量設(shè)備，設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)太快、太多的時候，交換機的緩存會溢出。這時，交換機會進行流量控制，發(fā)出PAUSE幀，要求設(shè)備停止發(fā)送數(shù)據(jù)，待延時結(jié)束后再繼續(xù)發(fā)送。這就有點類似于雙十一時快遞爆倉，快遞公司可能會暫緩接單甚至停止接單，我們發(fā)送和接收快遞的時效性也都會大打折扣。因此，在交換式全雙工網(wǎng)絡(luò)中，依然存在很難解決的時效性問題。為了解決我們之前所提到的各種網(wǎng)絡(luò)延時問題，網(wǎng)絡(luò)工程師們提出了一個新的網(wǎng)絡(luò)概念，那就是TSN——時效性網(wǎng)絡(luò)或者叫時間敏感網(wǎng)絡(luò)。時間敏感網(wǎng)絡(luò)通過對實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)進行流量整形，在解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)時效性的基礎(chǔ)上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，同時還大大提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)睦寐省?/span>而CC-Link IE TSN則是有效利用了TSN網(wǎng)絡(luò)的這一特點，通過采用時間分割的方式使不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混合傳送，即使有非實時性信息通信混合傳輸，也可保證控制通信的實時性。好啦，這一期TSN系列連載就到這，小伙伴們有想啥疑問，可以給我們留言。下一期，我們將會詳細介紹TSN的時間分割技術(shù)，同時技術(shù)小哥哥們也將帶大家進一步了解CC-Link IE TSN網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)先技術(shù)。
