連載 3：TSN網(wǎng)絡(luò)的工作方式是怎樣的？
2020-12-23新聞
上一期，我們聊了那么多以太網(wǎng)的知識(shí)【TSN系列連載 2 | 從以太網(wǎng)到TSN的技術(shù)變革】，想必大家也很想了解TSN網(wǎng)絡(luò)究竟是怎么工作的吧！
今天，我們的技術(shù)小哥哥，要非常非常詳細(xì)的帶大家了解TSN網(wǎng)絡(luò)的工作方式。能把技術(shù)說得這么透徹，我只服我們的技術(shù)小哥哥。往下看：
話說，TSN網(wǎng)絡(luò)是由IEEE802.1工作組下的TSN任務(wù)組負(fù)責(zé)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在的TSN任務(wù)組其實(shí)是由之前的AVB（Audio Video Bridging）任務(wù)組改名而來，這一改名行為也意味著這一標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變化。TSN網(wǎng)絡(luò)主要定義了時(shí)間敏感數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上的傳輸機(jī)制。
IEEE 802.1定義了各種TSN標(biāo)準(zhǔn)文檔，雖然每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都可以單獨(dú)使用，但是，只有在相互協(xié)同使用的情況下，TSN作為通信系統(tǒng)才能充分發(fā)揮潛力。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信解決方案，這些規(guī)范均可大致分為三個(gè)基本組成部分：
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時(shí)間同步
參與實(shí)時(shí)通信的所有設(shè)備都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行同步
調(diào)度和流量整形
參與實(shí)時(shí)通信的所有設(shè)備在處理和轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)包時(shí)都必須遵循相同的規(guī)則
選擇信道、信道預(yù)留和容錯(cuò)
參與實(shí)時(shí)通信的所有設(shè)備在選擇信道、保留帶寬和時(shí)隙時(shí)必須遵循相同的規(guī)則，可能同時(shí)使用多個(gè)路徑來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)性
下面我們來詳細(xì)了解這三個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)：
關(guān)于這一部分，“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)”這個(gè)名稱已經(jīng)描述的很形象了：
與我們之前提到的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和IEEE 802.1Q以太網(wǎng)橋接相比，時(shí)間在TSN網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要作用。對(duì)于那些對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求非常高的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備均需要有一個(gè)公共的時(shí)間參考，因此要求時(shí)鐘彼此同步。
事實(shí)上，不僅僅PLC和工業(yè)機(jī)器人等終端設(shè)備需要時(shí)間同步， 以太網(wǎng)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也同樣需要。只有通過同步時(shí)鐘，所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備才能同時(shí)運(yùn)行并各自在所需的時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行所需的操作。
同步
TSN網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步可以通過不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
從理論上講，可以為每個(gè)終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)配備GPS時(shí)鐘。然而，這成本非常高，并且無法保證設(shè)備始終可以訪問無線電或GPS衛(wèi)星信號(hào)（比如設(shè)備安裝在移動(dòng)的汽車或位于地下的工廠車間或隧道）。由于這些限制，TSN網(wǎng)絡(luò)往往并不會(huì)使用外部的時(shí)鐘源，而是直接通過網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主時(shí)鐘信號(hào)來進(jìn)行分配。
在大多數(shù)情況下，TSN使用IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議來進(jìn)行時(shí)鐘分配，利用以太網(wǎng)幀來分配時(shí)間同步信息。除了普遍適用的IEEE 1588規(guī)范之外，IEEE 802.1的TSN任務(wù)組還指定了IEEE 1588行規(guī)，稱為IEEE 802.1AS。此行規(guī)背后的想法是將大量IEEE 1588選項(xiàng)縮小到可管理的幾個(gè)關(guān)鍵選項(xiàng)，而使這些選項(xiàng)適用于家庭網(wǎng)絡(luò)、汽車或工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
調(diào)度和流量整形允許在同一網(wǎng)絡(luò)上具有不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流共存——而這些數(shù)據(jù)能夠各自根據(jù)需要適應(yīng)帶寬和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。
在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中，根據(jù)IEEE 802.1q的標(biāo)準(zhǔn)橋接，網(wǎng)絡(luò)可以嚴(yán)格根據(jù)優(yōu)先級(jí)方案使用八個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)。在協(xié)議層面，這些優(yōu)先級(jí)可以在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀的802.1Q VLAN標(biāo)記看到。通過這些優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)可以區(qū)分重要性不同的數(shù)據(jù)流量。
然而在實(shí)際使用過程中，即使某個(gè)數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級(jí)，其實(shí)也并不能100%保證點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸時(shí)間，這是由于以太網(wǎng)交換機(jī)內(nèi)部的緩沖機(jī)制造成的。如果數(shù)據(jù)幀到來時(shí)，交換機(jī)已經(jīng)開始在其中一個(gè)端口上傳輸數(shù)據(jù)幀，此時(shí)即使新來的數(shù)據(jù)幀有最高優(yōu)先級(jí)，它也必須在交換機(jī)緩沖區(qū)內(nèi)等待當(dāng)前的傳輸完成。
在使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)時(shí)，這種時(shí)間上的非確定性無法避免。只能使用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如辦公網(wǎng)絡(luò)、文件傳輸、Email和其他商業(yè)應(yīng)用中。
然而，在工業(yè)自動(dòng)化和汽車等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，閉環(huán)控制或安全應(yīng)用也會(huì)使用以太網(wǎng)，這時(shí)，數(shù)據(jù)的可靠傳輸和和實(shí)時(shí)性就顯得至關(guān)重要了。對(duì)于在這些場(chǎng)合使用的以太網(wǎng)，則需要利用增強(qiáng)IEEE 802.1Q的嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度。我們?nèi)绻阉奶攸c(diǎn)概括成一句話，那就是：
不同的流量類別使用不同的時(shí)間片
這也是IEEE 802.1Qbv所定義的時(shí)間感知調(diào)度機(jī)制
TSN通過添加一系列機(jī)制來使標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)得到增強(qiáng)，以確保網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的要求。在TSN中，依然保留了利用八個(gè)不同的VLAN優(yōu)先級(jí)的機(jī)制，以確保兼容非TSN以太網(wǎng)——向下兼容和保持與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的互操作性，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用從原有系統(tǒng)到新技術(shù)的無縫遷移，這也始終是IEEE802工作組的重要設(shè)計(jì)原則之一。
在使用TSN時(shí)，對(duì)于八個(gè)優(yōu)先級(jí)中的任意一個(gè)，用戶都可以從不同的機(jī)制中選擇如何處理以太網(wǎng)幀，并且將優(yōu)先級(jí)單獨(dú)分配給現(xiàn)有方法（例如IEEE 802.1Q嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制）或新的處理方法（例如TSN IEEE 802.1Qbv時(shí)間感知流量調(diào)度程序）
TSN的典型應(yīng)用是PLC與工業(yè)機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)控制器等工控設(shè)備的通信。為了保證控制設(shè)備通信的所需要的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)可以將八個(gè)以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí)中的一個(gè)或幾個(gè)分配給IEEE 802.1Qbv時(shí)間感知調(diào)度程序。這一調(diào)度程序主要是將網(wǎng)絡(luò)通信分成固定的長(zhǎng)度和時(shí)間周期。
在這些周期內(nèi)，系統(tǒng)可以根據(jù)需要配置不同的時(shí)間片，這些時(shí)間片可以分配給八個(gè)以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí)中的一個(gè)或幾個(gè)，數(shù)據(jù)通過優(yōu)先級(jí)的不同而分別使用屬于自己的時(shí)間片，這樣，就實(shí)現(xiàn)了共享同一網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和傳輸周期，使得在以太網(wǎng)上傳輸有實(shí)時(shí)性要求且不能中斷的數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實(shí)。
對(duì)于這一機(jī)制，實(shí)現(xiàn)的基本概念即是時(shí)分多址（TDMA）。通過在特定時(shí)間段內(nèi)建立虛擬信道，可以將時(shí)間敏感數(shù)據(jù)與普通數(shù)據(jù)分開傳送。使時(shí)間敏感數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和設(shè)備擁有獨(dú)占訪問權(quán)，可以避免以太網(wǎng)交換機(jī)的緩沖效應(yīng)，并且使時(shí)間敏感數(shù)據(jù)不發(fā)生中斷。
TSN技術(shù)，主要用于實(shí)時(shí)性要求比較高的場(chǎng)合。在這些應(yīng)用中，不僅要保證時(shí)序，同時(shí)，對(duì)容錯(cuò)要求也非常高。支持TSN的工業(yè)以太網(wǎng)必須要能夠支持相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用，例如，安全網(wǎng)絡(luò)控制、運(yùn)動(dòng)控制乃至最新興的車輛自動(dòng)駕駛等應(yīng)用，盡最大可能避免硬件或網(wǎng)絡(luò)中的故障。TSN任務(wù)組為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，也制定了大量相關(guān)的容錯(cuò)協(xié)議、接口管理協(xié)議和本地網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)協(xié)議等一系列協(xié)議。
總結(jié)來說，CC-Link IE TSN網(wǎng)絡(luò)即是基于 OSI 參考模型（見下圖）的第 2 層的 TSN 技術(shù)，在第 3 ~ 7 層，由 CC-Link IE TSN 獨(dú)立的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議構(gòu)成。
OSI模型
鑒于TSN網(wǎng)絡(luò)具有與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的兼容性，CC-Link IE TSN也具有卓越的兼容性，還可以使用基于 TCP/IP、UDP/IP 的 SNMP、HTTP 和 FTP 等標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議。這樣通用的以太網(wǎng)診斷工具可以直接用于網(wǎng)絡(luò)診斷，提高了網(wǎng)絡(luò)管理的靈活性。
