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网络通讯中的时间确定性是什么意思

来源:郑宇铭 智造商2018.07.07阅读 36489

  每当谈到网络通讯技术时CONTROL ENGINEERING China版权所有,我总是喜欢拿交通运输的基础设施来打比方,因为它们之间实在是有着太多的相似之处。这种方法,对于我们去理解网络通讯技术,尤其是关于协议机制部分的各种专业术语,其实是特别有帮助的。


  PicSource:Motor1.com


  日常出行选择交通工具时,我们往往都有过这样的体验:
  道路交通,比如:驾车、出租车...,最大的好处就是便利、灵活,而且速度也不慢。但其也有个很大的问题,就是对于路况的依赖。路况好时,的确可以很快抵达;而一旦遇到车流较大、道路拥堵...等情况,就很难说会在路上耗掉多少时间了。


  PicSource:BELDEN


  相比之下CONTROL ENGINEERING China版权所有,轨道交通尽管看上去不那么灵活,而且其列车的绝对速度也基本上不会比道路上的汽车快,但因为有着比较完善的时间管理机制,线路运行时,各相关职能部门、包括每列车辆都必须严格遵守其运营时刻表,因此乘坐轨道交通抵达目的地的时间基本上是可以保证的,虽然并不一定那么快,但消耗在路上的时间却基本上是很确定且可以预测的。


  PicSources:SF EXPRESS


  通过上面这两个交通出行的例子,我们不难看出,时间确定性的意思其实是说,能否在确定的时间范围内完成端到端的传输任务www.cechina.cn,按计划将“包裹”从网络中的一个节点递送到另一个节点。而这个“定义”对于网络通讯也是一样适用的,只不过此处的“包裹”指的是数据。


  PicSources:time lapse network


  通用以太网的机制就非常类似于道路交通系统,它给系统中每个节点都提供了极大的灵活性,但由于在协议中并没有为数据“包裹”的递送约定一个可靠的时间机制,或者说对数据的传输与交互缺乏有效的时间管理,因此基于通用以太网的通讯,并不能确保数据包在比较准确的时间范围内抵达目标节点。尽管有时它的确可以很快,但我们却不知道它什么时候会出现“晚点”的状况,并且一旦晚起来,这个时间也是完全无法估计的。


  PicSource:NI.com


  为了能让网络系统中的数据传输具备一定的时间确定性,需要在通讯协议中约定一套所有设备都必须遵守的时间管理机制,它的作用和轨交、公交、高铁、航班...等交通运输系统的运营时刻表是一样的,就是从递送与传输的规则上确保数据包裹能够在规定的时间范围内抵达目标设备。


  PicSource:BELDEN


  当然,这个时间管理机制的最终落地实施,是可以通过对通讯数据在连接与传输方式上的选择,或者交互策略与规则的设定来实现的,这基本上也就决定了各种不同类型的网络通讯协议之间的差异。


EtherCAT | EtherNet/IP
Powerlink | ProfiNet


  例如:EtherCAT 技术采用了“数据列车”的通讯方式;ProfiNet IRT 在每个数据周期中CONTROL ENGINEERING China版权所有,单独划出了一个同步通讯时段,专门用于实时数据的传输;POWERLINK 通过单一主站为每个从站分配了固定的时间槽,并采用轮询机制来实现数据的实时交换;而 EtherNet/IP 则是在通用以太网协议基础上,增加了一套“消费者 / 生产者” ( Producer / Consumer )的数据交互机制。


  PicSource:Wind River Blog


  不过,无论这些不同类型的协议在各自的时间管理机制上采用了怎样的方法和策略,要能够在数据通讯过程中真正做到传输时间的确定性,还有一个非常重要的前提,就是接入系统的各台设备都必须使用同一个参考时钟。道理很简单,就是为了让它们的运行交互基于一个统一的时间标准,避免因计时偏差而造成数据延迟,其作用和“北京时间”或者“格林威治时间”是一样的。


  PicSource:EtherCAT | XFC


  这个统一时钟的机制,通常也是要在通讯协议中事先定义好的。一般的做法就是以网络系统中一台设备(通常是主站)的时钟作为主时钟,然后让其他设备定期与主时钟对时,从而实现它们与主站设备之间的时钟同步。这个时钟同步的精度,其实是评价网络性能的一个非常重要的量化指标。


  PicSource:AVnu Alliance


  不同类型的数据应用,对于传输时间确定性的要求,是会有一定差异的。一般来说,信息管理和监控层面的数据,例如:报警、图表...等展示类信息,对时间确定性的敏感度相对较低,能达到秒一级的实时性基本上就足够了。而如果将数字通信应用于物理层面的设备控制和数据采集,那就非常取决于应用对象的动态特性了。比如:温度、压力...等流程类控制应用,这个要求就相对比较宽松,因为这些应用的值本身变化速度并不快,充其量也就是毫秒级的响应需求;但对于大部分传动/运动控制应用来说,达到毫秒甚至是微秒级的动态响应是最起码的,在这种情况下,自然也就给数据通讯的实时性和时间确定性提出了极高的要求。


  PicSource:Kompasiana.com


  需要注意的是,网络通讯的时间确定性与传输速率、数据带宽其实说的是不同的概念。时间确定性强调的是,数据的收发传输时间是可以得到保证的;通讯速率说的是其数据传输能够达到的速度,类似于车辆的标称速度或者道路的限速;而带宽则是指同一时段承载数据的总量,相当于道路宽度或车道数量。速率和带宽的确能够通过提供更多的网络资源而在一定程度上缓解由数据拥堵而带来的通讯延迟,但却并不能从根本上规避这种风险的存在,就好比再宽的高速公路也有可能会堵车一样。


  PicSource:EtherCAT


  上一代 SERCOS 总线只有 8~16M 的通讯速率,就已经能够为运动控制系统提供极为可靠的通讯连接了,就是基于其协议中所约定的时钟同步机制;同样 EtherCAT 技术在运控领域的普及,也不是说它有多么高的速率和带宽,而是凭借其“数据列车”的通讯机制。


  PicSource:Rockwell Automation


  早年由于通用以太网技术无法满足工业通讯对于时间确定性的迫切需求www.cechina.cn,使得业内厂商们不得不基于自身的产品和技术体系,设计和规划了各种不同类型的总线通讯协议,从而在各自的“生态圈”内部实现了数据交互的实时性和时间确定性。


  PicSource:Festo


  而如今,随着各种网络系统的不断扩张,它们已经开始在相互之间的边界处产生了各种接触、交互,甚至跨越和融合,此时就需要有一种能够为跨系统数据互操作提供时间确定性保障的兼容性网络通讯技术。
  这其实就是 TSN 了...

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