用户中心

资讯 > 技术文章

时间敏感网络(TSN)的最新进展(2023)

来源:控制工程网2023.01.12阅读 2362


本文图片来源 :Interstates

  TSN是工业4.0的关键组成部分。利用TSN的准确性和一致性CONTROL ENGINEERING China版权所有,可以实现更广泛的功能和用途。
  对于大多数以太网技术应用,如果所有组件都正常工作,则数据从 A 点到 B 点遍历网络所需的时间或延迟,在现代网络部署中通常都不是问题。在流媒体传输、下载文件或甚至玩在线视频游戏时,延迟 5 毫秒或接收到无序传输数据包所造成的差异,往往不会被用户注意到。
  然而在需要分布式组件紧密耦合的系统中,如科学计算、高频股票交易系统或生产线运营中,几个毫秒都很重要CONTROL ENGINEERING China版权所有,不能有任何遗漏或失序的数据传输发生。为了满足此类的需求,IEEE 成立了一个工作组来研究时间敏感型网络(TSN)。
  传统的以太网传输可以被认为是尽力而为:发送方以切片形式传输数据,接收方将切片重新组合成原始数据。如果切片丢失或无序到达www.cechina.cn,接收器知道如何重新请求切片副本或将其放入正确的顺序。重新发送和无序组装的这些活动需要时间CONTROL ENGINEERING China版权所有,并且可能在具有可用数据的接收系统中产生延迟。
  工业网络设备供应商知道传统以太网的这些限制,并创建了专有通信协议,如 EtherCAT 和 Profinet 等来解决这些限制。虽然这些实施方案很好地扩展了以太网的功能,以满足制造业的需求,但组件和设备需要满足相关的行业标准规范以便于集成。
  TSN :同步、服务质量和调度
  IEEE 802.1 任务组开发了具有几个特定目标的 TSN。时钟可以实现纳秒级的时间同步,这得益于精确时间协议(IEEE 1588)。带宽预留和网络流量整形允许特定类型和分类的通信抢占其它通信,类似于在标准以太网网络上应用服务质量 (QoS)。
  由于工业通信的需求,调度和预订系统中使用的策略在设计和实现上要复杂得多。工作组正在努力使这些功能更加强大,并适应不同的通信工作负载,如汽车和安全系统。现在,有 8 个优先级值可以分配给网络通信,帮助设备根据重要性发送和接收数据。
  在通过七层 OSI 模型的框架进行分析时,TSN 带来的许多变化发生在第二层。第二层的这些变化对包括第一层在内的物理接口有一些依赖性,例如对时间戳的支持。
  由于通信的结构和发送方式存在根本性的差异,因此 TSN 需要将支持的硬件和操作系统配对。表 1 中简要概述了它对 OSI 模型的影响。与 IEC 的联合项目被称为 IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation。在 IEEE 802.1AS、802.1Q 中可以找到更多详细信息。

表1:IEEE TSN 影响 7 个 OSI 层中的 4 个。


  TSN 当前面临的挑战:硬件
  工业过程的数字化,通常也被称为“工业 4.0”,已经进行了多年。不同行业接受该概念的速度也不尽相同。通过采用和集成支持 TSN 的软件和设备,可以减少他们面临的诸多潜在挑战。对机器学习等应用至关重要的时间序列数据,要求所有为其数据打时间戳的部件都具有精确且同步的时钟,比如高速生产线,需要计时精 度达到纳秒量级。
  安全或控制系统必须具有确定的可用带宽,只有这 样才可以发送关键指令并可由下游设备可靠的接收。通过定制或专业设备引入设施的创新,必须与现有协议配合使用,以避免像以前一样局限在某个供应商。工业物联网(IIoT)的发展可以为许多不同的数据收集应用提供差异化的解决方案,实现更具成本效益的监测和数据收集,这在以前的设备或线路上是无法实现。
  要使用 TSN 功能,硬件必须支持它。与以太网通信 相关的芯片和组件必须支持内置功能,如生成时间戳。不幸的是,这意味着目前使用的许多设备不支持 TSN,需要进行升级,包括可编程逻辑控制器(PLC)通信模块、服务器、工作站和传感器。标准以太网中不存在调度和优先级功能,因此还需要新的网络代码来处理网络通信。这些特性和功能会消耗更多的处理器时间。
  因此,此类固件可能被限制在具有更多可用资源供 TSN 使用的硬件中,这将是升级硬件的另一个驱动力。要实现完整的 TSN 功能,需要支持 TSN 的网络交换机和以太网控制器,以及具有支持 TSN 的芯片组和软件的服务器或设备,如果需要从专有确定性网络进行转换,可能还需要 TSN 网关。
  IEEE 802.11 无线和 5G 网络的发展
  TSN 作为工业 4.0 的一部分,连接性是另一个考虑 因素。现在 TSN 都是通过有线实现的。如何将 TSN 功能引入到无线设备中,相关研究正在进行中,但组织不应期望在未来几年内就可以使用这些技术。该研究已经提出了在标准 IEEE 802.11 无线空间以及 5G 蜂窝网络频段中运行的概念验证产品。目前,无线设备尚无法支持 TSN 的特性或功能。在评估他们计划部署的设备和连接需求时,网络设计师或工程师应了解这些限制。此外, 还可以考虑其他技术和无线解决方案,包括 LoRaWAN 和蓝牙低功耗(BLE)等。
  TSN 的用途、优势:标准、确定性 
  支持 TSN 的设备具有很多优势,包括实现基于人工 智能和机器学习的功能,如预测性维护、机器性能指标、质量和效率模型。拥有一个能够实现高速控制、数据采集和监控功能的接口,将简化过去需要多个接口和更复杂功能才能实现的应用,从而实现更快速的开发和部署。
  作为一个 IEEE 标准,对于希望采用新通信技术和功 能的组织来说,对供应商锁定和专有协议的担忧就变得不那么重要了。支持 TSN 的网络交换机和设备可以从不同的供应商处采购。使用标准以太网布线消除了复杂性,并允许 IT 和 OT 共享支持基础设施的技术资源。由于产品是根据 IEEE 发布的标准开发的,互操作性是其主要目标,TSN 的最终用户不需要担心任何许可证、费用或其它年度成本。
  在标准网络中确定性传输数据解决方案的能力,应 能降低进入设施的解决方案的复杂性。随着调度和优先功能的增加,TSN 可能成为从传统解决方案升级的一个途径。供应商还将推出新型网关,允许时间敏感的通信协议过渡到基于 TSN 的以太网(如 SERCOS 到 TSN),使其能够享受以太网的优势CONTROL ENGINEERING China版权所有,而无需进行成本高昂的更换全部组件。
  当前通过设备级环网(DLR)、并行冗余协议(PRP)、媒体冗余协议(MRP)实现的冗余方法,可以被添加到 TSN 的附加功能所取代。虽然这些标准尚未就位,但正在讨论中,如果纳入标准,将进一步降低工业网络的复杂性和专有结构。使用这些现有技术的组织应继续了解这些领域的发展,因为它们可能会影响 5 至 7 年后项目升级的设计和技术选择。
  工业网络技术的未来发展前景令人兴奋。本文中讨 论的所有特性和功能,可能需要几年的时间才能成熟并应用到设备中。一些功能 ( 如精确时间协议 ) 已经在应用,并且已经在创造价值。TSN 是实施工业 4.0 的关键组成部分。利用 TSN 的准确性和一致性CONTROL ENGINEERING China版权所有,可以实现更广泛的功能和用途。(作者 | Alan Raveling)
  关键概念: 
  ■ 思考 TSN 如何帮助同步、服务质量和调度。
  ■ 了解 TSN 网络如何影响OSI层、硬件和无线。
  ■ 支持 TSN 的设备具有很多优势,包括实现基于人工智能和机器学习的功能。
  思考一下: 
  您的以太网通信是否满足实时通信需求?

版权声明:版权归控制工程网所有,转载请注明出处!

频道推荐

关于我们

控制工程网 & CONTROL ENGINEERING China 全球工业控制、自动化和仪器仪表领域的先锋媒体

CE全球

联系我们

商务及广告合作
任小姐(北京)                 夏小姐(上海)
电话:010-82053688      电话:18616877918
rendongxue@cechina.cn      xiashuxian@cechina.cn
新闻投稿:王小姐

关注我们的微信

关于我们 | 网站地图 | 联系我们
© 2003-2020    经营许可编号:京ICP证120335号
公安机关备案号:110102002318  服务热线:010-82053688