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深入了解即时乙太网路
[作者 Volker Goller]   2020年06月02日 星期二 浏览人次: [2994]

为了满足自动化的即时要求,需要保证传输频宽和传输延迟。即使这些频宽通常非常小,该传输通道必须在每个I/O周期中可用,且达到延迟要求。乙太网路是所谓的桥接网路。该架构在很大程度上具有自我配置能力。


工业乙太网路即时乙太网路在过去几年中经历了大幅的成长。虽然经典的现场汇流排仍大量存在,但它们已经过了巅峰期。风行的即时乙太网路协定扩展了乙太网路标准,可以满足即时功能的要求。现在,TSN为即时乙太网路提供了一条新的途径。


即时与通讯

在工厂自动化和驱动技术的背景下,即时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下,最低至微秒。为了满足这些即时要求,乙太网路还必须获得即时功能。


乙太网路比现场汇流排快得多那又如何?

为了满足自动化的即时要求,需要保证传输频宽和传输延迟。即使这些频宽通常非常小(每个元件几十个位元组),该传输通道必须在每个I/O周期中可用,且达到延迟要求。但是,经典乙太网路不提供延迟和频宽保证。相反的,如果操作需要,乙太网路可以随时丢弃帧。这意味着什麽?


乙太网路是所谓的桥接网路。帧(乙太网路帧)从一个点发到另一个点:从端点到交换机(桥接器),从那里可能发到其他桥接器,最後到达另一个端点。该架构在很大程度上具有自我配置能力。桥接器在转发帧之前先完全接收帧。许多问题正是出在这里:


? 如果在峰值时间储存的帧数多於桥接器缓冲记忆体可以容纳的帧数,则丢弃新传入的帧。


? 由於帧长不同,因此其延迟时间为其长度的函数。这会导致延迟波动(抖动)。


? 由於交换机应通过其发送帧的埠可能已经被其他帧完全占用,所以会导致额外的延迟。发送大型乙太网路帧(1522位元组)在100 Mbps速率下大约耗时124 μs。


如果乙太网路通常运作良好,这种说法在某种程度上是公允的。但是,这样做,我们使用的「通常」一词在硬即时情境下是无意义的。仅仅通常满足即时条件是不够的,必须始终满足该条件。


住在化工厂或炼油厂旁边的任何人都能理解这一点。工业通讯也不公平:最重要的是,控制/闭??路控制应用始终具有优先权。



图1 : 自动化中的即时通讯。
图1 : 自动化中的即时通讯。

图2 : ISO七层模型
图2 : ISO七层模型

以PROFINET和EtherCAT为例展示的即时扩展

由於负责乙太网路标准化的IEEE并未就该问题提出解决方案,工业界因此开发了自己的解决方案再次证明了其创造力。各种解决方案都有自己的优势和劣势,最终将用以解决不同的市场问题。



图3 : 协议概述
图3 : 协议概述

PROFINET:普遍适用

透过PROFINET,可提供两种互补型解决方案。PROFINET RT是一种工厂自动化解决方案,周期时间最长为1 ms,RT直接以标准乙太网路为基础,乙太网路的可能性(例如,服务品质(QoS,优先顺序))被用於产生即时流量优先顺序。这是有所帮助的,但QoS并不能完全解决资源和延迟问题,这就是限制软即时的原因,与网路中使用的其他协定(例如HTTP、SNMP和TCP/IP)的良好相容性是该技术的明显优势。



图4 : PROFINET IRT
图4 : PROFINET IRT

对於硬即时,PROFINET提供同步即时(IRT)扩展。在此,部分乙太网路频宽透过标准乙太网路硬体的扩展专门为IRT流量保留,这可以透过IRT节点中的时脉的精准同步来加以实现;因此,可以在每个周期阻止通道(红色阶段)中的正常流量,只有红色阶段中的IRT帧到达网路。此外,网路叁与者准确地在预先计算的时间发送IRT帧,从而在红色阶段实现效率的最大化。IRT帧通过网路,几??无周跳,这样做的一个优点是它可以红色阶段的长度限制在最低限度;在红色阶段,所有其他流量都必须等待,红色相位最多可以占用乙太网路通道频宽的50%。


如前所述,全长乙太网路帧(1552位元组)线路上大约耗时124 μs。如果PROFINET IRT占用全部50%的频宽,最快的周期时间为2×124 μs =248 μs,舍入後为250 μs。只有这样,其他协议(如HTTP)才能以不变的形式与其共存。


由於PROFINET 2.3可用於IRT的优化,包括快速转发、动态帧封装和分段,因此可以实现低至31.25μs的更快周期时间。


EtherCAT:乙太网路现场汇流排

在EtherCAT的开发过程中,开始时还有其他要求。EtherCAT是基於物理乙太网路(即第1层)的现场汇流排,甚至第2层也针对现场汇流排应用和高输送量应用进行了优化。EtherCAT没有经典的乙太桥接器,使用求和帧电报,使资料传输特别高效。EtherCAT每个周期发送一帧,与普通乙太网路不同;在後者中,设备间通讯涉及的每台设备发送单独的帧,但是此帧包含被定址设备的所有资料。当EtherCAT帧由设备转发时,该特定设备的资料被即时??入到该帧中并从该帧中取出,透过这种方式,可以实现极短的周期时间,最小低於31.25 μs。


EtherCAT还具有时间同步功能,为了将在PC上表现不太理想的乙太网路介面用作EtherCAT的主设备,人们付出了大量努力。


在EtherCAT下,乙太网路流量(如Web或TCP/IP流量)只能以背负方式分成小部分传输;不可能线上直接共存。


其他的呢?

POWERLINK采用与EtherCAT相同的基本方法;其取得对乙太网路的完全控制权,并透过背负方式把IP应用传输到节点。但这是他们唯一的共同点。POWERLINK不使用求和帧协定,然而它在实际应用中表现同样出色。


与IRT一样,SERCOS有预留频宽,但在其中使用的是求和帧协定,SERCOS允许其他协议共存。


TSN时机已至

IEEE从音讯/视频桥接(AVB)协议的角度研究了这个话题。在对协议进行改进时,还考虑了更具挑战性的工业即时通讯,这些标准的原始名称AVB2由此改称TSN(指时间敏感型网路),有了这些标准,现在可以使用统一的确定性乙太网路版本。


这实际上可以简化许多问题。例如,众所周知的工业网路几??全部针对100Mbps。然而千兆乙太网路和10 Mbps乙太网路如今已成为特殊应用的关注焦点。TSN标准涵盖所有速率,使用TSN,无需从头开始:如果不是TSN,所有现有标准都必须针对千兆速率进行重新定义这将导致硬体开发成本和市场碎片化成本。


TSN有什麽用?关於TSN即时

TSN扩展了乙太网路第2层,纳入了即时操作所需的一系列机制:


? 802.1AS/802.1AS-Rev考虑了网路中时脉的高精度同步问题。


? 时间感知整形器(TAS)选项使乙太网路能够在硬调度模式下运行。有了该选项,就可以在特定时间阻止/释放QoS模型的一个或多个伫列。


? 抢占(穿??快速流量)选项使长帧能够被分解成更小的部分,从而最大限度地减小优先顺序更高的帧的延迟。该选项可用於在速率超过100 Mbps时,优化TAS的保护带或替换TAS。


? 复制和消除帧以提高可靠性的选项,可用於定义通过网路的冗馀路径;如??路中。


? 使用软体定义的网路意味着帧不再透过目标节点的硬体MAC位址转发到目的地,而是透过特殊MAC地址(本地管理的多播MAC)和VLAN ID的组合转发,不再自动确定这些帧在网路中的路由方式,而是由软体进行配置。多播MAC和VLAN ID的这种组合称为流ID,具有相同流ID的所有TSN帧称为TSN流,TSN流始终只有一个寄件者,但可以有多个收件人。



图5 : 乙太网路帧(其中,与TSN资料流程标识相关的部分以绿色表示)。
图5 : 乙太网路帧(其中,与TSN资料流程标识相关的部分以绿色表示)。

有监於现有资源,现在可以用特殊的方式组织TSN流,不再需要丢弃帧。现在,桥接器将其资源用於TSN流的无损转发。


尽力服务流量(标准乙太网路、IP、Web)用剩馀资源(记忆体/频宽)正常传输。


第二层以上发生了什麽?

每个互联网乙太网路协定背後都有一个组织,是它推动着各自协议的标准化和普及,这些组织中的每一个都制定了TSN策略。结果是,如同我们所见,几??所有现有协议都有TSN,只是表现形式各异而已。可见下列的举例:


对於PROFINET,通向TSN的途径相对较短,因为人们目前已经累积了丰富的时间感知整形经验(已经非常接近IRT),并且始终都支援业界协定与IT协定的共存。对於用户而言,很多东西都没有改变,因此,熟悉的环境将有利於提升绩效。


EtherCAT和类似的SERCOS将使TSN获得现场层次以上的运用能力。例如,EtherCAT自动化协议(EAP)非常适合透过TSN以较低的开销,连通经典EtherCAT网段。


但是,该领域也有新的叁与者。


有一个团体正着手定义一个全新的工业乙太网路协定,有人将OPC UA用作应用层,TSN被视为使该协议具有即时能力的手段。但是,这里还有大量的工作要做。传输需要新的OPC UA传输层(即所谓的OPC UA PUB/SUB协议)。



图6 : 硬实时(IRT)、软即时(RT)和IT协议(TCP/IP)的延迟/抖动幅度。
图6 : 硬实时(IRT)、软即时(RT)和IT协议(TCP/IP)的延迟/抖动幅度。

越多越有用吗?在即时领域并非如此

今天,我们在工业自动化中使用的是100 Mbps乙太网路,千兆乙太网路很快就会上线。但是,更高的速度并不意味着延迟能得到保障,传输能得到保障。因此,对於硬实时,始终都需要特殊的机制。有了TSN,它们业已标准化。


(本文作者Volker Goller为ADI系统应用工程师)


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