TSN 如何使以太网具有确定性?——Profinet over TSN 解读

　　“时间敏感网络(TSN)旨在通过设计使以太网具有确定性，并提高设备之间的同步性和整体通信功能。”

　　多年来，以太网标准一直在不断发展。在 20 世纪 70 年代，第一个版本的以太网只达到了 10Mbps 的速度。然后，快速以太网在 1995 年问世，速度达到 100Mbps。如今，千兆位以太网已经问世。

　　另外，随着以太网在大多数行业中变得无处不在，以太网组件也变得更加实惠和更容易实施。现在， 大多数网络协议支持以太网作为其通信媒介。因此，以太网网络可以采用各种各样的协议来实现应用。

　　尽管多年以来，以太网网速一直都在提高，但还存在一个关键性能问题：确定性。确定性网络按规定的延迟时间、精确地交换数据。由于以太网通信基于尽力而为原则，以太网网络中的数据交换缺乏确定性。

　　到目前为止，以太网中的确定性数据交换，只能通过专有解决方案实现，但时间敏感网络 (TSN) 旨在改变这一点。TSN 的重点是通过设计来实现以太网的确定性。

　　▎图1 ：TSN 位于 ISO/OSI 模型的第 2 层。本文 图片来源 ：PI 组织

　　什么是TSN ?

　　TSN 是指一组 IEEE 802 标准，它使以太网在默认情况下具有确定性。TSN 位 于 ISO/OSI 模型的第 2 层，并增加了一些定义来保证以太网网络中的确定性和吞吐量。以下是构成 TSN 的一些 IEEE 标准 ：

　　• 增强同步行为(IEEE 802.1AS)

　　• 暂停( 抢 占 )长帧(IEEE 802.1- 2018)

　　• 调度流量增强功能(IEEE 802.1Q- 2018)

　　• 径控制和带宽预留(IEEE 802.1Q- 2018)

　　• 无缝冗余(IEEE 802.1CB)

　　• 数据流预留(IEEE 802.1Q-2018)

　　TSN 是从行业对音频 / 视频传输的使用以及对更多设备和同步通信的需求中演变而来的。现在，网络上的设备比以往任何时候都多，更多的信息被分享和分析。

　　用于工业自动化的TSN

　　许多行业都需要确定性以太网，工业自动化就是其中之一。自动化行业一直在寻求解决方案来实现快速、确定性和稳健的通信。目前，有几种专门的解决方案可以实现此目的，例如 Profinet IRT、Sercos III 和 Varan。TSN 可以推动在整个行业中实现标准化的实时以太网。

　　随着工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 的发展，使得在不断增长的融合网络中，网络流量持续增加。这些网络需要灵活性和可扩展性，以支持小型设备和大数据服务器系统，同时确保时间关键通信的有限延迟。TSN 计划涵盖所有这些要求，它将为确定性和非确定性通信的并发应用提供标准化的机制。

　　▎图2 ：该图说明了 Profinet over TSN和基于IP的协议(如 OPC-UA)之间的互补和协调作用的示例。

　　Profinet 网络中的TSN

　　Profinet over TSN 具有融合、可扩展性和灵活性方面的优势。用户还可以继续访问所有现有的 Profinet 功能和配置文件。TSN 应用标准化的流量整理工具，以确保低延迟及必要时的确定性数据交换。

　　现有的非 TSN Profinet 设备，尽管可能无法从 TSN 中受益，但它们可以与新的基于 TSN 的 Profinet V2.4 硬件配合使用。底层 TSN 机制提供了更高的稳健性，该机制保护实时关键数据免受尽力而为的流量的影响。考虑到对数据量不断增长的需求，在未来的工业 4.0 场景中，数据必须与时间关键数据并行传输，因此保护实时关键数据是一 项必不可少的功能。

　　Profinet over TSN 设计用于控制器到设备的通信。它最多可以处理 1024 个设备，周期时间为 31.25μs。OPC-UA 还可以使用当前和未来的 TSN 标准。PI 组织致力于将 OPC-UA 应用于控制器到控制器或控制器 / 设备到云的通信。在过程自动化、工厂自动化和运动控制领域，Profinet over TSN 被PLC、远程传感器、远程 I/O、运动控制器和驱动器以及计算机数字控制器使用。

　　TSN 旨在将各种 IT 网络与 Profinet 自动化网络的稳健性和确定性相结合。简而言之，它将。Profinet 使用以下 TSN 修正 ：

　　• 时间同步 802.1 AS

　　• 调度流量增强功能 802.1 Qbv

　　• 帧抢占 802.1 Qbu

　　• 穿插高速通讯 802.3 br

　　• 帧复制和消除可靠性 802.1 CB

　　• 固定和媒体访问控制连接发现 802.1 AB

　　▎图 3 ：为了获得高精度， 必须减少测量线路和交换机 中的延迟。

　　Profinet over TSN 的 5 个原则

　　1数据流：通过网络路由

　　当网络中的两个节点希望通过 Profinet over TSN 进行通信时，就会定义数据流。数据流描述从“发送方”到“接收方”的网络路径。数据流必须在路由上的所有交换机中注册。数据流由目标 MAC 地址和用于优先级的虚拟局域网 (VLAN) 标记来定义。

　　2时间同步：精确时钟

　　时间同步对于实现确定性至关重要。TSN 域中的所有设备都在一个共同的时间基础上同步。“工作时钟”是 TSN 域内调度流量和同步应用的控制时间参考。“通用时钟” 还可用作系统和工厂范围内的任务参考，例如按时间顺序记录事件。

　　3调度流量：根据时间表进行通信

　　Profinet IRT 调度所有同步流量。它创 建一个定义好的时间表，其中包含节点之间的所有传输和转发时间。IRT 机制是有效的，但在融合网络中，调度会变得非常复杂。因此，Profinet over TSN 不采用调度机制。它使用时间感知整形器(TAS)的概念。时间调度为帧的传输创建了一个重复的时隙模式(网络周期时间)。为了确保可用性，高优先级的帧有一个持续活跃的队列。此外，保护带可防止帧进入下一周期时间。

　　4帧抢占：RT 中断 TCP/IP

　　帧抢占与保护带一起起着关键作用。所有实时帧都会在最优的 TCP/IP 帧之前进行排序。最优的流量从不延迟实时数据交换。此外，TCP/IP 帧被拆分和重新组装，以最大限度地利用带宽。

　　5无缝介质冗余

　　在设备或链路发生故障时，冗余可确保继续传输。网络设计者可以使用冗余数据流来创建设备之间的冗余网络路径。即使在设备或链路出现故障后，冗余数据流也可确保时间关键型通信的无缝衔接。

　　配置 TSN 域遵循即插即用概念，并使用 Profinet 工程工具。TSN 域特性(数据流路径、VLAN 等)由网络管理引擎 (NME) 设置和维护。NME 将成为支持 TSN 的 Profinet 控制器的一部分。它负责拓扑获取、路径规划和网络配置。首先，用户在工程工具中设置特定的基于策略的网络配置。然后，NME 使用这些规则来不断地创建和塑造 TSN 域。