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原创深度:时效性网络(TSN)让工业控制如虎添翼(一)

2019-08-14
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确定性是工业连接设计中的一个重要考量因素。工业控制和自动化应用需要以特定的时间间隔发送和接收数据,另外还需要以非常低的延迟提供有保证的数据。数据丢失(例如在关键的喷气推进系统中)会导致非常危险的后果。

IEEE 802.1 Ethernet是一种广泛部署的企业网络标准,其设计初衷并非为了满足工业应用的这种确定性要求。为实现确定性,工业连接器、电缆和控制器中仍然使用以太网的专属增强标准,如EtherCAT、PROFINET或SERCOS III,其结果是导致工业网络的标准混乱,各个部分无法互相通信。由于缺乏安全性和互操作性,这种四分五裂的网络在工业控制网络与工业物联网(IIoT)和工业4.0应用集成的过程中就成为了瓶颈。

随着IEEE 802.1 Ethernet标准的发展,时效性网络(TSN - Time-Sensitive Networking)的出现终于解决了这个问题。除了具有标准以太网的优点外,TSN还可以通过非常低的延迟和抖动来实现确定性。这就为聚合企业与工厂连接提供了可能性,也是工业企业接受IIoT的一个重要原因。

时效性网络标准


在过去的几年间,IEEE的TSN任务组为现有802.1标准增加了一系列扩展,以在传输数据包时严格遵守企业互联网上时间敏感流量的延迟和吞吐量要求,将其配置为适合特定的使用情况。

这些标准规定了时间敏感型流量(time-sensitive traffic)和最大传输流量(best-effort traffic)的优先级准则,为各种流量类型定义了八个VLAN优先级。系统会为每个端到端数据包流分配这八个VLAN优先级中的一个。最高VLAN优先级通常分配给时间敏感型流量。

例如,汽车的安全数据(如车道偏离警告)和发动机定时相关数据需要有保证的低延迟。而对于导航和信息娱乐流量,这个要求就宽松得多。在这种情况下,TSN很有用,因为它可以在不违反时效要求的情况下,用一根以太网电缆传输所有数据流,减少在车上为各种流量类型安装多条电缆的成本、重量和人力。

下图显示了针对TSN增强的标准套件。图中列出了TSN的时间同步、按计划交付和软件定义配置等功能的关键能力标准。

 针对时效性网络增强的IEEE802.1标准套件(资料来源:Practical Industrial Internet of Things Security)
时间同步


IEEE 802.1AS规定了TSN中的时间同步,这有助于建立通信设备之间通用的时间概念。IEEE 1588精确时间同步协议(PTP - Precision Time Protocol)标准用于在网络中的设备和交换机之间分配精确的基准时间。IEEE 1588ASrev为TSN提供IEEE 1588配置文件。此标准还允许使用外部参考(如GPS)来同步时间。TSN的先导测试(Pilot test)报告其时间同步精度低于100纳秒。

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作者简介
Sravani Bhattacharjee是一名数据通信技术专家,有着20多年的从业经历。她是《Practical Industrial IoT Security》(工业物联网安全)一书的作者,这是第一本有关工业物联网安全的出版书。Sravani曾担任Cisco的技术主管直到2014年,在此期间领导主持了多个企业云/数据中心解决方案的架构设计和安全评估工作。作为Irecamedia.com公司的负责人,她目前致力于与工业物联网创新力量合作,通过撰写各种评论和技术营销内容,来推动相关认识和商业决策的进步。Sravani拥有电子工程专业硕士学位。她是一名IEEE物联网小组成员,一位作者,还是一位演说家。

原文链接:

https://www.mouser.cn/blog/blog/time-sensitive-networking-bolsters-industrial-control


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