作者：Volker Goller，ADI系统应用工程师
工业以太网—实时以太网—在过去几年中经历了巨大的增长。虽然经典的现场总线仍大量存在，但它们已经过了巅峰期。流行的实时以太网协议扩展了以太网标准，可以满足实时功能的要求。现在，TSN为实时以太网提供了一条新的途径。
实时与通信
在工厂自动化和驱动技术的背景下，实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。为了满足这些实时要求，以太网还必须获得实时功能。
图1. 自动化中的实时通信
以太网比现场总线快得多—那又怎样?
为了满足自动化的实时要求，需要保证传输带宽和传输延迟。即使这些带宽通常非常小（每个器件几十个字节），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，经典以太网不提供延迟和带宽保证。相反，如果操作需要，以太网可以随时丢弃帧。这意味着什么？
以太网是所谓的桥接网络。帧（以太网帧）从一个点发到另一个点：从端点到交换机（网桥），从那里可能发到其他网桥，最后到达另一个端点。该架构在很大程度上具有自我配置能力。网桥在转发帧之前先完全接收帧。许多问题正是出在这里：
如果说以太网通常运行良好，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”一词在硬实时语境下是无意义的。仅仅通常满足实时条件是不够的，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/闭环控制应用始终具有优先权。
图2. ISO七层模型
以PROFINET和EtherCAT为例展示的实时扩展。
由于负责以太网标准化的IEEE并未就该问题提出解决方案，工业界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，最终解决不同的市场问题。
图3. 协议概述
PROFINET：普遍适用
通过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直接以标准以太网为基础。以太网的可能性（例如，服务质量（QoS，优先级））被用于产生实时流量优先级。这有所帮助，但QoS并不能完全解决资源和延迟问题。这就是限制软实时的原因。与网络中使用的其他协议（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的良好兼容性是该技术的明显优势。
Figure 4. PROFINET IRT
对于硬实时，PROFINET提供同步实时 (IRT) 扩展。在此，部分以太网带宽通过标准以太网硬件的扩展专门为IRT流量保留。这可以通过IRT节点中的时钟的精确同步来实现。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帧到达网络。此外，网络参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帧通过网络，几乎无周跳。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以太网通道带宽的50%。
如前所述，全长以太网帧（1552字节）在线路上大约耗时124μs。如果PROFINET IRT占用全部50%的带宽，最快的周期时间为2×124μs=248μs，舍入后为250μs。只有这样，其他协议（如HTTP）才能以不变的形式与其共存。
由于PROFINET 2.3可用于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：以太网现场总线
在EtherCAT的开发过程中，开始时还有其他要求。EtherCAT是基于物理以太网（即第1层）的现场总线。甚至第2层也针对现场总线应用和高吞吐量应用进行了优化。EtherCAT没有经典的以太网桥，使用求和帧电报，使数据传输特别高效。EtherCAT每个周期发送一帧，与普通以太网不同；在后者中，设备间通信涉及的每台设备发送单独的帧。但是，此帧包含被寻址设备的所有数据。当EtherCAT帧由设备转发时，该特定设备的数据被实时插入到该帧中并从该帧中取出。通过这种方式，可以实现极短的周期时间，最小低于31.25μs。
EtherCAT还具有时间同步功能。为了将在PC上表现不太理想的以太网接口用作EtherCAT的主设备，人们付出了大量努力。
在EtherCAT下，以太网流量（如Web或TCP/IP流量）只能以背负方式分成小部分传输；不可能在线上直接共存。
其他如何？
POWERLINK采用与EtherCAT相同的基本方法；其取得对以太网的完全控制权，并通过背负方式把IP应用传输到节点。但这是他们唯一的共同点。POWERLINK不使用求和帧协议，然而，它在实际应用中表现同样出色。
与IRT一样，SERCOS有预留带宽，但在其中使用的是求和帧协议。SERCOS允许其他协议共存。
TSN时机快到
IEEE从音频/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实时通信。这些标准的原始名称AVB2由此改称TSN（指时间敏感型网络）。有了这些标准，现在可以使用统一的确定性以太网版本。
这实际上可以简化许多问题。例如，众所周知的工业网络几乎全部针对100Mbps。然而，千兆以太网和10 Mbps以太网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—这将导致硬件开发成本和市场碎片化成本。
TSN有什么用？TSN实时
TSN扩展了以太网第2层，纳入了实时操作所需的一系列机制
鉴于现有资源，现在可以用特殊的方式组织TSN流，不再需要丢弃帧。现在，网桥将其资源用于TSN流的无损转发。
图5. 以太网帧（其中，与TSN数据流标识相关的部分以绿色表示）
尽力服务流量（标准以太网、IP、Web）用剩余资源（内存/带宽）正常传输
第二层以上发生了什么？
每个互联网以太网协议背后都有一个组织，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战略。结果，我们看到，几乎所有现有协议都有TSN，只是表现形式各异而已。继续看我们的例子：
对于PROFINET，通向TSN的途径相对较短，因为人们目前已经积累了丰富的时间感知整形经验（已经非常接近IRT），并且始终都支持行业协议与IT协议的共存。对于用户而言，很多东西都未变，因此，熟悉的环境有利于提升绩效。
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) 非常适合通过TSN以较低的开销，连通经典EtherCAT网段。
但是，该领域也有新的参与者。
有一个团体正着手定义一个全新的工业以太网协议。有人将OPC UA用作应用层。TSN被视为使该协议具有实时能力的手段。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)、软实时 (RT) 和IT协议 (TCP/IP) 的延迟/抖动幅度
越多越有用吗？在实时领域并非如此
今天，我们在工业自动化中使用的是100 Mbps以太网，千兆以太网很快就会上线。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，对于硬实时，始终都需要特殊的机制。有了TSN，它们都已标准化。
作者：Volker Goller
Volker E. Goller是ADI公司的一名系统应用工程师。他在复杂运动控制和嵌入式传感器到时间敏感型网络技术的各种工业应用领域拥有超过30年的丰富经验。作为软件开发人员，Volker开发了各种面向无线和有线应用的通信协议和堆栈，同时通过领先的工业组织活动积极参与制定新的通信标准。
文章转载自：ADI官网
