時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )：為具有多種網(wǎng)絡(luò )流量的IIoT環(huán)境配置的解決方案

　　設想一下當您在一個(gè)工廠(chǎng)里面，周?chē)臋C械、輸送系統和工件不斷地相互通信，以提升自動(dòng)化、靈活性和效率。像這樣的智能工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境場(chǎng)景可能聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)科幻，實(shí)際上它的第一步，即互聯(lián)工廠(chǎng)，正在迅速成為常態(tài)。

　　在我們熟知的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）中，每個(gè)應用場(chǎng)景都有賴(lài)于輔助通信網(wǎng)絡(luò )在可靠和可預先計算的時(shí)間框架內向目標發(fā)送信息并接收其響應的能力。隨著(zhù)越來(lái)越多的企業(yè)采用聯(lián)網(wǎng)設備并依賴(lài)智能化的工廠(chǎng)場(chǎng)景，連接的問(wèn)題（工廠(chǎng)運動(dòng)部件之間的物理碰撞）和網(wǎng)絡(luò )傳輸延遲的可能性將會(huì )增大。在運動(dòng)控制場(chǎng)景中，即使設備之間數據信號的延遲僅為一毫秒，也會(huì )對生產(chǎn)線(xiàn)造成嚴重的破壞，給企業(yè)造成數百萬(wàn)美元的損失。

　　由豐富的數據流帶來(lái)的新的挑戰

　　速度、實(shí)時(shí)的通信和真正的確定性對于當今工業(yè)應用的成功至關(guān)重要。隨著(zhù)IIoT的興起和相應的數據涌入，我們發(fā)現流量和帶寬問(wèn)題變得越來(lái)越突出。自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )在一定程度上始終存在著(zhù)實(shí)時(shí)的要求，但是隨著(zhù)現場(chǎng)層面接入的傳感器越來(lái)越多，可用帶寬和不同流量類(lèi)型共存成為工廠(chǎng)骨干網(wǎng)絡(luò )上行信道的一個(gè)重要問(wèn)題。當時(shí)間關(guān)鍵型流量和后臺流量共享相同的網(wǎng)絡(luò )基礎設施時(shí)，標準以太網(wǎng)就無(wú)法提供可靠的實(shí)時(shí)保證。

　　電氣和電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE）目前正在參與開(kāi)發(fā)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN），它是一種新穎的技術(shù)，旨在通過(guò)容錯機制以及時(shí)間關(guān)鍵型流量和背景流量的共存方法，提高標準以太網(wǎng)的可靠性。

　　TSN可為標準IEEE 802.1和802.3以太網(wǎng)提供全新水平的確定性。在IIoT應用中工作的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )設計人員能夠更加簡(jiǎn)便地擴展工藝流程，更好地提供實(shí)時(shí)的信息，并且能夠傳輸和充分利用其以太網(wǎng)的可用帶寬，而不用擔心時(shí)間關(guān)鍵型通信出現中斷情況。

　　TSN尋根問(wèn)底：網(wǎng)絡(luò )設計人員必須掌握的情況

　　TSN包含一系列的標準和機制，能夠滿(mǎn)足確定性數據傳輸的各種要求。我們必須通過(guò)一種標準的配置方式，在網(wǎng)絡(luò )及各種網(wǎng)絡(luò )設備上實(shí)施這些不同的機制。

　　IEEE提出了三種不同的TSN配置模式，目前均處于標準化的過(guò)程中。每一種模式在網(wǎng)絡(luò )基礎設施要求的傳達和處理方面有著(zhù)細微的差別：

　　?集中模式：在邏輯化的集中配置情況下，送話(huà)器和受話(huà)器通過(guò)直接的端到端連接進(jìn)行通信。集中網(wǎng)絡(luò )配置（CNC）基于網(wǎng)絡(luò )拓撲上的信息和已分配的預留資源計算新數據流的時(shí)隙，然后對有關(guān)的網(wǎng)絡(luò )參與者進(jìn)行相應的配置。

　　?分散模式：與集中模式全然不同的是，分散模式通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分發(fā)終端設備要求。TSN機制的常見(jiàn)配置基于每臺設備的本地信息。終端設備向第一臺網(wǎng)絡(luò )設備（交換機）提交其要求，然后通過(guò)該設備將信息分發(fā)至網(wǎng)絡(luò )的其余部分。

　　?混合模式：這種模式將集中模式和分散模式結合在一起，并保留了終端設備向第一臺以太網(wǎng)交換機提交要求的概念。實(shí)際的TSN配置以集中的方式進(jìn)行，因為第一臺交換機可將要求轉發(fā)至CNC。這種方法的優(yōu)勢在于，終端設備只需要支持單一的配置協(xié)議，而網(wǎng)絡(luò )能夠以集中或分散的方式進(jìn)行管理。

　　這三種模式的共同之處在于自動(dòng)化的配置，它可以確保TSN網(wǎng)絡(luò )的處理能夠保持可管理性。

　　基本的TSN配置過(guò)程：它是什么樣子的

　　要想配置網(wǎng)絡(luò )，就必須確定并激活必要的TSN機制。發(fā)送設備或“送話(huà)器”公布它所希望發(fā)送的數據流的有關(guān)信息，其中包括各種識別特征，例如：流組播媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）地址和服務(wù)類(lèi)型優(yōu)先級。稱(chēng)為“受話(huà)器”的終端設備若對數據流感興趣，便可在上述信息的幫助下，注冊并接收該數據流的相關(guān)數據包。需要配置哪些TSN機制取決于有待發(fā)送的數據流的要求，以及傳輸路徑上所有以太網(wǎng)交換機的功能。

　　TSN的組件：設計人員需要什么才能夠打造出一個(gè)成功的網(wǎng)絡(luò )

　　TSN為基于以太網(wǎng)的數據通信增添了一定水平的確定性，甚至能夠滿(mǎn)足現代控制網(wǎng)絡(luò )的最高要求。TSN擁有各種強大的組件，正是它們使得TSN能夠在工業(yè)應用中大獲成功：

　　1.時(shí)間感知調度器：根據IEEE 802.1Qbv的要求，TSN的核心組件之一“時(shí)間感知調度器（TAS）”引入了一種可能性，即基于服務(wù)類(lèi)型（CoS）優(yōu)先級和傳輸時(shí)間來(lái)調度常規以太網(wǎng)幀的數據傳輸。它可以保證在界定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數據的轉發(fā)和交付。

　　TAS將時(shí)間分成等長(cháng)的離散片段，稱(chēng)為周期，這樣就能夠按照實(shí)時(shí)的要求為數據包的傳輸提供專(zhuān)門(mén)的時(shí)隙。

　　2.盡力而為（Best Effort）以太網(wǎng)流量：在TAS的輔助下，我們可以暫時(shí)中斷常規盡力而為以太網(wǎng)流量的傳輸，以便在為高優(yōu)先級流量保留的時(shí)隙內轉發(fā)時(shí)間敏感型數據流量。TAS允許對常規盡力而為數據流量的周期性實(shí)時(shí)數據進(jìn)行優(yōu)先級排序，以便只有實(shí)時(shí)數據包才能夠在為高優(yōu)先級流量保留的時(shí)隙內訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )媒體。

　　TAS利用以太網(wǎng)報頭的虛擬局域網(wǎng)標簽中的服務(wù)類(lèi)型優(yōu)先級來(lái)區分高優(yōu)先級流量和后臺流量。

　　3.門(mén)控列表：門(mén)控列表確定在周期內的特定時(shí)間點(diǎn)允許發(fā)送哪個(gè)流量隊列。該組件可以顯示特定條目將處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間長(cháng)度，它是TAS的重要組成部分，可以在每臺網(wǎng)絡(luò )設備的每個(gè)端口上進(jìn)行配置。

　　4.隱式保護帶：該保護帶與TAS一起引入，它能夠在傳輸門(mén)關(guān)閉之前將數據包的傳輸抑制最大尺寸以太網(wǎng)幀的持續時(shí)間，并防止傳輸可能侵入后續時(shí)隙從而破壞實(shí)時(shí)保證的盡力而為以太網(wǎng)幀。當使用存儲—轉發(fā)切換功能時(shí)，我們可以先考慮準備傳輸的數據包的長(cháng)度，然后再決定是否在傳輸門(mén)關(guān)閉之前開(kāi)始發(fā)送。

　　5.精確時(shí)間協(xié)議：時(shí)間同步對于TSN網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)是一項強制性的要求。所有網(wǎng)絡(luò )設備如果沒(méi)有對時(shí)間的統一理解，TAS等調度機制就無(wú)法發(fā)揮作用，因為時(shí)隙也需要同步。TSN可以利用任何方法進(jìn)行時(shí)間同步，但是根據IEEE 1588的要求，精確時(shí)間協(xié)議是自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )分發(fā)時(shí)間的推薦解決方案。

　　6.流量整形器：流量整形器是優(yōu)先級排序機制，它允許保留最大的帶寬，以便在界定的觀(guān)察時(shí)段內傳輸時(shí)間敏感型數據。隨后，有待傳輸的數據流量由相應的流量整形器轉換成為某種類(lèi)型和形式，從而保證達到一定的延遲限制。TSN及其前身技術(shù)“音頻視頻橋接（AVB）”目前給出了三種整形器，有的已經(jīng)全面規范化，而有的正在進(jìn)行標準化：

　　?IEEE 802.1Qav—來(lái)自于A(yíng)VB技術(shù)的基于信用量的整形器（The Credit-based shaper）可以保證在觀(guān)察時(shí)段內為音頻/視頻傳輸提供最大所需帶寬，而同時(shí)傳輸的盡力而為數據流量不會(huì )發(fā)生明顯的中斷情況。不過(guò)，這種整形器無(wú)法給出精確的時(shí)間保證。

　　?IEEE P802.1Qch—循環(huán)隊列和轉發(fā)整形器（The Cyclic queuing and forwarding shaper）對傳輸的時(shí)間精度要求顯著(zhù)降低。這種流量整形器的作用是收集一個(gè)周期內通過(guò)保留帶寬接收到的數據幀，并在下一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)作為“優(yōu)先”流量發(fā)送。舉例來(lái)說(shuō)，它非常適用于過(guò)程自動(dòng)化中發(fā)生的循環(huán)數據傳輸。

　　?IEEE P802.1Qcr—異步流量整形器（The Asynchronous traffic shaper）不需要時(shí)間同步機制，因此最適合于時(shí)間同步本身所需的優(yōu)先數據包傳輸。

　　正在開(kāi)發(fā)中的其他新機制，如IEEE P802.1Qci，允許丟棄分配給錯誤時(shí)隙的數據幀。它還允許監管和丟棄使用超過(guò)其預留帶寬的實(shí)時(shí)數據流。

　　TSN：IIoT應用的未來(lái)和高效的生產(chǎn)

　　隨著(zhù)TSN的不斷發(fā)展，它必將帶來(lái)標準化的、普遍可互操作的以太網(wǎng)，這些網(wǎng)絡(luò )可以提供可計算的、有保證的端到端延遲，高度有限的延遲波動(dòng)，以及極低的丟包率。這些優(yōu)勢對于IIoT應用來(lái)說(shuō)是無(wú)價(jià)的，并且在實(shí)施實(shí)時(shí)以太網(wǎng)時(shí)能夠節約成本和保障安全。

　　有些TSN標準仍然處于標準化的過(guò)程中，而有些TSN標準（如TAS）已經(jīng)制定完成。由于IEEE802.1采用模塊化的方法，所以通過(guò)目前可用的TSN機制安裝和實(shí)施的各種網(wǎng)絡(luò )將來(lái)仍可以使用。對于在IIoT應用中工作的網(wǎng)絡(luò )設計人員來(lái)說(shuō)，重要的是了解TSN是什么以及如何實(shí)現這種網(wǎng)絡(luò )，這樣才能夠做好準備工作，以便迎接工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)，其實(shí)這個(gè)未來(lái)并不遙遠，只是許多人都還沒(méi)有意識到而已。