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(shè)想一下當(dāng)您在一個(gè)工廠里面，周圍的機(jī)械、輸送系統(tǒng)和工件不斷地相互通信，以提升自動化、靈活性和效率。像這樣的智能工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境場景可能聽起來有點(diǎn)科幻，實(shí)際上它的第一步，即互聯(lián)工廠，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(yīng)用場景都有賴于輔助通信網(wǎng)絡(luò)在可靠和可預(yù)先計(jì)算的時(shí)間框架內(nèi)向目標(biāo)發(fā)送信息并接收其響應(yīng)的能力。隨著越來越多的企業(yè)采用聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并依賴智能化的工廠場景，連接的問題（工廠運(yùn)動部件之間的物理碰撞）和網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的可能性將會增大。在運(yùn)動控制場景中，即使設(shè)備之間數(shù)據(jù)信號的延遲僅為一毫秒，也會對生產(chǎn)線造成嚴(yán)重的破壞，給企業(yè)造成數(shù)百萬美元的損失。

　　由豐富的數(shù)據(jù)流帶來的新的挑戰(zhàn)

　　速度、實(shí)時(shí)的通信和真正的確定性對于當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用的成功至關(guān)重要。隨著IIoT的興起和相應(yīng)的數(shù)據(jù)涌入，我們發(fā)現(xiàn)流量和帶寬問題變得越來越突出。自動化網(wǎng)絡(luò)在一定程度上始終存在著實(shí)時(shí)的要求，但是隨著現(xiàn)場層面接入的傳感器越來越多，可用帶寬和不同流量類型共存成為工廠骨干網(wǎng)絡(luò)上行信道的一個(gè)重要問題。當(dāng)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(chǔ)設(shè)施時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)就無法提供可靠的實(shí)時(shí)保證。

　　電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）目前正在參與開發(fā)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN），它是一種新穎的技術(shù)，旨在通過容錯(cuò)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的可靠性。

　　TSN可為標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.1和802.3以太網(wǎng)提供全新水平的確定性。在IIoT應(yīng)用中工作的自動化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員能夠更加簡便地?cái)U(kuò)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(dān)心時(shí)間關(guān)鍵型通信出現(xiàn)中斷情況。

　　TSN尋根問底：網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員必須掌握的情況

　　TSN包含一系列的標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制，能夠滿足確定性數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N要求。我們必須通過一種標(biāo)準(zhǔn)的配置方式，在網(wǎng)絡(luò)及各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上實(shí)施這些不同的機(jī)制。

　　IEEE提出了三種不同的TSN配置模式，目前均處于標(biāo)準(zhǔn)化的過程中。每一種模式在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施要求的傳達(dá)和處理方面有著細(xì)微的差別：

　　?集中模式：在邏輯化的集中配置情況下，送話器和受話器通過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?fù)渖系男畔⒑鸵逊峙涞念A(yù)留資源計(jì)算新數(shù)據(jù)流的時(shí)隙，然后對有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參與者進(jìn)行相應(yīng)的配置。

　　?分散模式：與集中模式全然不同的是，分散模式通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)終端設(shè)備要求。TSN機(jī)制的常見配置基于每臺設(shè)備的本地信息。終端設(shè)備向第一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)）提交其要求，然后通過該設(shè)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(jié)合在一起，并保留了終端設(shè)備向第一臺以太網(wǎng)交換機(jī)提交要求的概念。實(shí)際的TSN配置以集中的方式進(jìn)行，因?yàn)榈谝慌_交換機(jī)可將要求轉(zhuǎn)發(fā)至CNC。這種方法的優(yōu)勢在于，終端設(shè)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(jī)制。發(fā)送設(shè)備或“送話器”公布它所希望發(fā)送的數(shù)據(jù)流的有關(guān)信息，其中包括各種識別特征，例如：流組播媒體訪問控制（MAC）地址和服務(wù)類型優(yōu)先級。稱為“受話器”的終端設(shè)備若對數(shù)據(jù)流感興趣，便可在上述信息的幫助下，注冊并接收該數(shù)據(jù)流的相關(guān)數(shù)據(jù)包。需要配置哪些TSN機(jī)制取決于有待發(fā)送的數(shù)據(jù)流的要求，以及傳輸路徑上所有以太網(wǎng)交換機(jī)的功能。

　　TSN的組件：設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)通信增添了一定水平的確定性，甚至能夠滿足現(xiàn)代控制網(wǎng)絡(luò)的最高要求。TSN擁有各種強(qiáng)大的組件，正是它們使得TSN能夠在工業(yè)應(yīng)用中大獲成功：

　　1.時(shí)間感知調(diào)度器：根據(jù)IEEE 802.1Qbv的要求，TSN的核心組件之一“時(shí)間感知調(diào)度器（TAS）”引入了一種可能性，即基于服務(wù)類型（CoS）優(yōu)先級和傳輸時(shí)間來調(diào)度常規(guī)以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)傳輸。它可以保證在界定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和交付。

　　TAS將時(shí)間分成等長的離散片段，稱為周期，這樣就能夠按照實(shí)時(shí)的要求為數(shù)據(jù)包的傳輸提供專門的時(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(guī)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(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)流量。TAS允許對常規(guī)盡力而為數(shù)據(jù)流量的周期性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級排序，以便只有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包才能夠在為高優(yōu)先級流量保留的時(shí)隙內(nèi)訪問網(wǎng)絡(luò)媒體。

　　TAS利用以太網(wǎng)報(bào)頭的虛擬局域網(wǎng)標(biāo)簽中的服務(wù)類型優(yōu)先級來區(qū)分高優(yōu)先級流量和后臺流量。

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

　　4.隱式保護(hù)帶：該保護(hù)帶與TAS一起引入，它能夠在傳輸門關(guān)閉之前將數(shù)據(jù)包的傳輸抑制最大尺寸以太網(wǎng)幀的持續(xù)時(shí)間，并防止傳輸可能侵入后續(xù)時(shí)隙從而破壞實(shí)時(shí)保證的盡力而為以太網(wǎng)幀。當(dāng)使用存儲—轉(zhuǎn)發(fā)切換功能時(shí)，我們可以先考慮準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的長度，然后再決定是否在傳輸門關(guān)閉之前開始發(fā)送。

　　5.精確時(shí)間協(xié)議：時(shí)間同步對于TSN網(wǎng)絡(luò)來說是一項(xiàng)強(qiáng)制性的要求。所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如果沒有對時(shí)間的統(tǒng)一理解，TAS等調(diào)度機(jī)制就無法發(fā)揮作用，因?yàn)闀r(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(jù)IEEE 1588的要求，精確時(shí)間協(xié)議是自動化網(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(jī)制，它允許保留最大的帶寬，以便在界定的觀察時(shí)段內(nèi)傳輸時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)。隨后，有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量由相應(yīng)的流量整形器轉(zhuǎn)換成為某種類型和形式，從而保證達(dá)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(guī)范化，而有的正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

　　?IEEE 802.1Qav—來自于AVB技術(shù)的基于信用量的整形器（The Credit-based shaper）可以保證在觀察時(shí)段內(nèi)為音頻/視頻傳輸提供最大所需帶寬，而同時(shí)傳輸?shù)谋M力而為數(shù)據(jù)流量不會發(fā)生明顯的中斷情況。不過，這種整形器無法給出精確的時(shí)間保證。

　　?IEEE P802.1Qch—循環(huán)隊(duì)列和轉(zhuǎn)發(fā)整形器（The Cyclic queuing and forwarding shaper）對傳輸?shù)臅r(shí)間精度要求顯著降低。這種流量整形器的作用是收集一個(gè)周期內(nèi)通過保留帶寬接收到的數(shù)據(jù)幀，并在下一個(gè)周期開始時(shí)作為“優(yōu)先”流量發(fā)送。舉例來說，它非常適用于過程自動化中發(fā)生的循環(huán)數(shù)據(jù)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(jī)制，因此最適合于時(shí)間同步本身所需的優(yōu)先數(shù)據(jù)包傳輸。

　　正在開發(fā)中的其他新機(jī)制，如IEEE P802.1Qci，允許丟棄分配給錯(cuò)誤時(shí)隙的數(shù)據(jù)幀。它還允許監(jiān)管和丟棄使用超過其預(yù)留帶寬的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。

　　TSN：IIoT應(yīng)用的未來和高效的生產(chǎn)

　　隨著TSN的不斷發(fā)展，它必將帶來標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算的、有保證的端到端延遲，高度有限的延遲波動，以及極低的丟包率。這些優(yōu)勢對于IIoT應(yīng)用來說是無價(jià)的，并且在實(shí)施實(shí)時(shí)以太網(wǎng)時(shí)能夠節(jié)約成本和保障安全。

　　有些TSN標(biāo)準(zhǔn)仍然處于標(biāo)準(zhǔn)化的過程中，而有些TSN標(biāo)準(zhǔn)（如TAS）已經(jīng)制定完成。由于IEEE802.1采用模塊化的方法，所以通過目前可用的TSN機(jī)制安裝和實(shí)施的各種網(wǎng)絡(luò)將來仍可以使用。對于在IIoT應(yīng)用中工作的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員來說，重要的是了解TSN是什么以及如何實(shí)現(xiàn)這種網(wǎng)絡(luò)，這樣才能夠做好準(zhǔn)備工作，以便迎接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的未來，其實(shí)這個(gè)未來并不遙遠(yuǎn)，只是許多人都還沒有意識到而已。