过去几年，工业以太网-实时以太网经历了巨大的增长。虽然经典的现场总线仍然很多，但它们已经达到了顶峰。流行的实时以太协议扩大了以太标准，以满足实时功能的要求。TSN为实时以太网提供了新的途径。

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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应安全可靠地达到10毫秒以下，最低至微秒。以太网还必须获得实时功能，以满足这些实时要求。

以太网比现场总线快多了-那又怎样？

为了满足自动化的实时要求，有必要确保传输带宽和传输延迟。即使这些带宽通常很小（每个设备有几十个字节），传输通道也必须在每个字节中I/O可在周期内使用，并满足延迟要求。

然而，经典的以太网不提供延迟和带宽保证。相反，如果需要操作，以太网可以随时丢弃帧。这是什么意思？

以太网是所谓的桥接网络。帧（以太网帧）从一个点发送到另一个点：从端点到交换机（网络桥），从那里到其他网络桥，最后到另一个端点。该架构在很大程度上具有自我配置能力。网络桥在转发帧之前完全接收帧。这里有很多问题：

?若在峰值时间存储的帧数超过网桥缓冲存储器所能容纳的帧数，则丢弃新引入的帧数。

?由于帧长不同，其延迟时间是其长度的函数。这会导致延迟波动（抖动）。

?由于交换机应通过其发送帧的端口可能被其他帧完全占用，因此会导致额外的延迟。100发送大型以太网帧（1522字节） Mbps大约需要1244的速度μs。

如果以太网通常运行良好，这在某种程度上是公平的。然而，我们使用的通常一词在硬实时的背景下毫无意义。仅仅满足实时条件是不够的，而且必须始终满足这些条件。

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1.自动化中的实时通信。

图3.协议概述。

全长以太网帧(1552字节)在线路上大约需要124个时间μs。如果PROFINET IRT占总带宽的50%，最快周期为2×124μs=248μs，舍入后为250μs。只有这样，其他协议(如HTTP）以不变的形式与之共存。

由于PROFINET 2.3可用于IRT包括快速转发、动态帧包装和分段，因此可以实现低至31.25μs更快的周期时间。

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(即第一层)的现场总线。甚至第二层也优化了现场总线应用和高吞吐量应用。EtherCAT没有经典的以太网桥，使用求和帧电报，使数据传输特别有效。EtherCAT每个周期发送一帧，不同于普通以太网；在后者中，设备间通信涉及的每个设备发送单独的帧。然而，该帧包含了所有被搜索设备的数据。当EtherCAT帧由设备转发时，特定设备的数据实时插入帧并从帧中取出。通过这种方式，可以实现极短的周期时间，至少31.25μs。

EtherCAT还具有时间同步功能。它将在那里PC以太网接口被用作性能不理想的以太网接口EtherCAT人们为主要设备付出了很大的努力。

在EtherCAT以太网流量(如Web或TCP/IP流量)只能以背负的方式分为小部分传输；网上不可能直接共存。

其他如何？

POWERLINK采用与EtherCAT同样的基本方法；它获得了完全控制以太网的权利，并通过背负来控制它IP将应用程序传输到节点。但这是他们唯一的共同点。POWERLINK不使用求和帧协议，但在实际应用中也表现出色。

与IRT一样，SERCOS有预留带宽，但采用求和帧协议。SERCOS允许其他协议共存。

TSN时机快到

IEEE从音频/视频桥接(AVB)从协议的角度研究这个话题。在改进协议时，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(指时间敏感网络)。有了这些标准，统一的确定性以太网版本现在可以使用了。

这实际上可以简化许多问题。例如，几乎所有著名的工业网络都针对100Mbps。然而，千兆以太网和10 Mbps如今，以太网已成为特殊应用的焦点。TSN标准涵盖所有速率。TSN，不需要从头开始:如果不是TSN，所有现有标准都必须重新定义千兆速率，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扩大以太网第二层，纳入实时操作所需的一系列机制：

?802.1AS/802.1AS-Rev考虑到网络中时钟的高精度同步。

?时间感知整形外科(TAS)选项使以太网在硬调度模式下运行。有了这个选项，可以在特定的时间阻止/释放QoS一个或多个模型队列。

?抢占(穿插快速流量)选项可以将长帧分解成更小的部分，从而最大限度地减少优先级更高帧的延迟。该选项可用于超过100 Mbps时，优化TAS或更换保护带TAS。

?可用于通过网络定义冗余路径，如环路中。

?使用软件定义的网络意味着帧不再通过目标节点MAC通过特殊的方式将地址转发到目的地MAC地址(当地管理的多广播)MAC）和VLAN ID组合转发。这些帧在网络中的路由模式不再自动确定，而是由软件配置。多播MAC和VLAN ID这种组合叫流ID，具有相同流ID的所有TSN帧称为TSN流。TSN流总是只有一个发件人，但可以有多个收件人。

图5.以太网帧(包括与TSN与数据流标识相关的部分以绿色表示)。

鉴于现有资源，现在可以以特殊的方式组织TSN流动，不再需要丢弃帧。现在，网桥利用其资源TSN流的无损转发。

尽量服务流量(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促进各自协议标准化和普及的组织。这些组织中的每一个都制定了TSN战略。因此，我们可以看到几乎所有现有的协议都有TSN，只是表现形式不同。继续看我们的例子:

对于PROFINET，通向TSN由于人们积累了丰富的时间感知整形的时间感知整形手术经验（非常接近）IRT），始终支持行业协议和协议IT协议的共存。许多事情对用户来说并没有改变，因此，熟悉的环境有利于提高绩效。

EtherCAT和类似的SERCOS将使TSN应用能力超过现场水平。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。

但该领域也有新的参与者。

一个团体正在定义一个新的工业以太网协议。OPC UA作为应用层。TSN它被认为是使协议具有实时能力的手段。但是，这里有很多工作要做。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)延迟/抖动幅度。

越多越有用吗？实时领域不是这样吗？

今天，我们在工业自动化中使用100 Mbps以太网，千兆以太网很快就会上线AD代理。然而，更高的速度并不意味着延迟可以得到保证，传输可以得到保证。因此，殊的硬实时机制。TSN，都标准化了。

Volker Goller

Volker E. Goller [volker.goller@analog.com]是AD该公司的系统应用工程师拥有30多年的经验，广泛从事复杂的运动控制、嵌入式传感器、时间敏感网络技术等工业应用。作为软件开发人员，Volker为无线和有线应用开发了各种通信协议和协议栈，并积极参与新通信标准的部署。