引言
數(shù)字化工廠(chǎng)對(duì)通信的互操作性和簡(jiǎn)單性要求更高，而TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）則是專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足這些要求而設(shè)計(jì)的新一代以太網(wǎng)技術(shù)。雖然TSN的引入需要根據(jù)不同的行業(yè)領(lǐng)域逐步進(jìn)行，但在一些諸如鐵路、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域，正在采用TSN作為其新平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)IT/OT網(wǎng)絡(luò)。
本文將介紹一種智能TSN網(wǎng)卡--虹科RELY-TSN-PCIe。它集成了將標(biāo)準(zhǔn)PC連接到TSN網(wǎng)絡(luò)所需的所有復(fù)雜技術(shù)，且不需要在主機(jī)上安裝任何特殊軟件。此外，該方案可以在TSN網(wǎng)絡(luò)中使用典型的工業(yè)應(yīng)用和軟件，如SCADA、MES、OPC（UA）、MTConnect等。
在工業(yè)自動(dòng)化和數(shù)字化深入發(fā)展的工業(yè)3.0階段，生產(chǎn)和管理之間相互關(guān)聯(lián)的金字塔形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被重新定義。如下圖所示，在金字塔的底層，生產(chǎn)通常由定義輸入和輸出邏輯的PLC控制。在更高的層面上，SCADA 和工業(yè) MES 生產(chǎn)管理軟件從底層的媒介工具接收信息。在金字塔的最高點(diǎn)，ERP類(lèi)全方面資源管理軟件將用于規(guī)劃企業(yè)的整體業(yè)務(wù)操作。
數(shù)字化進(jìn)程的演變基于對(duì) "數(shù)據(jù) "的大量使用，并旨在通過(guò)對(duì)產(chǎn)品和生產(chǎn)的全面了解，獲得更大的生產(chǎn)力。這種正全球推進(jìn)的行業(yè)數(shù)字化正迫使運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)（Operational Technologies - OT）和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Information Technologies - IT）通過(guò)網(wǎng)關(guān)技術(shù)互連。在 OT 和 IT 兩個(gè)世界中部署的技術(shù)通常完全不同，并且通常不可互操作。 這種不匹配導(dǎo)致了大量異構(gòu)設(shè)備的出現(xiàn)，這被稱(chēng)為"棕色地帶（brownfield）"。
OT/IT的融合并沒(méi)有因此而停滯，相反，它提出了一種在鏈路層使用對(duì)OT/IT兩個(gè)世界都有效的通信技術(shù)的解決方案。通過(guò)這種方式，在同質(zhì)工廠(chǎng)中實(shí)現(xiàn)全對(duì)全數(shù)據(jù)交換拓?fù)涫强尚械模?lèi)似于下圖中的支柱。在這個(gè)支柱的底部，靠近生產(chǎn)裝置附近放置了一個(gè)基于分布式控制的結(jié)構(gòu)，即基于一定的智能和通信能力的輸入/輸出單元。而這種稱(chēng)為 Field I/O 的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)大的計(jì)算和通信邊緣計(jì)算設(shè)備以及本地服務(wù)器連接構(gòu)成了本地云（Local Cloud）。
在這種情況下，傳統(tǒng)的基于層的通信和網(wǎng)絡(luò)安全計(jì)劃不再有效，包括在現(xiàn)場(chǎng)I/O中的單元將直接與應(yīng)用和服務(wù)進(jìn)行通信。
這個(gè)支柱需要一個(gè)單一的OT與IT互連網(wǎng)絡(luò)，即所謂的工廠(chǎng)主干網(wǎng)（Factory Backbone）。然而，但是，要從理論走向?qū)嵺`，需要一種有效的通信技術(shù)來(lái)支持 OT 流量的實(shí)時(shí)行為和 IT 應(yīng)用程序所需的大帶寬。 此外，它必須是安全的，甚至是可互操作的、標(biāo)準(zhǔn)化的和免許可的。有這樣的解決方案嗎？
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)介紹
自 1983 年本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解決方案被標(biāo)準(zhǔn)化為以太網(wǎng)以來(lái)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)便已經(jīng)從技術(shù)和應(yīng)用層面上得到了發(fā)展。雖然它最初的用途是面向本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，但以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到其他多個(gè)領(lǐng)域。事實(shí)上，它已成為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并因在工業(yè)（Profinet、以太網(wǎng) IP、Ethercat、Sercos III 等）、電氣行業(yè)（IEC 61850的高可用性以太網(wǎng)）和汽車(chē)行業(yè)中的廣泛應(yīng)用而脫穎而出。
過(guò)去出現(xiàn)的多種基于以太網(wǎng)的方案解決了以太網(wǎng)在其原始版本中的一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)：缺乏實(shí)時(shí)通信支持。由于這些專(zhuān)有解決方案的應(yīng)用，OT中對(duì)確定性的要求已被滿(mǎn)足。然而，不同制造商的解決方案缺乏可解釋性，限制了最終用戶(hù)向獨(dú)特的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施自由演進(jìn)的能力。 因此，市場(chǎng)需要具有確保長(zhǎng)久使用且獨(dú)立于供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)解決方案。這樣的方案將顯著降低設(shè)備成本和維護(hù)工作量，并大大簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析服務(wù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、MES或ERP等工業(yè)軟件的集成工作。
從這個(gè)意義上說(shuō)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組定義的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)集在 IEEE 802 上提供確定性通信服務(wù)，而這組標(biāo)準(zhǔn)被稱(chēng)為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN)。目前，原AVB工作組已更名為IEEE TSN 任務(wù)組，負(fù)責(zé)制定與TSN相關(guān)的所有標(biāo)準(zhǔn)。TSN技術(shù)的技術(shù)是時(shí)間整形器（Time-Aware Shaper）。該機(jī)制旨在將以太網(wǎng)中的通信分為固定持續(xù)時(shí)間的重復(fù)循環(huán)，這些循環(huán)根據(jù)組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)允許的 TSN 配置分為臨時(shí)窗口，并能夠?yàn)槊總€(gè)時(shí)間窗口配置和分配八個(gè)可用的以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí)中的一個(gè)或多個(gè)。時(shí)間感知整形器的操作細(xì)節(jié)在 IEEE 802.1Qbv 標(biāo)準(zhǔn)中被定義。
考慮到這種區(qū)分能力，定義了三種基本的流量類(lèi)型：計(jì)劃流量、盡力而為流量和預(yù)留流量。 計(jì)劃流量適用于硬實(shí)時(shí)消息，盡力而為流量是對(duì)任何其他服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)均不敏感的常規(guī)以太網(wǎng)流量，而分配給不同時(shí)間窗口且為每個(gè)優(yōu)先級(jí)類(lèi)型設(shè)置了預(yù)留帶寬的消息被視為預(yù)留流量。這種特定的帶寬預(yù)留容量對(duì)于具有軟實(shí)時(shí)要求的信息（例如視頻流）非常有用。
上圖為 TSN 通信的基本時(shí)序圖。圖中每個(gè)周期由 2 個(gè)插槽組成。 計(jì)劃流量分配給第一個(gè)，而盡力而為流量和預(yù)留流量則在第二個(gè)中并存。 典型配置中每個(gè)周期需要 8 個(gè)插槽，這為定義每個(gè)數(shù)據(jù)流的詳細(xì) QoS 參數(shù)提供了足夠的多功能性。
時(shí)間感知整形器允許定義每個(gè)周期中存在的臨時(shí)窗口的數(shù)量、它們的持續(xù)時(shí)間和可以傳輸?shù)牧髁款?lèi)型。在這種操作模式下，計(jì)劃流量具有專(zhuān)用窗口，以保證實(shí)時(shí)消息通信的確定性行為。盡力而為的流量容納在每個(gè)操作周期的其余臨時(shí)窗口中。按照 IEEE 802.1Qav的規(guī)定，在 TSN 中優(yōu)先考慮和優(yōu)化帶寬使用的最重要改進(jìn)之一是使用基于信用的整形器。
此功能支持對(duì) 預(yù)留流量的管理，這增加了指定流量的優(yōu)先級(jí)，使其比盡力而為流量具有更高的優(yōu)先級(jí)，與計(jì)劃流量相比具有更低的優(yōu)先級(jí)。 通過(guò)使用 IEEE 1588 同步協(xié)議，解決了在構(gòu)成 TSN 網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備之間提供納秒范圍內(nèi)的臨時(shí)同步的挑戰(zhàn)。 由于該技術(shù)提供的精度，可以控制通過(guò)網(wǎng)絡(luò)引入的延遲，并根據(jù)臨時(shí)事件獲得確定性的以太網(wǎng)解決方案。 TSN 中使用的特定 IEEE 1588 配置文件是 IEEE 1588ASrev。
為了便于訪(fǎng)問(wèn)該技術(shù)并允許與傳統(tǒng) PC 系統(tǒng)無(wú)縫連接 TSN，虹科推出了一種可插入任何 Windows 或 Linux 電腦的 TSN NIC 卡。 該板卡通過(guò)為 PC 上的通信提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，從而將復(fù)雜的技術(shù)難題簡(jiǎn)單化。
它集成了一個(gè) 4 端口 SoCe TSN Bridge。 SoCe 為新一代 FPGA 和可重構(gòu) SoC 開(kāi)發(fā)了 TSN 技術(shù)。此外，SoCe TSN 解決方案已嵌入工業(yè)部門(mén)的終端設(shè)備、TSN 測(cè)試設(shè)備和鐵路系統(tǒng)中。
此橋接器實(shí)施提供 2 個(gè)外部端口，允許連接銅纜或光纖 SFP 模塊。此外，2 個(gè)內(nèi)部端口可以與主機(jī)（PC、服務(wù)器、IPC 等）和卡的內(nèi)部 CPU 進(jìn)行通信。這個(gè)嵌入在板上的 CPU 管理 TSN 通信和同步，并且可以從主機(jī) PC 上運(yùn)行的任何 WEB 瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)該板卡上運(yùn)行的軟件。該方案允許配置和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，而無(wú)需在 PC 上運(yùn)行任何特殊軟件。 RELY-TSN-PCIe 支持使用標(biāo)準(zhǔn)中定義的 YANG 模型進(jìn)行自動(dòng)配置。但是，為了便于早期試點(diǎn)的實(shí)施，該板卡允許手動(dòng) TSN 配置。例如，下方的截圖顯示了手動(dòng)將每個(gè)流量?jī)?yōu)先級(jí)分配給每個(gè)時(shí)隙的方法。
TSN, 軟件和操作系統(tǒng)
根據(jù)每個(gè)應(yīng)用程序的要求，有必要在主機(jī) PC 的時(shí)鐘同步中保持不同級(jí)別的精度，以及需要具備控制網(wǎng)絡(luò)和軟件之間信息流的確定性的能力。 例如，負(fù)責(zé)機(jī)器人控制的虛擬 PLC 服務(wù)需要在控制回路數(shù)據(jù)設(shè)置的嚴(yán)格時(shí)間限制內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（計(jì)劃流量）。 然而，SCADA 軟件在同步要求方面更為寬松，在大多數(shù)情況下要求微秒范圍內(nèi)的時(shí)基，便足以管理受監(jiān)督的過(guò)程。 因此，有必要針對(duì)每種情況來(lái)分析需要集成哪些技術(shù)以滿(mǎn)足需求，進(jìn)而避免不必要地增加整體解決方案的復(fù)雜性。從這個(gè)意義上說(shuō)，虹科提供了兩種可選的TSN板卡方案。
方案1：可以將虹科TSN板卡插入到Linux OS 計(jì)算機(jī)中。在這種情況下，應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的全局同步是可行的。此外，可以在操作系統(tǒng)中使用補(bǔ)丁提供的流量管理和實(shí)時(shí)操作功能，從而有利于擴(kuò)大使用的范圍并增強(qiáng)整體集成性。
方案2：可以將虹科TSN板卡無(wú)縫集成到基于不同版本的Windows操作系統(tǒng)的設(shè)備中。在這種情況下，虹科TSN板卡被操作系統(tǒng)視為具有多個(gè)基于 VLAN 的虛擬接口的標(biāo)準(zhǔn) NIC 卡。該板卡通常需要管理計(jì)劃流量、預(yù)留流量和盡力而為流量等內(nèi)容的識(shí)別，而這是通過(guò)本地VLAN 標(biāo)記完成的。Synchronization則通過(guò)NTP傳輸?shù)讲僮飨到y(tǒng)中，并兼容Windows，因而可以被其他應(yīng)用程序使用。若有需要，也可以使用其他替代方案，如在Windows 環(huán)境中使用 PTP 協(xié)議棧和集成實(shí)時(shí)中間件。
虹科RELY-TSN測(cè)試設(shè)置
目前，已有用戶(hù)使用虹科RELY-TSN-PCIe板卡來(lái)使其PC具備TSN功能，其中一些例子是SCADA 應(yīng)用和機(jī)器互連。如上圖，在PC1中，計(jì)算機(jī)托管MTConnect Agent，而該Agent卡通過(guò)虹科RELY-TSN-PCIe接收PC2中Adapters 發(fā)送的信息，且虹科RELY-TSN-PCIe負(fù)責(zé)管理的相應(yīng)插槽中的流量分配。為了方便實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目的GIT中提供的Adapters模擬器可以在不需要真機(jī)的情況下使用。
總結(jié)
工業(yè) 4.0 的演進(jìn)要求通信的互操作性和簡(jiǎn)單性。 TSN 是專(zhuān)為滿(mǎn)足這些要求而設(shè)計(jì)的新一代以太網(wǎng)。在每個(gè)部門(mén)和應(yīng)用程序中引入 TSN 是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。然而，一些關(guān)鍵行業(yè)，如鐵路或航空航天，對(duì) TSN 表現(xiàn)出極大的興趣。虹科致力于提供必要的技術(shù)，以最適合客戶(hù)需求的方式向下一代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。從這個(gè)意義上說(shuō)，RELY-TSN-PCIe 卡及其評(píng)估套件是開(kāi)始使用技術(shù)的絕佳方式，從中期來(lái)看，該技術(shù)將簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施并真正實(shí)現(xiàn) OT 和 IT 的共存。旨在為關(guān)鍵系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)、同步和網(wǎng)絡(luò)安全提供創(chuàng)新的解決方案。
