關(guān)于以太網(wǎng)的討論引發(fā)業(yè)界對安全數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時性的需求不斷增長

Thomas Brand ADI公司

關(guān)于以太網(wǎng)的討論引發(fā)業(yè)界對安全數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時性的需求不斷增長。這涉及到時間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)——在IEEE 802時間敏感性網(wǎng)絡(luò)工作組(TSN TG)框架內(nèi)開發(fā)的幾個子標(biāo)準(zhǔn)的組合。其目標(biāo)是將傳統(tǒng)以太網(wǎng)與工業(yè)通信所需的實(shí)時功能相結(jié)合，從而使所有工業(yè)通信建立在一個統(tǒng)一基礎(chǔ)上。在這里，有保證的延遲和相應(yīng)的確定性是關(guān)鍵參數(shù)。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)對此已無能為力，尤其是在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，因?yàn)閭鹘y(tǒng)交換機(jī)通常在看到消息之前、在消息前往目的地之前以及在轉(zhuǎn)發(fā)消息時緩存消息。然而，新的應(yīng)用需要能夠以快得多的速度更準(zhǔn)確地控制帶寬分配的技術(shù)，尤其是在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0時代。未來，TSN或其子標(biāo)準(zhǔn)將使傳統(tǒng)以太網(wǎng)具備實(shí)時特性成為可能，即便數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到GSPS范圍。除了實(shí)時能力和確定性之外，TSN還有另一項巨大技術(shù)優(yōu)勢。網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力使得TSN能以10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps或10 Gbps的速率運(yùn)行。

但是，這需要細(xì)致（因而更復(fù)雜）的網(wǎng)絡(luò)配置。1 Gbps及以上的傳輸速率是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的邏輯演進(jìn)。1 Gbps為新型（物聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)用開辟了道路，有助于克服數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中的性能瓶頸。但是，只有當(dāng)終端和以太網(wǎng)交換機(jī)均支持TSN功能時，TSN作為一個系統(tǒng)才能發(fā)揮全部效用。TSN功能和標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。

圖1. TSN標(biāo)準(zhǔn)

由圖示子標(biāo)準(zhǔn)組成的完整TSN包目前尚未完成。圖1中突出顯示的兩個子標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.1AS-REV（時間同步）和IEEE 802.1Qcc（流預(yù)留），仍在IEEE 802.1時間敏感性網(wǎng)絡(luò)工作組內(nèi)部討論。很難估計這些開放的子標(biāo)準(zhǔn)將于何時完全厘定。但是，這項工作應(yīng)該在2019年中期之前完成。盡管如此，即使在TSN標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)前狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的一個上兼容的發(fā)展版本也已根據(jù)IEEE 802.1創(chuàng)建出來。例如，最近被采納的子標(biāo)準(zhǔn)提供了一種用于同步整個網(wǎng)絡(luò)中分配的時鐘信號的互操作方法。同時，這些子標(biāo)準(zhǔn)支持在其他設(shè)備也使用的共享傳輸介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)確定實(shí)時性。因此，TSN調(diào)節(jié)ISO/OSI參考模型第2層中的數(shù)據(jù)通信（參見圖2）。

圖2. ISO/OSI參考模型

嚴(yán)格地說，TSN代表以太網(wǎng)中支持實(shí)時性的第2層，但不是完整的實(shí)時協(xié)議。也就是說，TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的以太網(wǎng)協(xié)議。相反，這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議長期而言將支持第2層TSN，因此傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會消失，但未來將建立在TSN之上。但是，現(xiàn)場總線則可能會被以太網(wǎng)永久性取代。

為了能夠在未來支持所有這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界需要用戶專用ASIC形式的特殊且靈活的硬件。這方面的一個范例是ADI公司精致的多協(xié)議芯片解決方案fido5000。TSN所需的硬件已集成到此以太網(wǎng)交換芯片中。一旦所有子標(biāo)準(zhǔn)都已完全明確，通過固件更新即可輕松調(diào)適此芯片。因此，它已為TSN做好準(zhǔn)備。

圖3. fido5000支持的TSN標(biāo)準(zhǔn)

然而，為使從標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用到TSN的過渡循序漸進(jìn)展開且盡可能簡單，標(biāo)準(zhǔn)化組織為現(xiàn)有工廠如何適應(yīng)基于TSN的新設(shè)備提供了一些模型。這涉及使用ISO/OSI參考模型的統(tǒng)一層1、2和3，從而支持在可擴(kuò)展性和性能方面采用全新方法。但是，這要求整個網(wǎng)絡(luò)及其所有組件（如交換機(jī)）支持各種通信協(xié)議。如此就能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的確定性基礎(chǔ)設(shè)施，TSN網(wǎng)絡(luò)即可發(fā)揮其相對于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的優(yōu)勢。

但是，由于完整TSN標(biāo)準(zhǔn)尚未完全確定，許多公司目前不愿意實(shí)施TSN。轉(zhuǎn)換可能需要一些時間，不過終端已經(jīng)可以從TSN網(wǎng)絡(luò)中獲益，因?yàn)楝F(xiàn)有TSN交換機(jī)已經(jīng)提供確定性和實(shí)時能力。所以，TSN將成為未來的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是毫無疑問的。唯一未決的問題是完整TSN包將于何時準(zhǔn)備就緒，并在行業(yè)中找到合適的應(yīng)用。