工業以太網（實時以太網）在過去幾年中經歷了巨大的增長。盡管經典的現場總線仍在大量運行，但它們已經過了巔峰時期。流行的實時以太網協議擴展了以太網標準，以滿足實時功能的要求。TSN現在提供了一條通往實時以太網的新路由。

實時和通信

在工廠自動化和驅動技術的背景下，實時意味著安全可靠地達到不到十毫秒到微秒的循環時間。為了滿足這些實時要求，以太網還必須獲得實時功能。

圖1.自動化中的實時通信。

以太網比現場總線快得多，那又怎樣？

為了滿足自動化的實時性要求，需要保證傳輸帶寬和傳輸延遲。即使這些帶寬通常非常小（每個設備幾十字節），該傳輸通道也必須在每個 I/O 周期中以所需的延遲可用。

但是，經典以太網不提供延遲和帶寬的保證。相反，如果操作需要，以太網網絡可以隨時丟棄幀。這是什么意思？

以太網是一種所謂的橋接網絡。幀（以太網幀）從一個點發送到另一個點：從端點發送到交換機（網橋），從那里可能發送到其他網橋，最后發送到另一個端點。此體系結構在很大程度上是自我配置的。網橋首先完全接收幀，然后再轉發幀。這就是出現多個問題的地方：

如果在高峰時段要存儲的幀數超過網橋中的緩沖區內存可以容納的幀數，則會丟棄新傳入的幀。

由于幀的長度不同，因此它們會延遲作為其長度的函數。這會導致延遲波動（抖動）。

由于交換機應通過其發送幀的端口可能已被其他幀占用，直至達到完整幀大小，因此會出現額外的延遲。在 100 Mbps 下發送大型以太網幀（1522 字節）大約需要 124 μs。

我們可以爭辯說，以太網通常運行良好，并且在某種程度上是公平的。但是，通過這樣做，我們使用兩個與硬實時無關的詞。如果僅正常滿足實時條件，則是不夠的。它總是必須得到滿足。

任何住在化工廠或煉油廠旁邊的人都可以欣賞這一點。工業通信也不公平：最重要的事情，即控制/閉環控制應用，始終具有優先級。

圖2.ISO 七層模型。

以PROFINET和EtherCAT為例說明的實時擴展

由于負責以太網標準化的IEEE沒有解決問題的解決方案，因此該行業開發了自己的解決方案，再次證明了其創新性。這些解決方案都有其優點和缺點，最終針對不同的市場。

圖3.協議概述。

PROFINET：普遍適用

PROFINET提供了兩種互補的解決方案。PROFINET RT是一種工廠自動化解決方案，循環時間長達1毫秒，RT直接基于標準以太網。以太網的可能性（例如，服務質量（QoS，優先級））被用來優先考慮實時流量。這很有幫助，但 QoS 并不能完全解決資源和延遲問題。這就是限制軟實時的原因。與網絡中使用的其他協議（如HTTP，SNMP和TCP / IP）的良好兼容性是該技術的明顯優勢。

圖4.普羅菲特 IRT.

對于硬實時，PROFINET提供同步實時（IRT）擴展。在這里，部分以太網帶寬專門保留給通過擴展到標準以太網硬件的 IRT 流量。這是通過IRT節點中時鐘的精確同步來實現的。因此，可以在每個周期中阻塞正常流量的通道（紅色階段）。只有處于紅色階段的 IRT 幀才能到達網絡。此外，網絡參與者在預先計算的時間精確地發送IRT幀，從而在紅色階段內實現效率最大化。IRT 幀在網絡中移動幾乎不會滑移。這樣做的一個優點是它將所有其他流量必須等待的紅色階段的長度限制在最低限度。紅相最多可占用以太網通道帶寬的50%。

如前所述，全長（1552字節）以太網幀需要大約124 μs的線路。如果PROFINET IRT占用最大50%的帶寬，則最快周期時間為2 × 124 μs = 248 μs，四舍五入時為250 μs。只有這樣，其他協議（如HTTP）才能以不變的形式與之共存。

由于PROFINET 2.3用于IRT的優化，包括快進，動態幀打包和分段，因此可以縮短到31.25 μs的更快循環時間。

EtherCAT：以太網現場總線

在EtherCAT的開發中，一開始還有其他要求。EtherCAT 是基于物理以太網（即第 1 層）的現場總線。甚至第 2 層也針對現場總線應用和高吞吐量進行了優化。EtherCAT沒有經典的以太網橋接器。它使用求和幀報文，這使得數據傳輸特別高效。與普通以太網不同，普通以太網中涉及設備之間通信的每個設備發送單獨的幀，EtherCAT每個周期發送一個幀。但是，此幀包含尋址設備的所有數據。當EtherCAT幀由設備轉發時，該特定設備的數據將實時插入幀并從幀中取出。通過這種方式，在極端情況下可以實現甚至小于 31.25 μs 的極短循環時間。

EtherCAT還具有時間同步功能。為了使PC上并不總是理想的以太網接口能夠用作EtherCAT的主站，我們付出了很多努力。

以太網流量（如 Web 或 TCP/IP 流量）只能通過 EtherCAT 以背負式方式分小部分傳輸;在網絡上直接共存是不可能的。

其他人呢？

POWERLINK采用與EtherCAT相同的基本方法;它完全控制以太網，并通過搭載到節點來傳輸 IP 應用程序。但這是他們唯一的共同點。POWERLINK不使用求和幀協議。然而，它在實際應用中的表現同樣出色。

與IRT一樣，SERCOS具有保留帶寬，但在其中使用求和幀協議。SERCOS允許其他協議共存。

是時候使用 TSN 了

IEEE在音頻/視頻橋接（AVB）協議的范圍內處理了實時主題。在協議的改進中，還考慮了更具挑戰性的工業實時通信。這套標準的原始名稱AVB2在此更改為TSN（用于時間敏感網絡）。有了這些標準，現在可以使用統一的確定性以太網版本。

這實際上使許多事情變得更容易。例如，眾所周知的工業網絡幾乎都定義為100 Mbps。然而，今天，千兆以太網和10 Mbps以太網已成為特殊應用中關注的焦點。TSN標準涵蓋所有速度。有了TSN，輪子就不必重新發明：如果不是TSN，所有現有標準都必須重新定義千兆位，這將導致硬件開發成本和市場碎片化。

TSN如何提供幫助？與TSN實時

TSN擴展了以太網的第2層，包括實時操作所需的一系列機制：

802.1AS/802.1AS-Rev 為網絡中的時鐘提供極其精確的同步。

時間感知整形器 （TAS） 選項使以太網能夠通過硬調度進行操作。有了它，可以在特定時間阻止/釋放 QoS 模型的一個或多個隊列。

搶占（穿插快速流量）選項允許將長幀分解為較小的部分，以便最大限度地減少更高優先級幀的延遲。它可用于優化 TAS 的保護帶，或在速度超過 100 Mbps 時替換 TAS。

幀復制和消除可靠性選項可用于定義通過網絡的冗余路徑;例如，在戒指中。

使用軟件定義網絡意味著幀不再通過目標節點的硬件 MAC 地址轉發到目標，而是通過特殊 MAC 地址（本地管理的組播 MAC）和 VLAN ID 的組合進行轉發。這些幀如何通過網絡路由不再自動確定，而是由軟件配置。組播MAC和VLAN ID的這種組合稱為流ID，具有相同流ID的所有TSN幀稱為TSN流。TSN 流始終只有一個發送者，但它可以有多個收件人。

現在可以考慮現有資源來設置 TSN 流，這樣就不必再丟棄任何幀。網橋現在使用其資源對 TSN 流進行無損轉發。

圖5.以太網幀，與TSN數據流標識相關的部分以綠色顯示。

盡力而為的流量（標準以太網、IP、Web）與剩余資源（內存/帶寬）完全正常發生。

第 2 層以上會發生什么？

每個互聯網以太網協議的背后都有一個組織，推動各自協議的標準化和普及。這些組織中的每一個都制定了TSN戰略。因此，我們將再次看到幾乎所有現有的TSN協議 - 以一種或另一種形式。堅持我們的例子：

對于PROFINET來說，通往TSN的道路相對較短，因為已經有豐富的時間感知整形經驗（它已經與IRT非常相似），并且一直支持行業和IT協議的共存。對于用戶來說，很多事情都保持不變，因此熟悉的環境可以產生新的性能。

EtherCAT和類似的SERCOS將使TSN在現場級別之上可訪問。例如，EtherCAT自動化協議（EAP）非常適合以較低的開銷通過TSN將經典的EtherCAT段聯網。

但是，該領域也有新的參與者。

有一個小組正在定義一種全新的工業以太網協議。OPC UA被用作應用層。TSN被視為使該協議具有實時功能的一種手段。然而，這里仍然需要做工作。傳輸需要OPC UA的新傳輸層，即所謂的OPC UA PUB/SUL協議。

圖6.硬實時 （IRT）、軟實時 （RT） 和 IT 協議 （TCP/IP） 的延遲/抖動大小。

很多幫助很大嗎？非實時

今天，我們在工業自動化中使用100 Mbps以太網，很快千兆以太網將可用。但是，更高的速度并不自動意味著保證延遲和保證傳輸。因此，對于硬實時，總是需要特殊的機制。有了TSN，它們現在是標準化的。

審核編輯：郭婷