工业网络安全

从内部看是什么让TSN滴答作响

奥利弗·克莱因伯格

在之前的博客中,用TSN改变自动化网络的面貌,我们谈到了什么为什么时间敏感网络(TSN)的应用。现在我们已经很好地理解了它是什么以及为什么使用它,我们将重点介绍怎样TSN起作用了,是什么让它起作用的。

TSN的工作原理在一套由电气电子工程师协会(IEEE)制定的标准中进行了描述。这些标准是由IEEE 802.1工作组开发的,并被组织成一组单独的规范。每个文档描述一个不同的TSN函数。一般来说,IEEE 802将每一项新技术分解成单独的功能,然后为每个功能设置规范,使其更易于管理。

IEEE 802及其成功的关键很简单——所有技术都处于永久更新过程中。TSN的情况也是如此:一些标准已经完成,另一些正在进行中(在规范中),还有一些在待办事项清单上(准备开始规范)。话虽如此,这是以太网技术的正常情况:以太网和TSN构成了一个不断发展和强大的生态系统。尽管不断更新,以太网的承诺是保持可扩展性和向后兼容,这也是通过TSN实现的。这些是以太网和TSN一直如此成功并将继续如此成功的主要原因。

TSN功能和标准

  • 时间同步确保网络中的每个参与者都同意时间。
  • 实时调度确保及时交付关键任务数据。
  • 通信流预留与配置控制和政策沟通。
  • 值得注意的是,一个被宣传为“TSN兼容”的设备并不一定支持所有的TSN标准。这意味着您可以有一些标准而没有其他标准。例如,您可以使用带有或不带有帧抢占的时间感知调度器,反之亦然。实现这两种方法可以显著提高性能,但并不总是必要的。有些设备只具备其中一种功能就可以正常工作。

    跨网络同步时间

    “时间敏感”一词完全暴露了时间在TSN中扮演的重要角色。让网络上的所有设备都同意一个固定的时间是很重要的。想想你打算和朋友共进午餐的时候。如果你的时钟显示12:30,而你的朋友的时钟是中午,假设你们都“准时”,你会提前半个小时,或者你的朋友会晚半个小时。

    同样,对于TSN,所有设备和交换机都必须同步,以确保所有设备都能准时到达。为了使网络中的所有设备协调它们的动作,例如调度以太网帧传输和打开和关闭传输门,它们必须在一个商定的时间内运行。如果设备不能同步执行,即使是最好的调度方案也会失效。

    虽然时间同步是必要的,但IEEE对使用哪种时间同步协议并不严格。但是,重要的是,所有设备都是兼容的,并且可以相互同步。当购买TSN使能设备时,也要考虑其时间同步的质量——越紧越精确的同步越好。较低质量的同步要求网络设计留有较大的误差裕度,这会降低TSN性能。

    实时调度指导交通

    TSN使用多种调度机制仔细协调网络上的通信。严格遵守时间表可确保具有不同优先级的单个通信流不会相互干扰。干扰将导致抖动,这将导致以太网交换机队列中的传输延迟。

    TSN为各种应用场景指定不同的流量调度器和整形器。值得一提的是,网络流量管理工具的数量在未来几年很可能会增加,因为更大的TSN部署可能需要工具来支持这些网络的工程设计。

    维护可靠的通信流

    TSN通常被称为确定的以太网,这意味着网络是可预测的。TSN同步和调度在实现确定性以太网方面有很长的路要走,但是IEEE有额外的标准使调度更加可行,并保持可靠的通信流。

    网络协议的设计考虑到了弹性。无论您是通过网络交换电子邮件、下载文件还是访问网页,传输都必须可靠。这种可靠性对于时间敏感网络上的任务关键型通信更为重要。

    为了防止传输故障,网络使用各种冗余协议,这些协议都基于以下原则运行:如果一条网络电缆或设备出现故障,冗余协议使网络能够自动从故障中恢复。冗余协议的工作原理是,在修复主路径的同时,通过网络使用不同的辅助传输路径来维持通信。TSN可接受两种一般类别:无缝冗余和非无缝(故障切换)冗余。

    • 无缝冗余:所有网络路径并行使用,不会因其中一条路径出现故障而中断。
    • 非无缝(故障切换)冗余:协议通过从主路径切换到辅助路径来恢复故障。虽然这种切换发生得很快,但可能会导致短暂的通信中断。

    使用流注册保留带宽

    流注册涉及为网络上的设备保留带宽,这为这些设备之间的通信提供了一定的服务保证。在两个设备之间的交换期间,一个设备是发布流的说话者,另一个是接收流的侦听器。

    网络中的交换机沿着传输路径注册通信流的发布和接收。注册可以确保可用的网络带宽不会被超额预定。如果新流所需的带宽超过设备端口上的最大可用带宽,交换机可以拒绝新流的注册。

    相关链接

    博客:用TSN改变自动化网络的面貌

    白皮书:对时间敏感的网络

    研讨会:实时通信的魔力