Основы чувствительных ко времени сетей

Узнайте о преимуществах чувствительных ко времени сетей (TSN) и о том, как инженеры используют их для обеспечения готовности промышленной системы к будущему. В этой статье рассматриваются три члена набора стандартов TSN.

Различные технологические области имеют свой собственный набор уникальных требований, когда дело доходит до предсказуемости и чувствительности ко времени, что может создать проблемы для разработчиков систем, стремящихся передавать данные по общему соединению. При использовании общей сети необходимо учитывать низкую задержку и меньшее время задержки. К счастью, есть решение этой проблемы - сети, чувствительные ко времени (TSN). TSN находится на вершине стандартного Ethernet и определяет набор стандартов, позволяющих разработчикам систем использовать сеть Ethernet для передачи данных IT и OT по общему соединению.

В этой статье вы узнаете о преимуществах сети, чувствительной ко времени, и о том, как инженеры используют ее, чтобы обеспечить готовность промышленной системы к будущему. В этой статье рассматриваются три члена набора стандартов TSN, они подробно объясняются и упоминаются несколько устройств, которые включают в свое оборудование сетевые функции, зависящие от времени.

Что такое сети, зависящие от времени?

В распределенных системах с множеством устройств, таких как современный производственный цех, подключенные устройства могут иметь очень разные потребности и потенциально противоречивые цели для взаимодействия с другими компонентами в сети. Один из способов взглянуть на передаваемые данные - это рассмотреть их в контексте областей информационных технологий (ИТ) и операционных технологий (ОТ).

Оперативный технологический трафик, такой как данные управления машиной и значения датчиков, обычно требует, чтобы сеть работала предсказуемо. Связь в этой области требует фиксированных временных задержек, низкой задержки и низкого джиттера. С другой стороны, трафик информационных технологий - это такие данные, как, например, трафик электронной почты и обновления микропрограмм. Здесь временные ограничения не имеют первостепенного значения, и общение обычно осуществляется с максимальной эффективностью.

Хотя для ИТ-трафика обычно требуется большая пропускная способность, данные не должны достигать места назначения в течение определенного периода времени. Вместо этого обычно имеет значение общая пропускная способность. Для OT, с другой стороны, отсутствие данных в определенный момент времени может привести к сбоям, и, следовательно, данные должны достичь места назначения в пределах определенных жестких ограничений в реальном времени.

Иногда инженеры решают эту проблему, поддерживая две отдельные сети - одну для трафика OT, а другую для ИТ-инфраструктуры. TSN (зависящая от времени сеть) - это набор стандартов, основанных на стандарте Ethernet, позволяющий трафику OT и ИТ совместно использовать одну и ту же сеть с учетом индивидуальных потребностей каждого домена. TSN добавляет детерминированности Ethernet за счет уменьшения сетевых задержек и уменьшения задержки между конечными точками, гарантируя, что отдельные пакеты могут достигать места назначения вовремя.

Стандарты TSN

Как уже упоминалось, TSN - это набор стандартов, которые лежат в основе Ethernet. Каждый стандарт описывает разные функции, и разработчики систем могут комбинировать стандарты, чтобы адаптировать сеть к своим требованиям. В следующей таблице представлен обзор стандартов TSN (в этой статье обсуждаются 802.1AS, 802.1CB и 802.1Qbv):

Рисунок 1. Некоторые из стандартов TSN имеют промышленные сценарии использования.

Выбор времени и синхронизация для чувствительных ко времени приложений с 802.1AS

Стандарты TSN возникли из протокола точного времени (PTP, IEEE1588®). Основная идея PTP - синхронизировать часы распределенных машин в сети. PTP использует дерево распределения часов, и, как правило, существует также главный мастер, который является источником всего времени. Этот гроссмейстер получает время от высокоточного источника - например, высокоточных часов GPS. Подчиненные узлы в сети синхронизируют свое местное время со временем ведущего узла по принципу «точка-точка».

PTP послужил основой для стандартов TSN, а gPTP является частью стандарта 802.1AS. PTP и gPTP имеют много общих терминов, но есть и несколько ключевых различий. Одно из таких различий заключается в том, что PTP находится на транспортном уровне модели уровня OSI и, следовательно, допускает множество различных основных методов транспортировки. Другие различия между gPTP и PTP резюмированы на диаграмме ниже. Новые версии gPTP возвращают возможность использования одношаговых меток времени. Наконец, для gPTP требуются механизмы одноранговой задержки и предполагается, что все устройства будут синтезированы, что означает, что они имеют стандартную частотную базу и что все тактовые частоты работают с одинаковой скоростью.

Рисунок 2. Различия между PTP и gPTP.

Инженеры могут использовать стандарт 802.1AS для синхронизации задач на машине или в промышленной сети. Позже в этой статье будет представлен пример управления синхронизированным двигателем, в котором используется 802.1AS.

Создание резервных сетей с помощью 802.1CB

Стандарт 802.1CB позволяет разработчикам систем создавать избыточные коммуникационные потоки по сети. Типичное приложение - сеть с кольцевой топологией с несколькими устройствами. Связь между устройствами копируется и отправляется в каждом направлении кольца. Если в любой момент в кольце произойдет разрыв, все устройства по-прежнему смогут связываться друг с другом без потери пакетов и без какой-либо задержки, вызванной алгоритмом повторной передачи.

Рисунок 3. Схема кольцевой топологии с избыточностью сообщений.

Всякий раз, когда устройство (говорящий) хочет связаться с другим устройством (слушателем) в кольце, оно отправляет повторяющиеся сообщения в разных направлениях. Эта функция реализована аппаратно, так что коммутатор с включенным TSN дублирует пакет и вставляет тег избыточности, который включает заголовок, который идентифицирует реплицированный поток и включает идентификатор последовательности, чтобы позволить получателю отбрасывать дубликаты, которые он получает. Аппаратное обеспечение TSN в приемнике принимает пакеты с обоих направлений по кольцу и обнаруживает первый уникальный пакет. Затем он автоматически отбрасывает любые повторяющиеся пакеты, прибывающие позже, которые используют тот же идентификатор последовательности.

Передача этих задач аппаратным средствам, поддерживающим TSN, упрощает разработку программного обеспечения, поскольку устраняет необходимость в сложных алгоритмах повторной передачи.

Чтобы использовать 802.1CB, разработчики системы должны определить, какие потоки трафика реплицировать через коммутаторы с поддержкой TSN. Существует несколько различных методов, но в основе каждого из них сетевой коммутатор реплицирует сообщения, соответствующие заданному шаблону (например, все сообщения, поступающие на устройство с определенным MAC-адресом).

Объединение OT и ИТ-трафика в одной сети с 802.1Qbv

Стандарт 802.1Qbv использует формирователь времени, который реализуется на выходном порте (исходящем порте) коммутатора Ethernet или автономного контроллера Ethernet в SoC. Формирователь с учетом времени определяет, когда трафик может выйти на провод. Стандарт определяет восемь очередей для различных потоков трафика, и программное обеспечение настраивает эти очереди с помощью списка управления воротами.

Рисунок 4. Схематический пример расписания 802.1Qbv. Расписание содержит два отдельных временных диапазона (серый и синий) для раздельной передачи данных OT и IT.

Список управления воротами устанавливает расписание, при котором ворота открываются для вывода трафика из очередей. Эти списки универсальны и позволяют одновременно открывать или закрывать несколько ворот. Также можно установить уникальный временной интервал для каждого шага в расписании.

Каждое программное приложение, работающее на устройстве, назначает трафик в отдельную очередь, в зависимости от уровня приоритета этого приложения или данных, которые оно передает. Сопоставление может происходить по протоколу, порту назначения и определенным типам трафика (например, PTP через UDP). Все устройства в сети синхронизируются и управляются, что гарантирует, что критические потоки данных не будут конфликтовать в сети и что они будут соответствовать требованиям реального времени.

Аппаратное обеспечение TSN также автоматически устанавливает защитную полосу перед каждым временным интервалом. Это гарантирует, что передача большого пакета не начнется непосредственно перед переходом шлюза. В противном случае передача пакета с низким приоритетом может выполняться через временной интервал с более высоким приоритетом. Оборудование проверяет каждый пакет перед передачей, и если оно не может завершить пакет в течение текущего временного интервала, оно будет удерживать его до тех пор, пока не станет доступен следующий временной интервал для этого класса трафика.

Программное обеспечение для работы в сети, зависящей от времени

NXP предоставляет несколько программных инструментов для использования функций TSN в Layerscape® LS1028A и других микропроцессорах.

Программное обеспечение с открытым исходным кодом

Для тех, кто предпочитает платформы разработки с открытым исходным кодом, NXP предлагает tsntool для настройки всех функций TSN в LS1028A или, альтернативно, разработчики могут использовать команду tc, которая является частью набора утилит Linux iproute2. Tc может настраивать формирователи с учетом времени и направлять трафик приложений в разные очереди трафика. gPTP поддерживается пакетом ptp4l.

Стек аудио-видео-мостов (AVB) и сетей, чувствительных ко времени (TSN)

NXP также предлагает переносимый стек AVB / TSN, который может работать как на микропроцессорах, так и на микроконтроллерах, предоставляя возможность разработчикам, которым необходимо развернуть TSN на масштабируемом наборе платформ.

В обсуждении 802.1Qbv выше упоминался комплект разработчика программного обеспечения Layerscape LS1028A (SDK) как один из способов загрузки списка управления шлюзом в контроллер Ethernet с поддержкой TSN. LS1028A - это процессор приложений, основанный на двух ядрах Arm® Cortex®-A72, которые обычно работают под управлением ОС Linux® или другой высокоуровневой ОС или операционной системы реального времени.

LS1028A включает в себя контроллер Ethernet с поддержкой TSN, а также интегрированный сетевой коммутатор, поддерживающий TSN. Кроме того, процессор приложений LS1028A поддерживает различные функции безопасности, такие как механизмы шифрования и архитектуру доверия. Кроме того, в устройстве реализовано ускорение 3D-графики и поддержка монитора через DisplayPort (DP).

LS1028A может работать под управлением открытого промышленного Linux, который специализируется на промышленных сценариях использования. Это позволяет устройству работать в средах реального времени и выполнять обработку с малой задержкой (с xenomai Linux). Кроме того, устройство может выполнять код с нуля на одном ядре, а Linux, например, на другом.

Кроме того, NXP предоставляет поддержку с открытым исходным кодом для TSN, а также инструменты для его настройки. В рамках открытого промышленного Linux NXP обеспечивает поддержку драйверов с открытым исходным кодом для PTP. Эти драйверы позволяют пользователям управлять аппаратными часами PTP и метками времени.

В части предстоящего примера управления синхронным двигателем используется коммерческий стек NXP AVB, который является более ранней версией некоторых из обсуждаемых стандартов. NXP добавит поддержку TSN в будущем.

В качестве альтернативы Layerscape LS1028A кроссовер MCU i.MX RT1170 является еще одним устройством NXP, поддерживающим TSN. Этот двухъядерный кроссовер MCU оснащен ядром Cortex-M7, способным работать на частоте до 1 ГГц, а также встроенным ядром Arm Cortex-M4 с тактовой частотой 400 МГц.

Этот кроссоверный микроконтроллер объединяет множество типичных модулей ввода-вывода MPU с высокопроизводительными ядрами микроконтроллера, возможностями отображения, повышенной безопасностью и оснащен контроллером Ethernet с поддержкой TSN.

Практический пример:управление синхронным двигателем с помощью TSN

В следующем практическом примере к двум двигателям прикреплены пластиковые диски с вырезанными прорезями, которые должны работать вместе синхронно, чтобы диски не врезались друг в друга. Для этого микроконтроллер i.MX RT1170 выполняет задачу по координации всей системы, используя свой контроллер Ethernet с поддержкой 802.1AS.

Рисунок 5. Общий обзор примера управления синхронным двигателем. Микроконтроллер i.MX RT1170 обеспечивает синхронную работу двигателей, а сетевые мосты с питанием от LS1028A обеспечивают передачу критичных по времени данных в другом временном интервале.

Двигатели подключены к отдельным контроллерам, которые получают пакеты от главного координатора. Эти данные говорят двигателям, когда двигаться.

Сетевые мосты перенаправляют трафик между компонентами. В этом примере мосты используют процессоры приложений Layerscape LS1028A. Эти устройства могут объединять OT- и IT-трафик с использованием стандарта TSN 802.1Qbv. При таком подходе данные управления двигателем передаются в другой период времени по сравнению с данными ИТ, которые в этом примере представляют собой случайно сгенерированные данные.

Как упоминалось ранее, можно комбинировать стандарты TSN для удовлетворения требований конкретного приложения. Этот пример показывает именно это. Главный контроллер использует 802.1AS для установки синхронизированной временной базы, в то время как коммутаторы реализуют 802.1Qbv для формирования сетевого трафика, чтобы гарантировать, что критичные ко времени данные передаются в рамках заданных ограничений. Это гарантирует, что двигатели могут работать синхронно и максимально быстро.

Чувствительная ко времени сеть для общих подключений

Требования к данным ИТ и ОТ имеют противоречивые требования - трафик ИТ обычно состоит из большего количества данных, чем трафик ОТ, и обычно достаточно обмена данными по принципу «максимальные усилия». С другой стороны, трафик OT критичен ко времени. Обычно применяются строгие ограничения по времени, задержке и задержке. С помощью TSN разработчики систем могут использовать сеть Ethernet для передачи данных ИТ и OT по общему соединению.

802.1AS синхронизирует несколько устройств в сети с точностью до наносекунд. Эта функция доступна на многих кроссоверных микроконтроллерах Layerscape, i.MX и i.MX RT, а коммерческое программное обеспечение с открытым исходным кодом и готовое ПО доступно для поддержки TSN.

С помощью 802.1CB разработчики систем могут обеспечить отказоустойчивость своих систем, добавив избыточность в сеть Ethernet. При использовании оборудования с поддержкой TSN функции резервирования выгружаются на оборудование. Это снижает накладные расходы на прикладное программное обеспечение. Эта функция доступна в Layerscape LS1028A, а также доступны программное обеспечение и драйверы с открытым исходным кодом.

802.1Qbv вводит формирование с учетом времени в стандартные сети Ethernet. Он обеспечивает низкую задержку и транспорт с низким уровнем джиттера для чувствительных ко времени потоков трафика Ethernet, а также резервирует полосу пропускания для конкретных приложений. Трафик ОТ и ИТ разделяет единую сеть. Эта функция также доступна на нескольких процессорах NXP, а также доступно коммерческое программное обеспечение с открытым исходным кодом и под ключ.

Как показано в примере управления двигателем, различные стандарты можно комбинировать для соответствия потребностям конкретного приложения.

На странице сообщества NXP можно найти множество форумов, примеров, примечаний к применению и другой информации о процессорах NXP, которые могут активировать чувствительную ко времени сеть для обеспечения общих подключений к данным.

Отраслевые статьи - это форма содержания, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного содержания. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.