工業(yè)4.0時代需要的是怎樣的網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)在計算機與自動化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中同樣是一種可靠的有線傳輸方案。這種開放的協(xié)議標準允許終端能夠快速便捷地連接，并且能夠快捷地在相對便宜的硬件設(shè)備中交換數(shù)據(jù)。然而，以太網(wǎng)最初的設(shè)計并不是為了滿足自動化技術(shù)的要求，尤其是在保證實時性通信方面。因此，自動化中各種總線系統(tǒng)在頂層設(shè)計實現(xiàn)專有的實時性協(xié)議時，對以太網(wǎng)的物理層進行了創(chuàng)新。這些系統(tǒng)通常會導致網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的獨占使用以及對供應(yīng)商的依賴性。

目前，對于時效性和非時效性網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，一般都是分開單獨來處理的，以消除相互的負面干擾。在未來，工業(yè)4.0應(yīng)用將需要越來越通用的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，如果用傳統(tǒng)的方法來實現(xiàn)滿足上述功能需求的通用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，付出的代價會非常大，因此，時效性網(wǎng)絡(luò)旨在提出一種方案來解決現(xiàn)有的問題。

實時通信

對時間周期以及周期的波動性的嚴格控制，包括傳輸過程中的控制和輸送技術(shù)領(lǐng)域，是自動化領(lǐng)域一系列應(yīng)用中的先決條件。這些應(yīng)用領(lǐng)域所需的數(shù)據(jù)傳輸時間明顯小于1 ms，除了這些需要“硬”實時功能的應(yīng)用之外，其他應(yīng)用（如過程自動化）可在較長的時間周期中實現(xiàn)“軟”實時功能，不過，這些應(yīng)用也需要嚴格的時序控制。各種實時通信方法，如EtherCat（以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)）或Profinet 技術(shù)中的IRT，都是專門為嚴格控制時間序列而開發(fā)的。雖然它們都是基于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)來開發(fā)的，但它們彼此不兼容，這種不兼容性導致了網(wǎng)絡(luò)碎片化。

為什么選擇時效性網(wǎng)絡(luò)？

在大多數(shù)情況下，包括自動化行業(yè)（如制造業(yè)）在內(nèi)的傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作是基于將信息技術(shù)（IT）與運營技術(shù)（OT）分開的高級自動化金字塔。信息技術(shù)（IT）包括典型的終端設(shè)備（如打印機和個人計算機）的經(jīng)典辦公通信場景。運營技術(shù)（OT）是由系統(tǒng)、機器和軟件組成的，用于處理過程控制和自動化的技術(shù)。這兩個領(lǐng)域從根本上決定了它們通信方式的不同，信息技術(shù)（IT）依賴于帶寬，而運營技術(shù)（OT）則更聚焦于實用性（如圖1所示）。因此，信息技術(shù)（IT）層面的數(shù)據(jù)流通常被標記為非關(guān)鍵類別，而數(shù)據(jù)流在OT層面被特指為（時間）關(guān)鍵類別。最終，每個層級的數(shù)據(jù)流都有一個特定的通信標準。雖然具有TCP / IP協(xié)議的以太網(wǎng)總線系統(tǒng)在IT領(lǐng)域上占了絕對的主導地位，但各種需要保證延遲時間滿足特定需求的總線系統(tǒng)（比如現(xiàn)場總線系統(tǒng)）也廣泛應(yīng)用于運營技術(shù)（OT）領(lǐng)域。因此，每個供應(yīng)商通常都會推廣一個特定的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。對于用戶來說，這意味著選擇控制器基本上也就決定了總線的規(guī)格。因此，終端用戶通常的選擇通常受制于制造商，因為不同的總線系統(tǒng)彼此間不兼容。

最初，信息技術(shù)（IT）與運營技術(shù)（OT）之間幾乎沒有任何聯(lián)系。今天，數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸是數(shù)字化時代所有形態(tài)和以及規(guī)模的企業(yè)所必備基本需求。持續(xù)穩(wěn)定的通信對于云端的數(shù)據(jù)獲取，遠程訪問或設(shè)備連接等要求的滿足至關(guān)重要。未來將更加重視普世的以及協(xié)議統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)4.0以及物聯(lián)網(wǎng)（IOT）背景下描述或者已經(jīng)實施的基于建立靈活，智能制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的計劃已經(jīng)進入了一個重組的階段。包括組件，設(shè)備以及工廠在內(nèi)的智能制造環(huán)節(jié)之間互相進行不間斷地數(shù)據(jù)共享，以便于用自動化地方式優(yōu)化智能制造地各個環(huán)節(jié)。同時，這些變化也已經(jīng)對建立的自動化模型產(chǎn)生了深遠的影響。

圖1 自動化領(lǐng)域金字塔轉(zhuǎn)換架構(gòu)

由于整合的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的自動化領(lǐng)域正在轉(zhuǎn)型為一個廣義上的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)能夠直接和更高級別的傳感器直接連接與控制。現(xiàn)場和控制層面的分離正在逐漸消解，因此一個統(tǒng)一的并且相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，這個網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)流可以與非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流同時傳輸并且不會產(chǎn)生影響彼此的消極反應(yīng)。因此，現(xiàn)有的以太網(wǎng)必須要做出相應(yīng)的改變以適應(yīng)現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)需求。旨在通過共享以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)融合關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的以太網(wǎng)子標準目前正在制定和改進的過程中。

時效性網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)以太網(wǎng)的優(yōu)勢包括：（1）保證整個網(wǎng)絡(luò)中實時關(guān)鍵數(shù)據(jù)的延遲時間；（2）通過融合網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)㈥P(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流同時傳輸；（3）更高級的協(xié)議層可以共享通用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；（4）在運營技術(shù)（OT）領(lǐng)域之外也能夠?qū)崟r進行控制；（5）不依賴于供應(yīng)商。

什么是時效性網(wǎng)絡(luò)？

時效性網(wǎng)絡(luò)是在IEEE 802.1 TSN任務(wù)組中一系列以太網(wǎng)子標準定義組成的。TSN通過擴展和調(diào)整現(xiàn)有的以太網(wǎng)標準，致力于實現(xiàn)在信息技術(shù)（IT）和工業(yè)運行技術(shù)（OT）之間的融合。

時效性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)旨在對開放式系統(tǒng)互連（Open System Interconnection）第二層協(xié)議進行規(guī)范化與標準化，以便不同的協(xié)議可以在相同的基礎(chǔ)架構(gòu)上運行。這項技術(shù)的難點在于如何配置關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流，使其既不影響實時性，也不影響性能。

核心要素

所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都具有相同的參考時鐘，這是必不可少的先決條件。網(wǎng)絡(luò)中所有交換機和終端都必須是時間同步的。通過有選擇地使用兩種不同的方法來改善這些功能（如表1所列）。

表1 時效性網(wǎng)絡(luò)標準一覽

除了通用的IEEE 1588規(guī)范之外，時效性網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組還采用了一個特殊的配置文件，規(guī)定了IEEE 1588與IEEE 802.1Q結(jié)合使用的規(guī)范。這個配置文件的目的是將不需要1588-2008標準全部功能的協(xié)議加速應(yīng)用到具體場景中。由于這個配置文件不能滿足所有自動化要求，因此需要重新設(shè)計，現(xiàn)在經(jīng)過改進的標準被稱為IEEE 802.1AS-rev。

第二個核心功能是利用融合網(wǎng)絡(luò)處理關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的傳輸。關(guān)鍵數(shù)據(jù)流必須保證在預(yù)定時間內(nèi)傳輸，而非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流通常優(yōu)先級較低。根據(jù)IEEE 802.1Q已經(jīng)建立的8個數(shù)據(jù)流類別用來考慮各種數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級。但是，服務(wù)質(zhì)量（QoS）的標準定義并不能實現(xiàn)關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的并行傳輸。由于以太網(wǎng)交換機中的緩沖機制，盡管傳輸路徑中的數(shù)據(jù)流有最高優(yōu)先級，低優(yōu)先級以太網(wǎng)數(shù)據(jù)仍然可能導致延遲，因此，我們引入新的優(yōu)先權(quán)機制來改善和調(diào)節(jié)之前模式存在的問題。另外，數(shù)據(jù)形式可以根據(jù)應(yīng)用的需求來重新塑造或者改善調(diào)度機制，下面具體闡述其中的兩種機制。

IEEE 802.1Qav — 基于可信因子的整形算法

該標準定義了一種數(shù)據(jù)流算法，該算法對于滿足實時要求的數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級比最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流優(yōu)先級更高?；诳尚乓蜃拥恼嗡惴ǎ–BS）由IEEE 802.1工作組于2009年開發(fā)，用于時效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）音頻/視頻橋接（AVB）的預(yù)研技術(shù)。整形器給數(shù)據(jù)流分配置信因子，只要可信因子保持在置信區(qū)間范圍內(nèi)，就發(fā)送具有保留帶寬的數(shù)據(jù)包。在傳輸過程中，可信因子在不斷消耗，直至下降到置信區(qū)間之外，才停止數(shù)據(jù)包的發(fā)送。一旦在傳輸過程中可信因子降至置信區(qū)間之外，則相鄰的最優(yōu)級別的數(shù)據(jù)包將會接替?zhèn)鬏斎蝿?wù)。如果這種方法對具有保留帶寬的數(shù)據(jù)包的傳輸產(chǎn)生了延遲，則可以相應(yīng)地增加可信因子的值來實現(xiàn)在最優(yōu)級別的數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，能夠連續(xù)發(fā)送最高優(yōu)先級的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。

IEEE 802.1Qbv — 時間感知調(diào)度系統(tǒng)

調(diào)度系統(tǒng)的最基本功能是創(chuàng)建相等的離散時間片（時間周期），這些時間片段或時隙用來分配給不同類別的數(shù)據(jù)。時間感知形成器為不同類別的數(shù)據(jù)流提供了一個固定的時間表，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的預(yù)開始和到達時間的估計。這種策略使得系統(tǒng)遵守定義的傳輸時間的同時，同步多個數(shù)據(jù)流的功能實現(xiàn)成為可能。由于調(diào)度系統(tǒng)需要保持同步，因此所有網(wǎng)絡(luò)參與者都知道何時以及哪個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包將被傳輸與處理。

除了時間同步和各種數(shù)據(jù)流整形和調(diào)度機制之外，其他子標準已經(jīng)或正在制定中，這些不同的標準更像是一系列差異化的解決方案，而不是一個一體化解決方案。通過不同的模塊組合來滿足某些應(yīng)用場景的要求，從而可以使時效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）適應(yīng)每個特定的應(yīng)用場景。

弗勞恩霍夫光子微系統(tǒng)研究所（IPMS）的IP核目前已實現(xiàn)IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qav和實時媒體訪問控制（MAC）的功能。

基于FPGA的TSN_IP核

由于時效性網(wǎng)絡(luò)功能的廣泛性，可以通過可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)系統(tǒng)功能的集成，與和許多功能確定的集成電路（IC）相比，F(xiàn)PGA可以通過靈活的編程實現(xiàn)系統(tǒng)功能的變化，配置邏輯門陣列（門陣列）可以實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字功能。FPGA與IC相比，其優(yōu)勢包括如下：?開發(fā)成本顯著降低；?系統(tǒng)功能實現(xiàn)的時間更短；?靈活的可擴展性和可編程性。

由于某些時效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）的標準目前仍在修訂和制定中，因此可擴展性和可重復(fù)編程性仍然是功能實現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

總結(jié)和展望

通過不同的方法實現(xiàn)對不同實時性要求的功能。時效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）為滿足這些要求奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時也為實現(xiàn)各種延遲、抖動和可靠性要求提供了較大的動態(tài)范圍。雖然標準制定過程尚未完成，各種標準的實施仍在進行中，但核心功能已經(jīng)可以集成到產(chǎn)品中，并且可以通過相應(yīng)的IP核服務(wù)支持后續(xù)的功能完善或升級。當基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)的所有組件和設(shè)備都兼容時效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）時，時效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）將充分發(fā)揮其潛力。許多工業(yè)設(shè)備和交換器制造商正在努力制造與時效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）兼容的產(chǎn)品。在 “接插集會”期間，所有制造商的產(chǎn)品都需要經(jīng)過符合標準的互操作性測試，弗勞恩霍夫光子微系統(tǒng)研究所（IPMS）目前正在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）和工業(yè)4.0網(wǎng)絡(luò)實驗室（LNI）插頭測試中測試自己的TSN_CTRL IP核功能。