TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

1、TSN 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述Standardized Real-Time EthernetAgenda1工業(yè)4.0/IIoT的挑戰(zhàn)2TSN是如何工作的 標(biāo)準(zhǔn), 工作原理, 兼容性3支持TSN的產(chǎn)品和總結(jié)3工業(yè)4.0/IIoT的挑戰(zhàn)為什么是TSN?追溯從工業(yè)3.0到工業(yè)4.0的演變自動(dòng)化金字塔不再支持新應(yīng)用的需求(遠(yuǎn)程訪問、大數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)維護(hù)，)功能正在轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的新位置PLCs轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)場(chǎng)級(jí)的分布, 同時(shí)虛擬化在(本地/預(yù)置) 的云基礎(chǔ)設(shè)施中自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)對(duì)更高帶寬和確定性的要求自動(dòng)化金字塔逐漸轉(zhuǎn)型為支柱，通信網(wǎng)絡(luò)在其中發(fā)揮著更大的作用!4自動(dòng)化金字塔中工業(yè)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的生態(tài)實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要統(tǒng)一的解決

2、方案過去經(jīng)歷的狀況:市場(chǎng)嚴(yán)重分化沒有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方 案盡管需求上升: 客戶不愿意投 資!新的網(wǎng)絡(luò)需求:每個(gè)設(shè)備連接以太網(wǎng)IT和OT基礎(chǔ)設(shè)施的融合從云到傳感器的安全遠(yuǎn)程訪問從現(xiàn)場(chǎng)到云的大量傳感器數(shù) 據(jù).流量由關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)和非關(guān)鍵 的數(shù)據(jù)組成連接層需要高實(shí)時(shí)性Ecosystem- dependentEcosystem-neutralFieldbusEthernetIRTCIP MotionSercos IIISercos I/IICANThe solution shouldbe here 5構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)你有以下選擇:忍受關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)中的通信延遲 - 這通常不是一

3、個(gè)可行的選擇。大大超過網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) - 這是一種廣泛使用但非常昂貴的方法，稱為帶寬過度供應(yīng)。為不同的應(yīng)用建立獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò) - 這是一個(gè)高成本的選擇。使用TSN，使關(guān)鍵和非關(guān)鍵的數(shù)據(jù)可以共享網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)防止非關(guān)鍵的流量阻礙更重要流量的 傳輸。簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)節(jié)約資產(chǎn)和運(yùn)營成本6解決方案: TSN-時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)IEEE802 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注在延時(shí)和抖動(dòng)的技術(shù)Latency數(shù)據(jù)從A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)的時(shí)間Jitter延遲的任何變化TSN isIEEE 802以太網(wǎng)發(fā)展的下一步，由IEEE 802.1和802.3定義的一組標(biāo)準(zhǔn)這是第一次關(guān)注延遲和抖動(dòng)性能指標(biāo)，而不是帶寬或物理層技術(shù)完全獨(dú)立于供應(yīng)商的完全向

4、后兼容今天的以太網(wǎng)支持典型的時(shí)間關(guān)鍵控制應(yīng)用高速運(yùn)動(dòng)控制(機(jī)器上)機(jī)器人控制器對(duì)控制器通信變電站采樣值和信號(hào)安全應(yīng)用的可靠回路7實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的解決方案/技術(shù)OPC UA & TSN實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化中不同架構(gòu)/協(xié)議的通訊需求計(jì)算機(jī)層分布式控制層 設(shè)備層傳感器層自動(dòng)化金字塔中現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)OPC UA & TSN從傳感器到云端的全面通訊8綜述垂直市場(chǎng)需求DiscreteProcessTransportPower硬實(shí)時(shí)，低延遲/抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制同時(shí)傳送(后臺(tái))數(shù)據(jù)和控制信息有時(shí)間限制的循環(huán)通信同時(shí)傳送(后臺(tái))數(shù)據(jù)和控制信息確定性的指令，安全信息同時(shí)傳送(后臺(tái))數(shù)據(jù)和控制信息確定性的信號(hào)，循環(huán)通信同時(shí)傳送(

5、后臺(tái))數(shù)據(jù)和控制信息GOOSESampled ValuesSensors for critical areas (e.g. doors)Emergency audio and videoCritical applications:Non-criticalapplications:Cyclic process updatesEmergency signalsSame network, full bandwidth utilization SynchronizeddrivesRobot control Machine visionBack-ground data:statisticslogging

6、video9CBTC無線APs的典型間距為200m 300m(視隧道地形而定)。在城市地鐵系統(tǒng)中，車站之間的平均距離 為1公里(通常更小)。這意味著，在30公里長的地鐵線路上， 可能有240個(gè)無線接入點(diǎn)，組成如下:單向, 30個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)4個(gè)AP - 120個(gè)設(shè)備CBTC網(wǎng)絡(luò)A(相距500米)- 60臺(tái)設(shè)備CBTC網(wǎng)絡(luò)B(相距500米)- 60臺(tái)設(shè)備應(yīng)用 Transportation10應(yīng)用 TransportationTypical PIS/CCTV networkTypical CBTC network11利用TSN保證CBTC數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，使我們能夠利用CBTC網(wǎng)絡(luò)從車站系統(tǒng)傳輸C

7、CTV數(shù)據(jù)，減少 了例如地鐵30公里長的線路需要60臺(tái)設(shè)備的軌側(cè)APs數(shù)量。如果將不再需要的所有相關(guān)布線和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)都考慮在內(nèi)，這將是一個(gè)顯著的節(jié)省。應(yīng)用 TransportationCombined CBTC and Application (CCTV) Networks1213TSN是如何工作的?標(biāo)準(zhǔn), 工作原理, 兼容性O(shè)PC UA & TSN 在ISO/OSI參考模型中的定位TSN則解決“實(shí)時(shí)”與“非實(shí)時(shí)”數(shù)據(jù)的同 一網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，它在ISO/OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層，TSN由一系列的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成， 主要是解決時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò) 配置的問題。OPC UA 主要解決“安全的語義互操作”，

8、 確保異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)能夠按照統(tǒng)一的 標(biāo)準(zhǔn)來定義, 聚焦在應(yīng)用、會(huì)話、表示 三個(gè)層面，建立連接、用統(tǒng)一的信息模 型規(guī)范來表達(dá)應(yīng)用場(chǎng)景中的“設(shè)備行規(guī)”。14TSN的相關(guān)功能和標(biāo)準(zhǔn)TSN不是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn), 而是一系列標(biāo)準(zhǔn)組成的FunctionStandard or ProjectStatusTime synchronizationP802.1AS-Rev: Time synchronization for time-sensitive applications RevisionIn process1588-2008 (PTP): Precision clock synchronization p

9、rotocolPublishedReal-time scheduling802.1Qbv-2015: Enhancements for scheduled trafficPublished802.1Qch-2017: Cyclic queueing and forwardingPublishedP802.1Qcr: Asynchronous traffic shaperIn processReal-time scheduling support802.1Qbu-2016: Frame preemptionPublished802.3br-2016: Interspersing express

10、trafficPublishedCommunication stream reservation and configurationP802.1Qcc: Stream reservation protocol enhancements and performance improvementsIn process802.1Qci-2017: Per-stream filtering and policingPublishedCommunication stream reservation and configuration fault tolerance802.1Qca-2015: Path c

11、ontrol and reservationPublished802.1CB-2017: Frame replication and elimination for reliabilityPublished15時(shí)間同步 - Time synchronization確保網(wǎng)絡(luò)中的所有部分都對(duì)時(shí)間達(dá)成一致。.實(shí)時(shí)調(diào)度 - Real-time scheduling確保任務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的及時(shí)交付。通信流的保留和配置 - Communication stream reservation and configuration控制和管理通信通路，并提供其他支持以確?？煽康耐ㄐ?TSN的工作原理16Critical

12、trafficNon-critical traffic實(shí)時(shí)調(diào)度 - Real-Time SchedulingThe IEEE 802.1Qbv-2015 Time-Aware SchedulerThis is a simple example more time slots are possible!17選擇一個(gè)TSN的工作模式Centralized, Decentralized, HybridCentralized:Hybrid:Decentralized:在集中配置模式中，現(xiàn)在正在制定很多內(nèi)容OPC UA / TSN是這里的主要驅(qū)動(dòng)者Industrial HiVision 也在優(yōu)化對(duì)TSN

13、的配置18TSN和冗余性802.1CB-2017: Frame replication and elimination for reliabilityTSN被設(shè)計(jì)用來操作任何以太網(wǎng)冗余協(xié)議 - HSR、PRP、MRP等都是可行的選擇。IEEE 802.1CB指定了一個(gè)IEEE 802無縫 冗余協(xié)議運(yùn)作與HSR非常相似支持通過網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)以上路徑與現(xiàn)有的HSR和PRP網(wǎng)絡(luò)兼容根據(jù)市場(chǎng)需要，可采用舊技術(shù)和/或新技術(shù)19TSN和兼容性No gateways or boundaries: TSN is standard Ethernet!One quick reminder: TSN is IEEE 8

14、02 standard Ethernet No gateways, protocol translators, etc. are necessary2021支持TSN的產(chǎn)品Be TSN-ready with Hirschmann從2017年4月開始，支持的產(chǎn)品采用“TSN ready”標(biāo)志生產(chǎn)“TSN ready”意味著客戶可以現(xiàn)在購買產(chǎn)品，并在稍后的時(shí)間升級(jí)固件，以包 含TSN功能RSPE和Octopus將通過軟件更新支持TSN其他產(chǎn)品將接受軟件和硬件(FPGA)升級(jí)TSN ready products are select variants ofRSPE35RSPE37MSPGreyhou

15、nd 1040Octopus 2Dragon Mach series/en/Hirschmann_Produkte/Industrial_Ethernet/news/tsn-wp27/index.phtml22首先推向市場(chǎng)的TSN產(chǎn)品RSPE35/35 Rail SwitchProduct available: TSN Software:Now NowBobcat Rail Switch first native TSN switch!Product available: TSN Software:NowLikely Q3/2019Octopus II IP67 SwitchProduct a

16、vailable: TSN Software:Now NowRSPE withIEEE 802.1Qbv Time-Aware Scheduler on Gigabit Ethernet on 3 portsIEEE 1588 and IEEE 802.1ASFrame Pre-Emption in preparationOS2 withIEEE 802.1Qbv Time-Aware Scheduler on Gigabit Ethernet on 3 portsIEEE 1588 and IEEE 802.1ASFrame Pre-Emption in preparationBobcat

17、withIEEE 802.1Qbv Time-Aware Scheduler on all ports (FE and GE)IEEE 1588 and IEEE 802.1AS23Complete IEEE 802 Time-Sensitive Networking solution for end device fault- tolerant network attachments.Full duplex Ethernet interface at 100/1000 Mbps on three portsMII or RGMII port support4096 simultaneous

18、VLANsUp to 256 Gate Control List entries per cycle8ns gate operation resolutionIEEE 1588 and IEEE 802.1AS supportSimple SPI, I2C or UART configuration interfacesConnection to Host CPU through Ethernet attachment or Dual-ported RAM interface*17x17mm2 footprint, 256-ball BGA, 1.0-mm ball pitch-40 C to +100 C operating temperature支持客戶端基于TSN芯片的開發(fā)和集成SpeedChips KairosKairos Main Features24TSN DemosHanover Fair 2016 TSN流配置與工業(yè)HiVision SPS Fair 2