基于工業(yè)以太網(wǎng)的TSN實時性技術(shù)策略

楊 慶

(南京工程學(xué)院 計算機工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

0 引言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn),工業(yè)制造系統(tǒng)變得越來越龐大,各種設(shè)備之間的互聯(lián)也變得越來越重要[1]．各種以太網(wǎng)協(xié)議共存所帶來的總線系統(tǒng)間的兼容性和互操作性問題已經(jīng)成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一大障礙．此外,這些協(xié)議在易用性、帶寬和設(shè)備成本方面也存在一些缺陷[2-3]．安全協(xié)議用于實現(xiàn)開放式互聯(lián)網(wǎng)的通信安全,時間戳可以保證協(xié)議在傳輸消息時的可信性和準(zhǔn)確性．在當(dāng)前大數(shù)據(jù)和云計算的基礎(chǔ)上,不僅要傳輸大量的數(shù)據(jù),同時也要確保傳輸?shù)陌踩院痛_定性,已有的安全協(xié)議難以滿足上述要求．因此,工業(yè)制造領(lǐng)域長期以來迫切需要一種具有時間確定性的通用以太網(wǎng)技術(shù)[4]．Sercos是此類產(chǎn)品的典型代表,因其使用了如隨機訪問等動態(tài)控制技術(shù)來滿足安全要求[5-6]．

時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)在帶寬、安全性和互操作性等方面具有較大優(yōu)勢,能夠較好地滿足未來互聯(lián)互通的要求[7-9]．TSN的工作原理是在傳輸過程中給予關(guān)鍵數(shù)據(jù)包更高的優(yōu)先級．TSN定義了一個新的流量類別,稱為控制數(shù)據(jù)流量．本文研究了TSN不同參數(shù)對工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的影響,并對各種模型方法[10-12]進(jìn)行比較,分析最優(yōu)化的組合方式．

1 系統(tǒng)模型

為了研究拓?fù)鋽U展對工業(yè)以太網(wǎng)傳輸時間的影響,本文采用線性拓?fù)洹h(huán)形拓?fù)浜蜆湫瓮負(fù)浞桨福?/p>

1.1 TSN技術(shù)

TSN網(wǎng)絡(luò)最重要的影響因素是時間,其基本目標(biāo)是提供一種方法來確保信息在清晰和可預(yù)測的時間范圍內(nèi)傳輸．TSN網(wǎng)絡(luò)可以提供有限制的低延遲、低抖動和極低數(shù)據(jù)丟失率的數(shù)據(jù)傳輸能力．在數(shù)據(jù)傳輸過程中,時間感知調(diào)度器只使用本地配置來進(jìn)行調(diào)度決策,包括周期長度和時隙．因此,需要各個設(shè)備之間的協(xié)同更密切,從而允許數(shù)據(jù)幀在確切的時隙內(nèi)從一個交換設(shè)備傳輸?shù)较乱粋€交換設(shè)備．只有這樣,數(shù)據(jù)流才能在網(wǎng)絡(luò)上的各種設(shè)備之間無延遲的平滑傳輸,并且能夠無需排隊在最快的限制時間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)．這意味著TSN網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備必須具有一致的時間,必須知道周期的開始時間,或者周期中的時隙處于何種活動狀態(tài)．為此,需要在TSN網(wǎng)絡(luò)中使用時間同步協(xié)議．

由于實時通信中存在時間邊界,協(xié)商比較困難,而且網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都需要有一個共同的時間基準(zhǔn),因此設(shè)備之間需要相互同步時間．TSN在網(wǎng)絡(luò)中的時間同步主要通過同步、跟隨、請求P時延、響應(yīng)P時延、跟隨響應(yīng)P時延的時間同步方法實現(xiàn),根設(shè)備將全局時間分配給時間感知系統(tǒng)中的所有節(jié)點,包括同步和后繼消息．TSN中的時間同步實現(xiàn)如圖1所示.

TSN在帶寬、安全性和互操作性等方面具有較大優(yōu)勢,能夠滿足未來萬物互聯(lián)的需求．其通過指定優(yōu)先級策略,在傳輸密鑰包時優(yōu)先處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)包,關(guān)鍵數(shù)據(jù)在開始傳輸之前不必等待所有非關(guān)鍵數(shù)據(jù)完成傳輸,從而確保更快的傳輸路徑．TSN包括時間同步、高可靠性、低時延和資源管理4個體系．IEEE實現(xiàn)802體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)制定和應(yīng)用推薦,以實現(xiàn)TSN標(biāo)準(zhǔn)制定中的網(wǎng)間互操作性、安全性和整體網(wǎng)絡(luò)管理．此外,許多獨立的第三方組織參與TSN標(biāo)準(zhǔn)的測試、推廣和產(chǎn)品認(rèn)證．目前,他們已完成運行原理演示,并已于2017年開始對設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證．

時間敏感網(wǎng)絡(luò)有助于為電力行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)提供更精確的優(yōu)化、更低的發(fā)電和維護(hù)成本．發(fā)電設(shè)備的范圍較廣,組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜,發(fā)電站的基礎(chǔ)設(shè)施也會定期增加新的設(shè)備,工作人員必須讓各種類型的系統(tǒng)協(xié)同工作才能保證系統(tǒng)運行的安全性和有效性．在電廠中把時間敏感網(wǎng)絡(luò)作為不同系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信平臺,有助于提高電廠體系結(jié)構(gòu)的有效性．實例分析表明,對于確定性實時通信的系統(tǒng),可以采用時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對各個系統(tǒng)進(jìn)行集成,然后對其時敏負(fù)載進(jìn)行調(diào)整．對于其他高級管理和安全協(xié)議,可以在同一個網(wǎng)絡(luò)中無差別地統(tǒng)一傳遞．另外,對時間敏感的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個特點是可以及時檢測到網(wǎng)絡(luò)故障,并在組件級進(jìn)行修剪．因此,基于TSN的各系統(tǒng)的集成有助于提高實際工作的效率．

1.2 時延測量技術(shù)

不同類型的局域網(wǎng)或傳輸路徑都有不同的方法來測量傳播時間．這些方法基于相同的原理,即測量一個設(shè)備發(fā)送消息的時間和另一個設(shè)備接收消息的時間,然后反向發(fā)送另一個消息再執(zhí)行相同的時間測量．

圖1 TSN中的時間同步實現(xiàn) 圖2 網(wǎng)絡(luò)時延測量原理

網(wǎng)絡(luò)時延測量原理如圖2所示，在此過程中,Pdelay計算如下:

(1)

下一級裝置向上一級裝置發(fā)送Pdelay-req,發(fā)送時間記為t1;上一級裝置收到Pdelay-req的時間記為t2,將t2時間組包成Pdelay-resp,發(fā)送時間記為t3,將t3時間組包成Pdelay-resp-followup;下一級裝置收到Pdelay-resp的時間為t4,并通過[t2-t1+t4-t3]/2得到Delay值,r=1．

最小時間段定義為從第一個Sercos幀的時間點到接收到的最后一個Sercos幀的時間點所經(jīng)過的時間． Sercos的最短周期時間Ts包括Sercos鏈路傳輸時間dt、AT鏈路傳輸時間da和網(wǎng)絡(luò)時延dN

(2)

TSN周期的Sercos時間計算如下:

(3)

交換機轉(zhuǎn)發(fā)延遲dsw包括內(nèi)部處理延遲ds和等待延遲dw

dsw=ds+dw

(4)

往返回路延遲時間

dR=dT+dsw+ds

(5)

對于時間感知節(jié)點,每個節(jié)點都帶有時間信息,時間信息隨數(shù)據(jù)負(fù)載一起發(fā)送．對于非時間感知網(wǎng)絡(luò),需要在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之后向另一個節(jié)點發(fā)送時間消息．

1.3 TSN交換機

基于TSN技術(shù)的交換機是新一代的數(shù)字化通信設(shè)備,由TSN交換機組成的實時通信系統(tǒng)將替代目前以太網(wǎng)交換機組成的通信系統(tǒng),令調(diào)控任務(wù)中的所有采樣數(shù)據(jù)處在同一個時間斷面下,實現(xiàn)控制任務(wù)的時間/時序可測量、可預(yù)測,為建立高效、低成本的調(diào)控中心提供重要技術(shù)支撐．因此,TSN交換機的設(shè)計方案必須在以下幾個方面有較大的提升.

1) 根據(jù)時間可預(yù)測仿真算例,在電網(wǎng)中可調(diào)控資源變化后,通過電網(wǎng)-分布式電源-可控負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制,在長周期內(nèi)進(jìn)行削峰填谷,最大化新能源消納,在短周期內(nèi)消除越限,提高電壓合格率,從而提高電網(wǎng)資產(chǎn)利用率．

2) 對各種類型的通信負(fù)荷的適應(yīng)能力(快速報文goose、高速測量報文SMV、文件報文MMS等),重點提升對高速通信報文通信時延方面的技術(shù)指標(biāo),提高通信系統(tǒng)對日益復(fù)雜的數(shù)字化、自動化的數(shù)據(jù)傳遞的支撐水平．

3) 降低目前日益高漲的通信建設(shè)成本,通過新技術(shù)的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),以及開放性和標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立,進(jìn)一步降低通信系統(tǒng)的建設(shè)成本,促進(jìn)實時通信技術(shù)的推廣應(yīng)用．

TSN主要用于解決以太網(wǎng)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)膯栴},即解決數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)傳輸中的時序性、低延時和流量整形問題．其技術(shù)難點在于實現(xiàn)3個方面的算法:時間同步(網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都需要共同的時間參考,需要彼此同步時鐘);調(diào)度和流量整形(參與實時通信的所有設(shè)備在處理和轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)包時都遵循相同的規(guī)則);選擇通信路徑、路徑預(yù)留和容錯(參與實時通信的所有設(shè)備在選擇通信路徑和保留帶寬和時隙時遵循相同的規(guī)則,可以利用多條路徑來實現(xiàn)故障排除)．

2 試驗結(jié)果

2.1 網(wǎng)絡(luò)配置

利用實際Sercos網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)配置生成了一個流量模型．

1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．對3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真．樹形拓?fù)淇梢圆⑿袀鬏敂?shù)據(jù)流,而線性拓?fù)渚哂许樞蛄鳎?/p>

2) 設(shè)備．模擬使用Sercos主機、TSN交換機、兩個滿負(fù)荷工作的模擬電話和Sercos從設(shè)備,模擬每個設(shè)備的有效載荷．

3) 線路號．在同一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中模擬了5條短線路．可以通過添加短線路來增加數(shù)據(jù)幀數(shù)．更多數(shù)據(jù)幀意味著交換機端口上的干擾幀更多．

4) 數(shù)據(jù)流．從主機發(fā)送的Sercos數(shù)據(jù)幀具有最高優(yōu)先級．從兩部電話廣播的幀檢查時間保護(hù)窗口．同時還配置了各裝置的不同有效載荷大?。?3個從機對應(yīng)137字節(jié),100個從機對應(yīng)20字節(jié)．

5) 數(shù)據(jù)速率．采用快速以太網(wǎng)(100 mbps)和千兆以太網(wǎng)(1 gbps)進(jìn)行仿真．

2.2 測試場景

測試場景為LS1028A開發(fā)板的Switch Port和MAC口與Spirent的Port端口通信,測試步驟如下:

第1步: 測試的幀長范圍為64～1 518字節(jié),測試時間為60 s．試驗按輕載10%和重載95%進(jìn)行．

第2步: 按規(guī)定將交換機的任意兩個端口連接到測試儀．

第3步: 兩個端口同時向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)．

第4步: 記錄不同幀長的轉(zhuǎn)發(fā)時延,記錄的時延應(yīng)包括最大時延、最小時延和平均時延．

2.3 測試TSN的基本性能

測試的幀長范圍為64～1 518字節(jié),測試時間為60 s．試驗按輕載10%和重載95%進(jìn)行．將任意兩個交換機端口連接到測試儀．兩個端口同時以相應(yīng)的負(fù)載向彼此發(fā)送數(shù)據(jù)．在測試過程中,記錄不同幀長的時延,時延應(yīng)包括最大時延、最小時延和平均時延．延遲和抖動測試結(jié)果如表1所示.

表1 延遲和抖動測試結(jié)果

TSN的下降率如表2所示．背景流由交換機設(shè)置,最大速率為20 Mb/s,允許通過8 000字節(jié)的最大幀長度可以有效減少延遲和抖動．100%負(fù)載下的延遲抖動結(jié)果如表3所示.

表2 TSN的下降率試驗結(jié)果

表3 100%負(fù)載下的抖動結(jié)果

如果未啟動TSN,測試流的實時延遲隨時間變化如圖3所示；如果啟動TSN,測試流的實時延遲隨時間變化如圖4、圖5所示.

圖5 隨時間變化的隨機提取流的實時延遲

如果TSN未啟動,測試流的抖動延遲隨時間變化如表4所示；如果TSN啟動,測試流的抖動延遲隨時間變化如表5所示．

表4 測試流的延遲和抖動(無TSN)

表5 測試流的延遲和抖動(有TSN)

3 結(jié)論

對TSN場景測試中的時延和抖動性能進(jìn)行了比較測試．測試結(jié)果表明,TSN技術(shù)可以保證時延,縮短了工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸時間,提高了工業(yè)以太網(wǎng)的實時性．同時也證明了TSN是一種實時協(xié)議,具有較大的優(yōu)勢．由于TSN需要硬件支持,所以并沒有集成到Sercos領(lǐng)域．通過現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提高Sercos的確定性是不可行的,因為其基于TDMA．在工業(yè)以太網(wǎng)中,數(shù)據(jù)幀需要將數(shù)十個甚至數(shù)百個級聯(lián)節(jié)點或交換機轉(zhuǎn)發(fā)到其目的地,這會導(dǎo)致較長的E2E延遲,從而導(dǎo)致傳輸時間較長.本文對TSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴展研究對滿足工業(yè)以太網(wǎng)的實時性能具有重要意義,可以提高電力業(yè)務(wù)的安全性能．