面向工業(yè)的TSN-雙線以太網(wǎng)系統(tǒng)

陳 鋒,原申思,時(shí)廣軼,嚴(yán) 偉

(北京大學(xué)軟件與微電子學(xué)院,北京 102600)

0 引言

20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術(shù)為工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn),而現(xiàn)場總線也在90年代發(fā)展出多種類型,形成“百家爭鳴”的局面。現(xiàn)場總線沿用了電動(dòng)單元組合儀表連接線方式,即采用4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)進(jìn)行通信,其最顯著的特點(diǎn)在于使用一對(duì)雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,并可以通過該電纜線進(jìn)行供電[1]。

隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展,現(xiàn)場總線種類繁多且互不兼容的問題日益嚴(yán)重,曾有相關(guān)工作者提出利用以太網(wǎng)低成本、高帶寬的優(yōu)勢進(jìn)行“一網(wǎng)到底”,對(duì)現(xiàn)場級(jí)生產(chǎn)設(shè)備、車間級(jí)人機(jī)交互以及工廠級(jí)辦公管理進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理[2]。然而以太網(wǎng)采用的多線制RJ45接口與一對(duì)雙絞線并不兼容,且無法滿足工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備之間幾百米甚至幾千米的通信距離,特別是不能保證防爆以及本安供電要求。除此以外,標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)“盡力而為”的傳輸準(zhǔn)則在流量過大時(shí)會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁堵、時(shí)延不確定甚至數(shù)據(jù)丟失[2],可能會(huì)對(duì)具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響,甚至引發(fā)生產(chǎn)事故。

1990年,第一個(gè)關(guān)于以太網(wǎng)物理層的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3i推出,規(guī)定在兩對(duì)雙絞線物理層上以10 Mbit/s的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,此后不斷地朝更快速傳輸速率方向發(fā)展,物理層雙絞線對(duì)數(shù)也由2對(duì)變成4對(duì)。然而以太網(wǎng)的傳輸距離一直限制在百米以內(nèi),并不適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)。隨著工業(yè)4.0、智能制造等概念的提出,2015年,第一個(gè)雙線以太網(wǎng)SPE(single pair ethernet)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3bw被推出,并規(guī)定使用一對(duì)非屏蔽的雙絞線實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s速率下15 m的距離傳輸[3]。此后關(guān)于SPE的標(biāo)準(zhǔn)迅速發(fā)展,并覆蓋了10 、100、1 000 Mbit/s,其最遠(yuǎn)的傳輸距離也達(dá)到了1 km,截至目前SPE協(xié)議簇如表1所示。

表1 SPE協(xié)議簇

盡管以太網(wǎng)具有低成本以及高帶寬的優(yōu)點(diǎn),但是隨著數(shù)據(jù)量的愈加龐大以及對(duì)端到端時(shí)延的要求越來越嚴(yán)苛,以太網(wǎng)“盡力而為”的傳輸方式的弊端愈加明顯。為解決時(shí)延確定性等問題,在工業(yè)領(lǐng)域提出了系列工業(yè)以太網(wǎng)方案如PROFINET[4]、EtherCAT[5]等,但它們之間依然存在互相不兼容的問題,難以滿足實(shí)時(shí)性需求。此后廣泛應(yīng)用于航空的時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)TTE(time trigger ethernet)、由AVB發(fā)展而來的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN(time sensitive ethernet)以及IETF的確定性網(wǎng)絡(luò)DetNet(deterministic network)逐漸進(jìn)入人們的視野,其中以時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN最為著名。文獻(xiàn)[6]提出通過數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)多種現(xiàn)場總線與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān),相較于傳統(tǒng)嵌入式處理方式具有低時(shí)延和確定性的優(yōu)勢,且使得多種現(xiàn)場總線能夠互聯(lián)互通,在協(xié)議網(wǎng)關(guān)層面為推動(dòng)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)到底”提供硬件基礎(chǔ)。

1 TSN與SPE發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 TSN發(fā)展及工業(yè)應(yīng)用

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN由音視頻橋接AVB技術(shù)發(fā)展而來,是符合IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)確定性時(shí)延的系列協(xié)議簇。TSN采用符合IEEE 802.1Q帶VLAN標(biāo)簽的以太網(wǎng)幀,其幀格式如圖1所示。

圖1 TSN幀格式

TSN允許周期性和非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸,既保證周期性強(qiáng)實(shí)時(shí)性流量如運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)的低時(shí)延低抖動(dòng)以及優(yōu)先傳輸,也允許非周期性無實(shí)時(shí)性流量通信,使得以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢。TSN主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括精準(zhǔn)時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)流調(diào)度策略、流預(yù)定以及幀搶占等。

為保證工業(yè)領(lǐng)域強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)的時(shí)間確定性,必須實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)一的高精度時(shí)鐘基準(zhǔn),因此TSN首先解決網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘同步和延時(shí)計(jì)算問題,確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)調(diào)度具有高度一致性。TSN標(biāo)準(zhǔn)包括的IEEE 802.1AS規(guī)范是基于IEEE 1588 V2精準(zhǔn)時(shí)鐘同步協(xié)議發(fā)展而來的,其時(shí)鐘同步算法包括延時(shí)請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)制和對(duì)等延時(shí)機(jī)制2種,其中對(duì)等延時(shí)機(jī)制原理如圖2所示。

圖2 對(duì)等延時(shí)機(jī)制原理圖

對(duì)等延時(shí)機(jī)制算法流程如下:

(1)發(fā)起端發(fā)送peer_delay_req報(bào)文,并記錄發(fā)送時(shí)間t1。響應(yīng)端接收peer_delay_req報(bào)文,并記錄接收時(shí)間t2。

(2)響應(yīng)端接著發(fā)送攜帶t2時(shí)間戳的peer_delay_resp報(bào)文,并記錄發(fā)送時(shí)間t3。響應(yīng)端發(fā)送攜帶時(shí)間戳t3的peer_delay_resp_Follow_Up報(bào)文。

(3)發(fā)起端接收peer_delay_resp報(bào)文,并記錄接收時(shí)間t4。

此時(shí),時(shí)間同步發(fā)起端可獲取4個(gè)時(shí)間戳信息,然后根據(jù)時(shí)間戳信息計(jì)算公式計(jì)算2個(gè)節(jié)點(diǎn)的delay和offset:

delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2

(1)

offset=[(t2-t1)-(t4-t3)]/2

(2)

時(shí)間同步發(fā)起端可根據(jù)delay和offset對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整,由于port1和port2處于同一優(yōu)先級(jí),port1完成一次同步后由port2發(fā)起一次時(shí)間同步,依次循環(huán)完成時(shí)鐘收斂。

在實(shí)現(xiàn)ns級(jí)精準(zhǔn)時(shí)鐘同步后,TSN在時(shí)間刻度上根據(jù)流量的實(shí)時(shí)性需求劃分時(shí)間片,在相應(yīng)時(shí)間片僅允許對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)流量傳輸,并設(shè)置保護(hù)帶避免在時(shí)間臨界點(diǎn)處造成數(shù)據(jù)丟失。通過流預(yù)定協(xié)議為高優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)性流量預(yù)定帶寬,避免非實(shí)時(shí)性流量干擾;幀搶占協(xié)議允許高優(yōu)先級(jí)流量打斷低優(yōu)先級(jí)流量傳輸,從而保證高優(yōu)先級(jí)流量的傳輸,即通過實(shí)現(xiàn)系列協(xié)議簇來降低強(qiáng)實(shí)時(shí)性流量的傳輸時(shí)延,提高其確定性。

為降低物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)延、提高通信的確定性,TSN與WiFi、5G的融合也成為研究熱點(diǎn),文獻(xiàn)[7]基于FPGA在數(shù)據(jù)鏈路層采用隧道方式實(shí)現(xiàn)了TSN與WiFi的互聯(lián),測試表明設(shè)計(jì)電路端到端最低時(shí)延可達(dá)到μs級(jí)。盡管無線物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用具有成本低、靈活性高等優(yōu)點(diǎn),但是在電磁干擾等惡劣生產(chǎn)環(huán)境中,有線組網(wǎng)的可靠性更能滿足應(yīng)用需求,其中單對(duì)雙絞線在滿足防爆和本安供電方面具有優(yōu)勢。

1.2 SPE發(fā)展及工業(yè)應(yīng)用

單對(duì)雙絞線最初提出是為了解決車載以太網(wǎng)中連接線的需求,隨著傳輸距離以及傳輸速度的增加,其在工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。采用單對(duì)雙絞線布線除了降低成本外,最重要的是可以在一對(duì)雙絞線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與電源同時(shí)傳輸,即符合IEEE 802.3bu規(guī)范的數(shù)據(jù)線供電PoDL(power over data line)。

自2015年第一個(gè)雙線以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)被推出以來,國內(nèi)外半導(dǎo)體廠家均著力研制相關(guān)物理層芯片。ADIN1100物理層芯片滿足IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn),即在10 Mbit/s速率下使用一對(duì)屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)1 km的超遠(yuǎn)距離傳輸,且同時(shí)完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)線供電,滿足特殊防爆以及本安供電需求。DP83TD510E物理層芯片符合IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn),同樣能滿足本安供電需求。

具有自主產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)以太網(wǎng)物理層芯片YT8510H滿足長距以太網(wǎng)(long range ethernet, LRE)技術(shù)要求,即使用一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)300 m@100 Mbit/s、1000 m@10 Mbit/s傳輸。KG701XM滿足IEEE 802.3 cg/IEEE 802.3 bw/IEEE 802.3 bp等標(biāo)準(zhǔn)。2020年發(fā)布的關(guān)于“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造和智能工廠”重點(diǎn)專項(xiàng)申報(bào)指南,其中明確提出面向智慧工廠的雙線以太網(wǎng)芯片關(guān)鍵技術(shù)研究與芯片研發(fā)。智慧工廠建設(shè)對(duì)國家實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用,而雙線以太網(wǎng)是建成智慧工廠的重要技術(shù)支撐。

2 原理分析及驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)融合原理分析

在OSI網(wǎng)絡(luò)模型中,時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)工作在第二層數(shù)據(jù)鏈路層,單對(duì)雙絞線技術(shù)屬于第一層物理層技術(shù),如圖3所示。

圖3 TSN、SPE在OSI模型中位置圖

從模型上來看,TSN、SPE二者之間具有先天兼容性,SPE物理層負(fù)責(zé)將MAC層發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以在網(wǎng)絡(luò)媒介上傳輸?shù)男畔?同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)媒介上的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送到MAC層,同時(shí)完成與其他節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)協(xié)商功能,基本不會(huì)影響數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的處理。

文獻(xiàn)[8]搭建雙線以太網(wǎng)平臺(tái)對(duì)時(shí)鐘同步精度進(jìn)行了性能測試,分析了延遲抖動(dòng)對(duì)時(shí)鐘同步精度的影響,并提出一種延遲抖動(dòng)容忍算法提高雙線以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步精度,從而滿足以太網(wǎng)中流量的實(shí)時(shí)性需求。文獻(xiàn)[9]提出在物理層上添加時(shí)間戳進(jìn)一步提高時(shí)鐘同步精度,從而滿足μs級(jí)低時(shí)延、低抖動(dòng)應(yīng)用需求。實(shí)現(xiàn)硬件時(shí)間戳僅需在物理層PHY芯片上實(shí)現(xiàn)時(shí)間戳的添加和分離,能夠在不影響物理層連接功能的同時(shí)為MAC層提供更精準(zhǔn)的時(shí)鐘信息。在完成高精度的時(shí)鐘同步基礎(chǔ)上,需要借助列隊(duì)調(diào)度等流控技術(shù)為關(guān)鍵流量提供確定性傳輸服務(wù)。

2.2 驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于以上分析,本文選取了市面上較為成熟的產(chǎn)品搭建系統(tǒng)驗(yàn)證,分別是多協(xié)議交換評(píng)估板EVAL-RapID-TSNEK以及雙線以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器YT8510/8512Board。

TSN評(píng)估板集成了一款實(shí)時(shí)多協(xié)議交換機(jī)芯片,支持10 Mbit/s和100 Mbit/s,同時(shí)支持IPv4和IPv6協(xié)議。該評(píng)估板搭載的兩個(gè)以太網(wǎng)端口均支持MII接口和RMII接口。支持TSN的功能包括精準(zhǔn)時(shí)間同步、流量調(diào)度與增強(qiáng)、流預(yù)定協(xié)議以及幀搶占等。該交換機(jī)芯片可通過一款實(shí)時(shí)通信控制器芯片對(duì)實(shí)時(shí)多協(xié)議交換機(jī)芯片進(jìn)行相關(guān)功能配置,通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)將非TSN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換至TSN域進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

雙線以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器集成了符合長距以太網(wǎng)的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器YT8510H作為雙線以太網(wǎng)傳輸端,其中雙線以太網(wǎng)端可以使用單對(duì)雙絞線在10 Mbit/s速率下傳輸1 000 m,在100 Mbit/s速率下傳輸300 m,并完成雙線以太網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的相互轉(zhuǎn)換。

TSN評(píng)估板可以實(shí)現(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)入TSN網(wǎng)絡(luò)中,在本實(shí)驗(yàn)中將支持標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口的遠(yuǎn)程IO作為信號(hào)采集設(shè)備,連接至TSN評(píng)估板的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接入接口,另一塊評(píng)估板的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接入接口連接上位機(jī),形成TSN網(wǎng)絡(luò)通路。同時(shí)將TSN評(píng)估板的交換端口作為視頻流的輸入和輸出,對(duì)工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控環(huán)境進(jìn)行模擬。鑒于該TSN產(chǎn)品僅支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口,因此通過雙線以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接2個(gè)TSN評(píng)估板,其連接拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 測試系統(tǒng)連接拓?fù)?/p>

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照上述邏輯拓?fù)鋱D進(jìn)行實(shí)物連接,2個(gè)雙線以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器之間采用100 m的單對(duì)雙絞線連接,并為各節(jié)點(diǎn)配置相應(yīng)的IP地址,使節(jié)點(diǎn)處于同一網(wǎng)段內(nèi)。TSN網(wǎng)絡(luò)工作的基礎(chǔ)是TSN域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)最佳主時(shí)鐘算法完成精準(zhǔn)時(shí)鐘同步時(shí)間收斂,本文采用2個(gè)TSN評(píng)估板會(huì)根據(jù)設(shè)置自動(dòng)仲裁出主時(shí)鐘和從時(shí)鐘并完成精準(zhǔn)時(shí)鐘同步,主從時(shí)鐘關(guān)系可通過LED顯示不同顏色進(jìn)行區(qū)分。

完成精準(zhǔn)時(shí)鐘同步后根據(jù)需要配置流轉(zhuǎn)換,本實(shí)驗(yàn)中需要進(jìn)行流轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)為遠(yuǎn)程IO以及上位機(jī)2個(gè)節(jié)點(diǎn),分別配置對(duì)應(yīng)IP地址、TSN目的MAC地址、VLAN優(yōu)先級(jí)以及VLAN ID等。TSN評(píng)估板配置軟件提供了4個(gè)隊(duì)列,其中隊(duì)列0為“Best Effort”流量,隊(duì)列2為TSN流量,隊(duì)列3專門為精準(zhǔn)時(shí)鐘同步服務(wù)。TSN網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間刻度上劃分時(shí)間片,并根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行門控隊(duì)列排序,保證高優(yōu)先級(jí)流量傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。通過軟件設(shè)置時(shí)隙為1 ms,其中隊(duì)列0為500 μs,隊(duì)列2為300 μs,用于時(shí)間同步的隊(duì)列3為200 μs。

在測試系統(tǒng)中,遠(yuǎn)程IO數(shù)據(jù)為工業(yè)控制實(shí)時(shí)性流量,設(shè)置為優(yōu)先級(jí)為7的流量,通過TSN評(píng)估板進(jìn)行流轉(zhuǎn)換后使用TSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸;現(xiàn)場視頻流量的實(shí)時(shí)性要求較低,設(shè)置為“Best Effort”流量,即標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)流量。分別在2次實(shí)驗(yàn)中選擇不開啟門控隊(duì)列和開啟門控隊(duì)列,并使用軟件抓取流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)比開啟門控隊(duì)列進(jìn)行流量調(diào)度前后的流量時(shí)間分布。

在未開啟門控隊(duì)列時(shí),遠(yuǎn)程IO流與視頻流交錯(cuò)地分布在時(shí)間刻度上,并無明顯優(yōu)先級(jí)區(qū)分,如圖5所示。當(dāng)開啟門控隊(duì)列時(shí),遠(yuǎn)程IO進(jìn)行流轉(zhuǎn)換后的TSN流、盡力而為的視頻流以及時(shí)間同步報(bào)文根據(jù)隊(duì)列調(diào)度落在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙當(dāng)中,如圖6所示。

圖5 未開啟門控隊(duì)列時(shí)流量隊(duì)列

圖6 開啟門控隊(duì)列時(shí)流量調(diào)度隊(duì)列

對(duì)比門控隊(duì)列開啟前后報(bào)文的時(shí)延,得到如圖7所示的時(shí)延對(duì)比圖。當(dāng)未開啟門控隊(duì)列時(shí),網(wǎng)絡(luò)平均延遲為123.9 μs,抖動(dòng)為60 μs;當(dāng)開啟門控隊(duì)列后,網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延為123.5 μs,抖動(dòng)為1 μs。由此表明,TSN網(wǎng)絡(luò)可通過門控調(diào)度等技術(shù)保證強(qiáng)實(shí)時(shí)性流量的低時(shí)延、低抖動(dòng)和確定性傳輸。

圖7 開啟門控前后時(shí)延對(duì)比圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中布線不統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)通信確定性不足的現(xiàn)狀,提出融合雙線以太網(wǎng)技術(shù)和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)“一網(wǎng)到底”,并采用成熟的模塊搭建了基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的雙線以太網(wǎng)系統(tǒng)和測試平臺(tái)。測試結(jié)果表明:融合雙線以太網(wǎng)的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以有效降低當(dāng)前工業(yè)通信時(shí)延和抖動(dòng)。該系統(tǒng)在節(jié)約布線成本的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量,可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、樓宇等場景。