基于工业以太网的TSN实时性技术策略

杨 庆

(南京工程学院 计算机工程学院, 江苏 南京 211167)

0 引言

随着工业互联网发展进程的推进,工业制造系统变得越来越庞大,各种设备之间的互联也变得越来越重要[1]．各种以太网协议共存所带来的总线系统间的兼容性和互操作性问题已经成为工业互联网发展的一大障碍．此外,这些协议在易用性、带宽和设备成本方面也存在一些缺陷[2-3]．安全协议用于实现开放式互联网的通信安全,时间戳可以保证协议在传输消息时的可信性和准确性．在当前大数据和云计算的基础上,不仅要传输大量的数据,同时也要确保传输的安全性和确定性,已有的安全协议难以满足上述要求．因此,工业制造领域长期以来迫切需要一种具有时间确定性的通用以太网技术[4]．Sercos是此类产品的典型代表,因其使用了如随机访问等动态控制技术来满足安全要求[5-6]．

时间敏感网络(TSN)在带宽、安全性和互操作性等方面具有较大优势,能够较好地满足未来互联互通的要求[7-9]．TSN的工作原理是在传输过程中给予关键数据包更高的优先级．TSN定义了一个新的流量类别,称为控制数据流量．本文研究了TSN不同参数对工业以太网协议的影响,并对各种模型方法[10-12]进行比较,分析最优化的组合方式．

1 系统模型

为了研究拓扑扩展对工业以太网传输时间的影响,本文采用线性拓扑、环形拓扑和树形拓扑方案．

1.1 TSN技术

TSN网络最重要的影响因素是时间,其基本目标是提供一种方法来确保信息在清晰和可预测的时间范围内传输．TSN网络可以提供有限制的低延迟、低抖动和极低数据丢失率的数据传输能力．在数据传输过程中,时间感知调度器只使用本地配置来进行调度决策,包括周期长度和时隙．因此,需要各个设备之间的协同更密切,从而允许数据帧在确切的时隙内从一个交换设备传输到下一个交换设备．只有这样,数据流才能在网络上的各种设备之间无延迟的平滑传输,并且能够无需排队在最快的限制时间内到达目标．这意味着TSN网络中的所有设备必须具有一致的时间,必须知道周期的开始时间,或者周期中的时隙处于何种活动状态．为此,需要在TSN网络中使用时间同步协议．

由于实时通信中存在时间边界,协商比较困难,而且网络中的所有设备都需要有一个共同的时间基准,因此设备之间需要相互同步时间．TSN在网络中的时间同步主要通过同步、跟随、请求P时延、响应P时延、跟随响应P时延的时间同步方法实现,根设备将全局时间分配给时间感知系统中的所有节点,包括同步和后继消息．TSN中的时间同步实现如图1所示.

TSN在带宽、安全性和互操作性等方面具有较大优势,能够满足未来万物互联的需求．其通过指定优先级策略,在传输密钥包时优先处理关键数据包,关键数据在开始传输之前不必等待所有非关键数据完成传输,从而确保更快的传输路径．TSN包括时间同步、高可靠性、低时延和资源管理4个体系．IEEE实现802体系结构的标准制定和应用推荐,以实现TSN标准制定中的网间互操作性、安全性和整体网络管理．此外,许多独立的第三方组织参与TSN标准的测试、推广和产品认证．目前,他们已完成运行原理演示,并已于2017年开始对设备进行认证．

时间敏感网络有助于为电力行业的网络提供更精确的优化、更低的发电和维护成本．发电设备的范围较广,组成结构复杂,发电站的基础设施也会定期增加新的设备,工作人员必须让各种类型的系统协同工作才能保证系统运行的安全性和有效性．在电厂中把时间敏感网络作为不同系统的标准通信平台,有助于提高电厂体系结构的有效性．实例分析表明,对于确定性实时通信的系统,可以采用时间敏感网络技术对各个系统进行集成,然后对其时敏负载进行调整．对于其他高级管理和安全协议,可以在同一个网络中无差别地统一传递．另外,对时间敏感的网络技术的一个特点是可以及时检测到网络故障,并在组件级进行修剪．因此,基于TSN的各系统的集成有助于提高实际工作的效率．

1.2 时延测量技术

不同类型的局域网或传输路径都有不同的方法来测量传播时间．这些方法基于相同的原理,即测量一个设备发送消息的时间和另一个设备接收消息的时间,然后反向发送另一个消息再执行相同的时间测量．

图1 TSN中的时间同步实现 图2 网络时延测量原理

网络时延测量原理如图2所示，在此过程中,Pdelay计算如下:

(1)

下一级装置向上一级装置发送Pdelay-req,发送时间记为t1;上一级装置收到Pdelay-req的时间记为t2,将t2时间组包成Pdelay-resp,发送时间记为t3,将t3时间组包成Pdelay-resp-followup;下一级装置收到Pdelay-resp的时间为t4,并通过[t2-t1+t4-t3]/2得到Delay值,r=1．

最小时间段定义为从第一个Sercos帧的时间点到接收到的最后一个Sercos帧的时间点所经过的时间． Sercos的最短周期时间Ts包括Sercos链路传输时间dt、AT链路传输时间da和网络时延dN

(2)

TSN周期的Sercos时间计算如下:

(3)

交换机转发延迟dsw包括内部处理延迟ds和等待延迟dw

dsw=ds+dw

(4)

往返回路延迟时间

dR=dT+dsw+ds

(5)

对于时间感知节点,每个节点都带有时间信息,时间信息随数据负载一起发送．对于非时间感知网络,需要在发送数据帧之后向另一个节点发送时间消息．

1.3 TSN交换机

基于TSN技术的交换机是新一代的数字化通信设备,由TSN交换机组成的实时通信系统将替代目前以太网交换机组成的通信系统,令调控任务中的所有采样数据处在同一个时间断面下,实现控制任务的时间/时序可测量、可预测,为建立高效、低成本的调控中心提供重要技术支撑．因此,TSN交换机的设计方案必须在以下几个方面有较大的提升.

1) 根据时间可预测仿真算例,在电网中可调控资源变化后,通过电网-分布式电源-可控负荷的协调控制,在长周期内进行削峰填谷,最大化新能源消纳,在短周期内消除越限,提高电压合格率,从而提高电网资产利用率．

2) 对各种类型的通信负荷的适应能力(快速报文goose、高速测量报文SMV、文件报文MMS等),重点提升对高速通信报文通信时延方面的技术指标,提高通信系统对日益复杂的数字化、自动化的数据传递的支撑水平．

3) 降低目前日益高涨的通信建设成本,通过新技术的应用和网络结构的改进,以及开放性和标准化体系的建立,进一步降低通信系统的建设成本,促进实时通信技术的推广应用．

TSN主要用于解决以太网数据实时传输的问题,即解决数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题．其技术难点在于实现3个方面的算法:时间同步(网络中的所有设备都需要共同的时间参考,需要彼此同步时钟);调度和流量整形(参与实时通信的所有设备在处理和转发通信数据包时都遵循相同的规则);选择通信路径、路径预留和容错(参与实时通信的所有设备在选择通信路径和保留带宽和时隙时遵循相同的规则,可以利用多条路径来实现故障排除)．

2 试验结果

2.1 网络配置

利用实际Sercos网络的网络配置生成了一个流量模型．

1) 拓扑结构．对3种拓扑结构进行仿真．树形拓扑可以并行传输数据流,而线性拓扑具有顺序流．

2) 设备．模拟使用Sercos主机、TSN交换机、两个满负荷工作的模拟电话和Sercos从设备,模拟每个设备的有效载荷．

3) 线路号．在同一拓扑结构中模拟了5条短线路．可以通过添加短线路来增加数据帧数．更多数据帧意味着交换机端口上的干扰帧更多．

4) 数据流．从主机发送的Sercos数据帧具有最高优先级．从两部电话广播的帧检查时间保护窗口．同时还配置了各装置的不同有效载荷大小．13个从机对应137字节,100个从机对应20字节．

5) 数据速率．采用快速以太网(100 mbps)和千兆以太网(1 gbps)进行仿真．

2.2 测试场景

测试场景为LS1028A开发板的Switch Port和MAC口与Spirent的Port端口通信,测试步骤如下:

第1步: 测试的帧长范围为64～1 518字节,测试时间为60 s．试验按轻载10%和重载95%进行．

第2步: 按规定将交换机的任意两个端口连接到测试仪．

第3步: 两个端口同时向对方发送数据．

第4步: 记录不同帧长的转发时延,记录的时延应包括最大时延、最小时延和平均时延．

2.3 测试TSN的基本性能

测试的帧长范围为64～1 518字节,测试时间为60 s．试验按轻载10%和重载95%进行．将任意两个交换机端口连接到测试仪．两个端口同时以相应的负载向彼此发送数据．在测试过程中,记录不同帧长的时延,时延应包括最大时延、最小时延和平均时延．延迟和抖动测试结果如表1所示.

表1 延迟和抖动测试结果

TSN的下降率如表2所示．背景流由交换机设置,最大速率为20 Mb/s,允许通过8 000字节的最大帧长度可以有效减少延迟和抖动．100%负载下的延迟抖动结果如表3所示.

表2 TSN的下降率试验结果

表3 100%负载下的抖动结果

如果未启动TSN,测试流的实时延迟随时间变化如图3所示；如果启动TSN,测试流的实时延迟随时间变化如图4、图5所示.

图5 随时间变化的随机提取流的实时延迟

如果TSN未启动,测试流的抖动延迟随时间变化如表4所示；如果TSN启动,测试流的抖动延迟随时间变化如表5所示．

表4 测试流的延迟和抖动(无TSN)

表5 测试流的延迟和抖动(有TSN)

3 结论

对TSN场景测试中的时延和抖动性能进行了比较测试．测试结果表明,TSN技术可以保证时延,缩短了工业以太网的传输时间,提高了工业以太网的实时性．同时也证明了TSN是一种实时协议,具有较大的优势．由于TSN需要硬件支持,所以并没有集成到Sercos领域．通过现有的拓扑结构来提高Sercos的确定性是不可行的,因为其基于TDMA．在工业以太网中,数据帧需要将数十个甚至数百个级联节点或交换机转发到其目的地,这会导致较长的E2E延迟,从而导致传输时间较长.本文对TSN拓扑结构的扩展研究对满足工业以太网的实时性能具有重要意义,可以提高电力业务的安全性能．