面向工业的TSN-双线以太网系统

陈 锋,原申思,时广轶,严 伟

(北京大学软件与微电子学院,北京 102600)

0 引言

20世纪80年代发展起来的现场总线技术为工业控制领域的发展做出了卓越的贡献,而现场总线也在90年代发展出多种类型,形成“百家争鸣”的局面。现场总线沿用了电动单元组合仪表连接线方式,即采用4～20 mA的标准化信号进行通信,其最显著的特点在于使用一对双绞线进行数据传输,并可以通过该电缆线进行供电[1]。

随着工业技术发展,现场总线种类繁多且互不兼容的问题日益严重,曾有相关工作者提出利用以太网低成本、高带宽的优势进行“一网到底”,对现场级生产设备、车间级人机交互以及工厂级办公管理进行统一调度管理[2]。然而以太网采用的多线制RJ45接口与一对双绞线并不兼容,且无法满足工业生产设备之间几百米甚至几千米的通信距离,特别是不能保证防爆以及本安供电要求。除此以外,标准以太网“尽力而为”的传输准则在流量过大时会造成网络拥堵、时延不确定甚至数据丢失[2],可能会对具有强实时性要求的系统造成严重的影响,甚至引发生产事故。

1990年,第一个关于以太网物理层的标准IEEE 802.3i推出,规定在两对双绞线物理层上以10 Mbit/s的速率进行数据传输,此后不断地朝更快速传输速率方向发展,物理层双绞线对数也由2对变成4对。然而以太网的传输距离一直限制在百米以内,并不适应工业生产。随着工业4.0、智能制造等概念的提出,2015年,第一个双线以太网SPE(single pair ethernet)标准IEEE 802.3bw被推出,并规定使用一对非屏蔽的双绞线实现100 Mbit/s速率下15 m的距离传输[3]。此后关于SPE的标准迅速发展,并覆盖了10 、100、1 000 Mbit/s,其最远的传输距离也达到了1 km,截至目前SPE协议簇如表1所示。

表1 SPE协议簇

尽管以太网具有低成本以及高带宽的优点,但是随着数据量的愈加庞大以及对端到端时延的要求越来越严苛,以太网“尽力而为”的传输方式的弊端愈加明显。为解决时延确定性等问题,在工业领域提出了系列工业以太网方案如PROFINET[4]、EtherCAT[5]等,但它们之间依然存在互相不兼容的问题,难以满足实时性需求。此后广泛应用于航空的时间触发以太网TTE(time trigger ethernet)、由AVB发展而来的时间敏感网络TSN(time sensitive ethernet)以及IETF的确定性网络DetNet(deterministic network)逐渐进入人们的视野,其中以时间敏感网络TSN最为著名。文献[6]提出通过数字电路实现多种现场总线与时间敏感网络的协议转换网关,相较于传统嵌入式处理方式具有低时延和确定性的优势,且使得多种现场总线能够互联互通,在协议网关层面为推动以太网实现“一网到底”提供硬件基础。

1 TSN与SPE发展及应用现状

1.1 TSN发展及工业应用

时间敏感网络TSN由音视频桥接AVB技术发展而来,是符合IEEE 802.1标准的实现确定性时延的系列协议簇。TSN采用符合IEEE 802.1Q带VLAN标签的以太网帧,其帧格式如图1所示。

图1 TSN帧格式

TSN允许周期性和非周期性数据在同一网络中传输,既保证周期性强实时性流量如运动控制信号的低时延低抖动以及优先传输,也允许非周期性无实时性流量通信,使得以太网具有确定性传输的优势。TSN主要技术标准包括精准时钟同步、数据流调度策略、流预定以及帧抢占等。

为保证工业领域强实时性任务的时间确定性,必须实现分布式网络中统一的高精度时钟基准,因此TSN首先解决网络中的时钟同步和延时计算问题,确保整个网络的任务调度具有高度一致性。TSN标准包括的IEEE 802.1AS规范是基于IEEE 1588 V2精准时钟同步协议发展而来的,其时钟同步算法包括延时请求响应机制和对等延时机制2种,其中对等延时机制原理如图2所示。

图2 对等延时机制原理图

对等延时机制算法流程如下:

(1)发起端发送peer_delay_req报文,并记录发送时间t1。响应端接收peer_delay_req报文,并记录接收时间t2。

(2)响应端接着发送携带t2时间戳的peer_delay_resp报文,并记录发送时间t3。响应端发送携带时间戳t3的peer_delay_resp_Follow_Up报文。

(3)发起端接收peer_delay_resp报文,并记录接收时间t4。

此时,时间同步发起端可获取4个时间戳信息,然后根据时间戳信息计算公式计算2个节点的delay和offset:

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

(1)

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

(2)

时间同步发起端可根据delay和offset对本地时钟进行调整,由于port1和port2处于同一优先级,port1完成一次同步后由port2发起一次时间同步,依次循环完成时钟收敛。

在实现ns级精准时钟同步后,TSN在时间刻度上根据流量的实时性需求划分时间片,在相应时间片仅允许对应优先级流量传输,并设置保护带避免在时间临界点处造成数据丢失。通过流预定协议为高优先级实时性流量预定带宽,避免非实时性流量干扰;帧抢占协议允许高优先级流量打断低优先级流量传输,从而保证高优先级流量的传输,即通过实现系列协议簇来降低强实时性流量的传输时延,提高其确定性。

为降低物联网通信时延、提高通信的确定性,TSN与WiFi、5G的融合也成为研究热点,文献[7]基于FPGA在数据链路层采用隧道方式实现了TSN与WiFi的互联,测试表明设计电路端到端最低时延可达到μs级。尽管无线物联网在工业环境应用具有成本低、灵活性高等优点,但是在电磁干扰等恶劣生产环境中,有线组网的可靠性更能满足应用需求,其中单对双绞线在满足防爆和本安供电方面具有优势。

1.2 SPE发展及工业应用

单对双绞线最初提出是为了解决车载以太网中连接线的需求,随着传输距离以及传输速度的增加,其在工业领域将得到广泛应用。采用单对双绞线布线除了降低成本外,最重要的是可以在一对双绞线上实现数据与电源同时传输,即符合IEEE 802.3bu规范的数据线供电PoDL(power over data line)。

自2015年第一个双线以太网标准被推出以来,国内外半导体厂家均着力研制相关物理层芯片。ADIN1100物理层芯片满足IEEE 802.3cg标准,即在10 Mbit/s速率下使用一对屏蔽双绞线实现1 km的超远距离传输,且同时完成远程数据线供电,满足特殊防爆以及本安供电需求。DP83TD510E物理层芯片符合IEEE 802.3cg标准,同样能满足本安供电需求。

具有自主产权的国产以太网物理层芯片YT8510H满足长距以太网(long range ethernet, LRE)技术要求,即使用一对双绞线实现300 m@100 Mbit/s、1000 m@10 Mbit/s传输。KG701XM满足IEEE 802.3 cg/IEEE 802.3 bw/IEEE 802.3 bp等标准。2020年发布的关于“网络协同制造和智能工厂”重点专项申报指南,其中明确提出面向智慧工厂的双线以太网芯片关键技术研究与芯片研发。智慧工厂建设对国家实体经济发展具有重要作用,而双线以太网是建成智慧工厂的重要技术支撑。

2 原理分析及验证系统设计

2.1 技术融合原理分析

在OSI网络模型中,时间敏感网络工作在第二层数据链路层,单对双绞线技术属于第一层物理层技术,如图3所示。

图3 TSN、SPE在OSI模型中位置图

从模型上来看,TSN、SPE二者之间具有先天兼容性,SPE物理层负责将MAC层发送的数据转换成可以在网络媒介上传输的信息,同时将网络媒介上的信息转换成数字信号发送到MAC层,同时完成与其他节点的自动协商功能,基本不会影响数据链路层对发送和接收数据的处理。

文献[8]搭建双线以太网平台对时钟同步精度进行了性能测试,分析了延迟抖动对时钟同步精度的影响,并提出一种延迟抖动容忍算法提高双线以太网节点时间同步精度,从而满足以太网中流量的实时性需求。文献[9]提出在物理层上添加时间戳进一步提高时钟同步精度,从而满足μs级低时延、低抖动应用需求。实现硬件时间戳仅需在物理层PHY芯片上实现时间戳的添加和分离,能够在不影响物理层连接功能的同时为MAC层提供更精准的时钟信息。在完成高精度的时钟同步基础上,需要借助列队调度等流控技术为关键流量提供确定性传输服务。

2.2 验证系统设计

鉴于以上分析,本文选取了市面上较为成熟的产品搭建系统验证,分别是多协议交换评估板EVAL-RapID-TSNEK以及双线以太网转换器YT8510/8512Board。

TSN评估板集成了一款实时多协议交换机芯片,支持10 Mbit/s和100 Mbit/s,同时支持IPv4和IPv6协议。该评估板搭载的两个以太网端口均支持MII接口和RMII接口。支持TSN的功能包括精准时间同步、流量调度与增强、流预定协议以及帧抢占等。该交换机芯片可通过一款实时通信控制器芯片对实时多协议交换机芯片进行相关功能配置,通过标准以太网口实现将非TSN网络转换至TSN域进行数据传输。

双线以太网转换器集成了符合长距以太网的以太网物理层收发器YT8510H作为双线以太网传输端,其中双线以太网端可以使用单对双绞线在10 Mbit/s速率下传输1 000 m,在100 Mbit/s速率下传输300 m,并完成双线以太网与标准以太网的相互转换。

TSN评估板可以实现将标准以太网转入TSN网络中,在本实验中将支持标准RJ45接口的远程IO作为信号采集设备,连接至TSN评估板的标准以太网接入接口,另一块评估板的标准以太网接入接口连接上位机,形成TSN网络通路。同时将TSN评估板的交换端口作为视频流的输入和输出,对工业生产监控环境进行模拟。鉴于该TSN产品仅支持标准以太网接口,因此通过双线以太网转换器连接2个TSN评估板,其连接拓扑如图4所示。

图4 测试系统连接拓扑

3 实验结果及分析

按照上述逻辑拓扑图进行实物连接,2个双线以太网转换器之间采用100 m的单对双绞线连接,并为各节点配置相应的IP地址,使节点处于同一网段内。TSN网络工作的基础是TSN域内所有节点根据最佳主时钟算法完成精准时钟同步时间收敛,本文采用2个TSN评估板会根据设置自动仲裁出主时钟和从时钟并完成精准时钟同步,主从时钟关系可通过LED显示不同颜色进行区分。

完成精准时钟同步后根据需要配置流转换,本实验中需要进行流转换的节点为远程IO以及上位机2个节点,分别配置对应IP地址、TSN目的MAC地址、VLAN优先级以及VLAN ID等。TSN评估板配置软件提供了4个队列,其中队列0为“Best Effort”流量,队列2为TSN流量,队列3专门为精准时钟同步服务。TSN网络在时间刻度上划分时间片,并根据优先级进行门控队列排序,保证高优先级流量传输的实时性。通过软件设置时隙为1 ms,其中队列0为500 μs,队列2为300 μs,用于时间同步的队列3为200 μs。

在测试系统中,远程IO数据为工业控制实时性流量,设置为优先级为7的流量,通过TSN评估板进行流转换后使用TSN网络进行传输;现场视频流量的实时性要求较低,设置为“Best Effort”流量,即标准以太网流量。分别在2次实验中选择不开启门控队列和开启门控队列,并使用软件抓取流量进行统计分析,对比开启门控队列进行流量调度前后的流量时间分布。

在未开启门控队列时,远程IO流与视频流交错地分布在时间刻度上,并无明显优先级区分,如图5所示。当开启门控队列时,远程IO进行流转换后的TSN流、尽力而为的视频流以及时间同步报文根据队列调度落在对应的时隙当中,如图6所示。

图5 未开启门控队列时流量队列

图6 开启门控队列时流量调度队列

对比门控队列开启前后报文的时延,得到如图7所示的时延对比图。当未开启门控队列时,网络平均延迟为123.9 μs,抖动为60 μs;当开启门控队列后,网络平均时延为123.5 μs,抖动为1 μs。由此表明,TSN网络可通过门控调度等技术保证强实时性流量的低时延、低抖动和确定性传输。

图7 开启门控前后时延对比图

4 结束语

本文针对当前工业生产中布线不统一、网络通信确定性不足的现状,提出融合双线以太网技术和时间敏感网络技术实现以太网“一网到底”,并采用成熟的模块搭建了基于时间敏感网络的双线以太网系统和测试平台。测试结果表明:融合双线以太网的时间敏感网络技术可以有效降低当前工业通信时延和抖动。该系统在节约布线成本的同时提高网络通信质量,可以广泛地应用于工业、楼宇等场景。