TSN與工業以太網技術的真相
TSN與工業以太網技術的真相
我們近期收到來自ETG會員的反饋，在網絡上流傳的某些比較各種工業以太網通訊技術的文章中，針對EtherCAT部分的描述有誤，會員希望ETG對相應錯誤部分給予糾正，防止讀者被誤導。此外，針對該文章中指出的TSN技術適用于現場層的應用的觀點，我們借此機會給予我們的解讀。
以某一家現場總線組織為名的關于多家工業以太網現場總線的對比只是站在某一種總線角度進行技術比較，對于廣大用戶來說并不具有代表性和性，且因其對EtherCAT技術了解的片面性，文章中在技術層面出現很多錯誤，為工業以太網用戶帶來諸多困擾。
我們在此列舉了以下技術錯誤并進行了相應的糾正，以幫助用戶正確理解工業以太網以及EtherCAT技術。
image001錯誤1：1.2章節關于主流通訊協議的循環周期比較
按照圖示中關于EtherCAT的參數：70多個節點，100個字節的數據量，循環周期要超過1700微秒。
image004實際應用中采用硬件測試過的EtherCAT性能如下：
• 1000個開關量分布在100個節點上，循環周期為30微秒
• 100個伺服軸，每個軸8字節的輸入/輸出數據，循環周期為100微秒
EtherCAT與其他千兆以太網及TSN性能比較
上圖中所示，與其他的基于千兆以太網的總線技術與TSN比較，EtherCAT的真實性能應該如圖中zui底層的平面（藍色平面）所示。顯然，EtherCAT的性能明顯優于其他的技術。
image001錯誤2：1.2章節關于EtherCAT循環周期時間的計算公式錯誤：
image004對于通常的EtherCAT系統中含有的三類設備：輸入設備、輸出設備、輸入輸出混合設備。對于含有以上三類設備的EtherCAT系統的zui小循環周期公式應為：
τ= 8(40 + max(44, 4 ×(x+12)))/C
說明： EtherCAT協議定義數據幀結構，可以將數據報文分成多個子報文，每個子報文可以對應一個到多個從站。一般情況下子報文都是對應同類的一系列設備，例如所有輸入模塊對應一個子報文，所有輸出模塊對應一個子報文，所有輸入輸出的模塊對應一個子報文。這樣如果系統中以上三類設備，外加一個用于監控設備狀態機的廣博子報文后，公式應該是4×（x+12）。文中提到的是將每一個從站都對應一個子報文，這不是必須的，絕大多數情況都不會使用到這種極限方式。
image001錯誤3：在公式說明后提到如下內容：
“這里介紹的所有方程都是假設了簡單的情況，其中輸入和輸出數據量相等，拓撲結構為的總線型。然而在實際應用中，這種比較取決于許多其他參數：
• 輸入數據與輸出數據的比率
• 具有直接交叉通信的設備的百分比
• 利用不同的循環周期
• 拓撲結構（總線型、星型、環型），以及設備之間的跳數
• 帶有自己背板總線的模塊化I/O的可用性”
image004EtherCAT的性能有很好的確定性，對于確定了節點數和負載的應用，就有確定的EtherCAT系統性能，而無需考慮其他不必要的因素。
• EtheCAT與輸入數據與輸出數據的比率無關。EtherCAT系統性能與傳輸時間和總數據量有關，而不是數據量中輸入輸出數據的比率。
• EtheCAT性能與直接交叉通信的設備的百分比無關。EtherCAT從站物理層選擇交叉索引自適應的PHY，所以和“直接交叉通信的設備的百分比”無關，并且系統中無需全雙工的交換機及半雙工的HUB設備。
• EtherCAT性能受不同的循環周期的影響，但這種方式是指主站可以優化報文，不同類型的設備根據不同的任務周期發送數據，從而釋放主站的性能。
• EtherCAT支持多種拓撲結構（總線型、星型、環型、樹型、線型），且性能和拓撲結構無關。而且不涉及設備之間的跳數的問題，不存在這方面影響。
• EtherCAT是一網到底，沒有背板總線，因此不存在背板總線的影響。
image004有關TSN和EtherCAT：
TSN的用武之地在于異構性網絡的實時性數據交換，而在現場總線層的應用中，TSN不會替代EtherCAT。
TSN是Time Sensitive Networking（時間敏感性網絡）的縮寫，是一個IEEE橋接（“交換技術”）的工作組的項目。因為傳統的基于“Best effort”方式對普通以太網的應用不能夠滿足廣泛的實時性需求（例如在音頻/視頻和廣泛的IT通信與EtherCAT系統通訊），所以該工作組旨在通過確定性的研究提升以太網的實時性。它有如下特點：
- 在IEEE802.1規范中，數據幀被盡可能快的轉發，避免阻塞。
- 一部分帶寬被預留為“Stream”（數據高速通道），用于傳輸對時間要求更高的通訊。
- 剩余的帶寬用于普通的數據傳輸（“延遲通道”）。
從上圖中可見，實時性是通過在TSN中建立數據高速通道實現的。那么，對于現場層的數據通訊，通常是節點數眾多，響應要求快，周期性循環的通訊，如果直接通過TSN連接帶有n個節點的系統，就要求建立n個數據高速通道。這顯然會影響其他類型的數據通訊，并且在網絡配置方面也是不切實際的。
TSN真正的用意在于異構網絡的搭建。在未來的工業網絡或者泛工業的應用中，同一個網絡需要集成不同類型的設備、不同類型的通訊，這些通訊設備之間需要進行實時性交互時，正是TSN的用武之地。TSN通過對TSN交換機的配置鏈接不同的設備或者網段，實現數據實時交互。這種實時性通過TSN配置給每個網段或者設備的“數據高速通道”實現。因此，TSN嵌入在IEEE 802技術中有助于協調通信，它會消除一些不必要的沖突，但不會改變基本規則。TSN的兩個主要性能缺陷是無法改變的，即針對小數據量的以太網幀處理效率以及復雜且耗時的轉發進程。
在對于機器的控制中，EtherCAT在典型的IO網段的性能比TSN高出近十倍。EtherCAT作為當今zui快速的工業以太網現場總線可以和TSN技術結合。
如上圖所示，在異構網絡中涉及到機器控制（多節點、高速響應、硬實時性要求）采用EtherCAT網段，每一個EtherCAT網段（含有多個EtherCAT節點設備）通過TSN交換機建立的一個高速數據通道與主站相連。
這種用法非常，基于共享幀方式的EtherCAT由于網絡中多個從站設備的數據可以在同一個數據幀中傳輸，EtherCAT連到TSN網絡中后，使得TSN配置更加容易并。整個EtherCAT網段僅利用了TSN的一個“高速通道”，并保證了在異構網絡中EtherCAT網段中所有設備與其他類型設備及EtherCAT主站的實時通訊。
此外，關于TSN規范制定工作還在進程當中，如下圖，其中一些規范還處于草稿或者投票等階段，只有一部分規范對外發布。值得注意的是，現階段對于TSN網絡的配置工具目前還沒有發布，有效的TSN網絡還不能組態。
為了保證EtherCAT技術與TSN的適用性，EtherCAT技術協會已經在2017年底發布了EtherCAT關于TSN的設備行規。該行規規范用于EtherCAT和TSN的使用，文檔中對已發布的TSN規范和EtherCAT技術的結合進行了定義，此文檔可以在ETG*下載，隨著TSN規范的完善，此文檔也會相應的更新版本，當前版本是ETG.1700 S (D) V0.9.0。
TSN的真正優勢在于增強了包括很多機器在內的本地網絡的性能。它未來的發展必然會降低當前機器到機器網絡器件的復雜性。這將需要一個通用的協議基礎架構和網絡控制系統，并且兩者都需要可以在機器層進行有效處理的器件。
在未來的自動化系統中，如何組織通信將比通信特性本身更重要。這就是為什么EtherCAT保留了現有元器件并提供了單獨對TSN功能的適配。因此，我們可以支持更強大的功能，并保護您對EtherCAT的資產投入。
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