为了满足自动化的即时要求，需要保证传输频宽和传输延迟。即使这些频宽通常非常小，该传输通道必须在每个I/O周期中可用，且达到延迟要求。乙太网路是所谓的桥接网路。该架构在很大程度上具有自我配置能力。

工业乙太网路—即时乙太网路—在过去几年中经历了大幅的成长。虽然经典的现场汇流排仍大量存在，但它们已经过了巅峰期。风行的即时乙太网路协定扩展了乙太网路标准，可以满足即时功能的要求。现在，TSN为即时乙太网路提供了一条新的途径。

即时与通讯

在工厂自动化和驱动技术的背景下，即时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下，最低至微秒。为了满足这些即时要求，乙太网路还必须获得即时功能。

乙太网路比现场汇流排快得多—那又如何？

为了满足自动化的即时要求，需要保证传输频宽和传输延迟。即使这些频宽通常非常小（每个元件几十个位元组），该传输通道必须在每个I/O周期中可用，且达到延迟要求。但是，经典乙太网路不提供延迟和频宽保证。相反的，如果操作需要，乙太网路可以随时丢弃帧。这意味着什么？

乙太网路是所谓的桥接网路。帧（乙太网路帧）从一个点发到另一个点：从端点到交换机（桥接器），从那里可能发到其他桥接器，最后到达另一个端点。该架构在很大程度上具有自我配置能力。桥接器在转发帧之前先完全接收帧。许多问题正是出在这里：

?如果在峰值时间储存的帧数多于桥接器缓冲记忆体可以容纳的帧数，则丢弃新传入的帧。

?由于帧长不同，因此其延迟时间为其长度的函数。这会导致延迟波动（抖动）。

?由于交换机应通过其发送帧的埠可能已经被其他帧完全占用，所以会导致额外的延迟。发送大型乙太网路帧（1522位元组）在100 Mbps速率下大约耗时124 μs。

如果乙太网路通常运作良好，这种说法在某种程度上是公允的。但是，这样做，我们使用的「通常」一词在硬即时情境下是无意义的。仅仅通常满足即时条件是不够的，必须始终满足该条件。

住在化工厂或炼油厂旁边的任何人都能理解这一点。工业通讯也不公平：最重要的是，控制/闭回路控制应用始终具有优先权。

图1 : 自动化中的即时通讯。

图2 : ISO七层模型

以PROFINET和EtherCAT为例展示的即时扩展

由于负责乙太网路标准化的IEEE并未就该问题提出解决方案，工业界因此开发了自己的解决方案—再次证明了其创造力。各种解决方案都有自己的优势和劣势，最终将用以解决不同的市场问题。

图3 : 协议概述

PROFINET：普遍适用

透过PROFINET，可提供两种互补型解决方案。 PROFINET RT是一种工厂自动化解决方案，周期时间最长为1 ms，RT直接以标准乙太网路为基础，乙太网路的可能性（例如，服务品质（QoS，优先顺序））被用于产生即时流量优先顺序。这是有所帮助的，但QoS并不能完全解决资源和延迟问题，这就是限制软即时的原因，与网路中使用的其他协定（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的良好相容性是该技术的明显优势。

图4 : PROFINET IRT

对于硬即时，PROFINET提供同步即时（IRT）扩展。在此，部分乙太网路频宽透过标准乙太网路硬体的扩展专门为IRT流量保留，这可以透过IRT节点中的时脉的精准同步来加以实现；因此，可以在每个周期阻止通道（红色阶段）中的正常流量，只有红色阶段中的IRT帧到达网路。此外，网路参与者准确地在预先计算的时间发送IRT帧，从而在红色阶段实现效率的最大化。IRT帧通过网路，几乎无周跳，这样做的一个优点是它可以红色阶段的长度限制在最低限度；在红色阶段，所有其他流量都必须等待，红色相位最多可以占用乙太网路通道频宽的50％。

如前所述，全长乙太网路帧（1552位元组）线路上大约耗时124 μs。如果PROFINET IRT占用全部50％的频宽，最快的周期时间为2×124 μs =248 μs，舍入后为250 μs。只有这样，其他协议（如HTTP）才能以不变的形式与其共存。

由于PROFINET 2.3可用于IRT的优化，包括快速转发、动态帧封装和分段，因此可以实现低至31.25μs的更快周期时间。

EtherCAT：乙太网路现场汇流排

在EtherCAT的开发过程中，开始时还有其他要求。 EtherCAT是基于物理乙太网路（即第1层）的现场汇流排，甚至第2层也针对现场汇流排应用和高输送量应用进行了优化。 EtherCAT没有经典的乙太桥接器，使用求和帧电报，使资料传输特别高效。 EtherCAT每个周期发送一帧，与普通乙太网路不同；在后者中，设备间通讯涉及的每台设备发送单独的帧，但是此帧包含被定址设备的所有资料。当EtherCAT帧由设备转发时，该特定设备的资料被即时插入到该帧中并从该帧中取出，透过这种方式，可以实现极短的周期时间，最小低于31.25 μs。

EtherCAT还具有时间同步功能，为了将在PC上表现不太理想的乙太网路介面用作EtherCAT的主设备，人们付出了大量努力。

在EtherCAT下，乙太网路流量（如Web或TCP/IP流量）只能以背负方式分成小部分传输；不可能线上直接共存。

其他的呢？

POWERLINK采用与EtherCAT相同的基本方法；其取得对乙太网路的完全控制权，并透过背负方式把IP应用传输到节点。但这是他们唯一的共同点。 POWERLINK不使用求和帧协定，然而它在实际应用中表现同样出色。

与IRT一样，SERCOS有预留频宽，但在其中使用的是求和帧协定，SERCOS允许其他协议共存。

TSN时机已至

IEEE从音讯/视频桥接（AVB）协议的角度研究了这个话题。在对协议进行改进时，还考虑了更具挑战性的工业即时通讯，这些标准的原始名称AVB2由此改称TSN（指时间敏感型网路），有了这些标准，现在可以使用统一的确定性乙太网路版本。

这实际上可以简化许多问题。例如，众所周知的工业网路几乎全部针对100Mbps。然而千兆乙太网路和10 Mbps乙太网路如今已成为特殊应用的关注焦点。 TSN标准涵盖所有速率，使用TSN，无需从头开始：如果不是TSN，所有现有标准都必须针对千兆速率进行重新定义—这将导致硬体开发成本和市场碎片化成本。

TSN有什么用？关于TSN即时

TSN扩展了乙太网路第2层，纳入了即时操作所需的一系列机制：

?802.1AS/802.1AS-Rev考虑了网路中时脉的高精度同步问题。

?时间感知整形器（TAS）选项使乙太网路能够在硬调度模式下运行。有了该选项，就可以在特定时间阻止/释放QoS模型的一个或多个伫列。

?抢占（穿插快速流量）选项使长帧能够被分解成更小的部分，从而最大限度地减小优先顺序更高的帧的延迟。该选项可用于在速率超过100 Mbps时，优化TAS的保护带或替换TAS。

?复制和消除帧以提高可靠性的选项，可用于定义通过网路的冗余路径；如回路中。

?使用软体定义的网路意味着帧不再透过目标节点的硬体MAC位址转发到目的地，而是透过特殊MAC地址（本地管理的多播MAC）和VLAN ID的组合转发，不再自动确定这些帧在网路中的路由方式，而是由软体进行配置。多播MAC和VLAN ID的这种组合称为流ID，具有相同流ID的所有TSN帧称为TSN流，TSN流始终只有一个寄件者，但可以有多个收件人。

图5 : 乙太网路帧（其中，与TSN资料流程标识相关的部分以绿色表示）。

有鉴于现有资源，现在可以用特殊的方式组织TSN流，不再需要丢弃帧。现在，桥接器将其资源用于TSN流的无损转发。

尽力服务流量（标准乙太网路、IP、Web）用剩余资源（记忆体/频宽）正常传输。

第二层以上发生了什么？

每个互联网乙太网路协定背后都有一个组织，是它推动着各自协议的标准化和普及，这些组织中的每一个都制定了TSN策略。结果是，如同我们所见，几乎所有现有协议都有TSN，只是表现形式各异而已。可见下列的举例：

对于PROFINET，通向TSN的途径相对较短，因为人们目前已经累积了丰富的时间感知整形经验（已经非常接近IRT），并且始终都支援业界协定与IT协定的共存。对于用户而言，很多东西都没有改变，因此，熟悉的环境将有利于提升绩效。

EtherCAT和类似的SERCOS将使TSN获得现场层次以上的运用能力。例如，EtherCAT自动化协议（EAP）非常适合透过TSN以较低的开销，连通经典EtherCAT网段。

但是，该领域也有新的参与者。

有一个团体正着手定义一个全新的工业乙太网路协定，有人将OPC UA用作应用层，TSN被视为使该协议具有即时能力的手段。但是，这里还有大量的工作要做。传输需要新的OPC UA传输层（即所谓的OPC UA PUB/SUB协议）。

图6 : 硬实时(IRT)、软即时(RT)和IT协议(TCP/IP)的延迟/抖动幅度。

越多越有用吗？在即时领域并非如此

今天，我们在工业自动化中使用的是100 Mbps乙太网路，千兆乙太网路很快就会上线。但是，更高的速度并不意味着延迟能得到保障，传输能得到保障。因此，对于硬实时，始终都需要特殊的机制。有了TSN，它们业已标准化。

（本文作者Volker Goller为ADI系统应用工程师）