為了滿足自動化的即時要求，需要保證傳輸頻寬和傳輸延遲。即使這些頻寬通常非常小，該傳輸通道必須在每個I/O週期中可用，且達到延遲要求。乙太網路是所謂的橋接網路。該架構在很大程度上具有自我配置能力。

工業乙太網路—即時乙太網路—在過去幾年中經歷了大幅的成長。雖然經典的現場匯流排仍大量存在，但它們已經過了巔峰期。風行的即時乙太網路協定擴展了乙太網路標準，可以滿足即時功能的要求。現在，TSN為即時乙太網路提供了一條新的途徑。

即時與通訊

在工廠自動化和驅動技術的背景下，即時意味著週期時間要安全、可靠地達到10毫秒以下，最低至微秒。為了滿足這些即時要求，乙太網路還必須獲得即時功能。

乙太網路比現場匯流排快得多—那又如何？

為了滿足自動化的即時要求，需要保證傳輸頻寬和傳輸延遲。即使這些頻寬通常非常小（每個元件幾十個位元組），該傳輸通道必須在每個I/O週期中可用，且達到延遲要求。但是，經典乙太網路不提供延遲和頻寬保證。相反的，如果操作需要，乙太網路可以隨時丟棄幀。這意味著什麼？

乙太網路是所謂的橋接網路。幀（乙太網路幀）從一個點發到另一個點：從端點到交換機（橋接器），從那裡可能發到其他橋接器，最後到達另一個端點。該架構在很大程度上具有自我配置能力。橋接器在轉發幀之前先完全接收幀。許多問題正是出在這裡：

? 如果在峰值時間儲存的幀數多於橋接器緩衝記憶體可以容納的幀數，則丟棄新傳入的幀。

? 由於幀長不同，因此其延遲時間為其長度的函數。這會導致延遲波動（抖動）。

? 由於交換機應通過其發送幀的埠可能已經被其他幀完全佔用，所以會導致額外的延遲。發送大型乙太網路幀（1522位元組）在100 Mbps速率下大約耗時124 μs。

如果乙太網路通常運作良好，這種說法在某種程度上是公允的。但是，這樣做，我們使用的「通常」一詞在硬即時情境下是無意義的。僅僅通常滿足即時條件是不夠的，必須始終滿足該條件。

住在化工廠或煉油廠旁邊的任何人都能理解這一點。工業通訊也不公平：最重要的是，控制/閉迴路控制應用始終具有優先權。

圖1 : 自動化中的即時通訊。

圖2 : ISO七層模型

以PROFINET和EtherCAT為例展示的即時擴展

由於負責乙太網路標準化的IEEE並未就該問題提出解決方案，工業界因此開發了自己的解決方案—再次證明了其創造力。各種解決方案都有自己的優勢和劣勢，最終將用以解決不同的市場問題。

圖3 : 協議概述

PROFINET：普遍適用

透過PROFINET，可提供兩種互補型解決方案。PROFINET RT是一種工廠自動化解決方案，週期時間最長為1 ms，RT直接以標準乙太網路為基礎，乙太網路的可能性（例如，服務品質（QoS，優先順序））被用於產生即時流量優先順序。這是有所幫助的，但QoS並不能完全解決資源和延遲問題，這就是限制軟即時的原因，與網路中使用的其他協定（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的良好相容性是該技術的明顯優勢。

圖4 : PROFINET IRT

對於硬即時，PROFINET提供同步即時（IRT）擴展。在此，部分乙太網路頻寬透過標準乙太網路硬體的擴展專門為IRT流量保留，這可以透過IRT節點中的時脈的精準同步來加以實現；因此，可以在每個週期阻止通道（紅色階段）中的正常流量，只有紅色階段中的IRT幀到達網路。此外，網路參與者準確地在預先計算的時間發送IRT幀，從而在紅色階段實現效率的最大化。IRT幀通過網路，幾乎無周跳，這樣做的一個優點是它可以紅色階段的長度限制在最低限度；在紅色階段，所有其他流量都必須等待，紅色相位最多可以佔用乙太網路通道頻寬的50％。

如前所述，全長乙太網路幀（1552位元組）線路上大約耗時124 μs。如果PROFINET IRT佔用全部50％的頻寬，最快的週期時間為2×124 μs =248 μs，捨入後為250 μs。只有這樣，其他協議（如HTTP）才能以不變的形式與其共存。

由於PROFINET 2.3可用於IRT的優化，包括快速轉發、動態幀封裝和分段，因此可以實現低至31.25μs的更快週期時間。

EtherCAT：乙太網路現場匯流排

在EtherCAT的開發過程中，開始時還有其他要求。EtherCAT是基於物理乙太網路（即第1層）的現場匯流排，甚至第2層也針對現場匯流排應用和高輸送量應用進行了優化。EtherCAT沒有經典的乙太橋接器，使用求和幀電報，使資料傳輸特別高效。EtherCAT每個週期發送一幀，與普通乙太網路不同；在後者中，設備間通訊涉及的每台設備發送單獨的幀，但是此幀包含被定址設備的所有資料。當EtherCAT幀由設備轉發時，該特定設備的資料被即時插入到該幀中並從該幀中取出，透過這種方式，可以實現極短的週期時間，最小低於31.25 μs。

EtherCAT還具有時間同步功能，為了將在PC上表現不太理想的乙太網路介面用作EtherCAT的主設備，人們付出了大量努力。

在EtherCAT下，乙太網路流量（如Web或TCP/IP流量）只能以背負方式分成小部分傳輸；不可能線上直接共存。

其他的呢？

POWERLINK採用與EtherCAT相同的基本方法；其取得對乙太網路的完全控制權，並透過背負方式把IP應用傳輸到節點。但這是他們唯一的共同點。POWERLINK不使用求和幀協定，然而它在實際應用中表現同樣出色。

與IRT一樣，SERCOS有預留頻寬，但在其中使用的是求和幀協定，SERCOS允許其他協議共存。

TSN時機已至

IEEE從音訊/視頻橋接（AVB）協議的角度研究了這個話題。在對協議進行改進時，還考慮了更具挑戰性的工業即時通訊，這些標準的原始名稱AVB2由此改稱TSN（指時間敏感型網路），有了這些標準，現在可以使用統一的確定性乙太網路版本。

這實際上可以簡化許多問題。例如，眾所周知的工業網路幾乎全部針對100Mbps。然而千兆乙太網路和10 Mbps乙太網路如今已成為特殊應用的關注焦點。TSN標準涵蓋所有速率，使用TSN，無需從頭開始：如果不是TSN，所有現有標準都必須針對千兆速率進行重新定義—這將導致硬體開發成本和市場碎片化成本。

TSN有什麼用？關於TSN即時

TSN擴展了乙太網路第2層，納入了即時操作所需的一系列機制：

? 802.1AS/802.1AS-Rev考慮了網路中時脈的高精度同步問題。

? 時間感知整形器（TAS）選項使乙太網路能夠在硬調度模式下運行。有了該選項，就可以在特定時間阻止/釋放QoS模型的一個或多個佇列。

? 搶佔（穿插快速流量）選項使長幀能夠被分解成更小的部分，從而最大限度地減小優先順序更高的幀的延遲。該選項可用於在速率超過100 Mbps時，優化TAS的保護帶或替換TAS。

? 複製和消除幀以提高可靠性的選項，可用於定義通過網路的冗餘路徑；如迴路中。

? 使用軟體定義的網路意味著幀不再透過目標節點的硬體MAC位址轉發到目的地，而是透過特殊MAC地址（本地管理的多播MAC）和VLAN ID的組合轉發，不再自動確定這些幀在網路中的路由方式，而是由軟體進行配置。多播MAC和VLAN ID的這種組合稱為流ID，具有相同流ID的所有TSN幀稱為TSN流，TSN流始終只有一個寄件者，但可以有多個收件人。

圖5 : 乙太網路幀（其中，與TSN資料流程標識相關的部分以綠色表示）。

有鑑於現有資源，現在可以用特殊的方式組織TSN流，不再需要丟棄幀。現在，橋接器將其資源用於TSN流的無損轉發。

盡力服務流量（標準乙太網路、IP、Web）用剩餘資源（記憶體/頻寬）正常傳輸。

第二層以上發生了什麼？

每個互聯網乙太網路協定背後都有一個組織，是它推動著各自協議的標準化和普及，這些組織中的每一個都制定了TSN策略。結果是，如同我們所見，幾乎所有現有協議都有TSN，只是表現形式各異而已。可見下列的舉例：

對於PROFINET，通向TSN的途徑相對較短，因為人們目前已經累積了豐富的時間感知整形經驗（已經非常接近IRT），並且始終都支援業界協定與IT協定的共存。對於用戶而言，很多東西都沒有改變，因此，熟悉的環境將有利於提升績效。

EtherCAT和類似的SERCOS將使TSN獲得現場層次以上的運用能力。例如，EtherCAT自動化協議（EAP）非常適合透過TSN以較低的開銷，連通經典EtherCAT網段。

但是，該領域也有新的參與者。

有一個團體正著手定義一個全新的工業乙太網路協定，有人將OPC UA用作應用層，TSN被視為使該協議具有即時能力的手段。但是，這裡還有大量的工作要做。傳輸需要新的OPC UA傳輸層（即所謂的OPC UA PUB/SUB協議）。

圖6 : 硬實時(IRT)、軟即時(RT)和IT協議(TCP/IP)的延遲/抖動幅度。

越多越有用嗎？在即時領域並非如此

今天，我們在工業自動化中使用的是100 Mbps乙太網路，千兆乙太網路很快就會上線。但是，更高的速度並不意味著延遲能得到保障，傳輸能得到保障。因此，對於硬實時，始終都需要特殊的機制。有了TSN，它們業已標準化。

（本文作者Volker Goller為ADI系統應用工程師）