關於乙太網路的討論引發業界對安全資料傳輸和即時性的需求不斷增長。這涉及到時間敏感型網路(TSN)——在IEEE 802時間敏感性網路工作組(TSN TG)框架內開發的幾個子標準的組合。其目標是將傳統乙太網路與工業通訊所需的即時功能相結合,從而使所有工業通訊建立在一個統一基礎上。

在這裡,關鍵參數是有保證的延遲和相應的確定性。傳統乙太網路對此已無能為力,尤其是在高網路負載下,因為傳統交換機通常在看到消息之前、在消息前往目的地之前,以及在轉發消息時快取消息。然而,新的應用需要能夠以快得多的速度更準確地控制頻寬分配的技術,尤其是在當今物聯網(IoT)和工業4.0時代。

未來,TSN或其子標準將使傳統乙太網路具備即時特性這一點成為可能,即便資料傳輸速率達到GSPS範圍。除了即時能力和確定性之外,TSN還有另一項巨大技術優勢,網路擴展能力使得TSN能以10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps的速率運作,但是,這需要細緻(因而更複雜)的網路配置。1Gbps及以上的傳輸速率是當今網路的邏輯演進,1Gbps為新型(物聯網)應用開闢了道路,有助於克服資料密集型應用中的性能瓶頸,但是,只有當終端和乙太網路交換機均支援TSN功能時,TSN作為一個系統才能發揮全部效用,TSN功能和標準如圖1所示。

20181128TA31P1 圖1 TSN標準。

由圖示子標準組成的完整TSN包目前尚未完成。圖1中突出顯示的兩個子標準IEEE 802.1AS-REV(時間同步)和IEEE 802.1Qcc(流預留),仍在IEEE 802.1時間敏感性網路工作組內部討論。很難估計這些開放的子標準將於何時完全釐訂,但是,這項工作應該在2019年中期之前完成。

儘管如此,即使在TSN標準的當前狀態下,標準乙太網路的一個向上相容的發展版本也已根據IEEE 802.1創建。例如,最近被採納的子標準提供了一種用於同步整個網路中分配的時脈訊號的互動操作方法,同時,這些子標準支援在其他設備也使用的共用傳輸介質上實現確定即時性,因此,TSN調節ISO/OSI參考模型第2層中的資料通訊(參見圖2)。

20181128TA31P2 圖2 ISO/OSI參考模型。

嚴格地說,TSN代表乙太網路中支援即時性的第2層,但不是完整的即時通訊協定。也就是說,TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的乙太網路協定。相反,這些工業乙太網路協定長期而言將支援第2層TSN,因此傳統工業乙太網路協定不會消失,但未來將建立在TSN之上,但是,現場匯流排則可能會被乙太網路永久性取代。

為了能夠在未來支持所有這些工業標準,業界需要使用者專用ASIC形式的特殊且靈活的硬體。這方面的一個範例是ADI精緻的多協定晶片解決方案fido5000。TSN所需的硬體已整合到此乙太網路交換晶片中,一旦所有子標準都已完全明確,透過韌體更新即可輕鬆調適此晶片,因此,它已為TSN做好準備。

20181128TA31P3 圖3 fido5000支援的TSN標準。

然而,為使從標準工業乙太網路應用到TSN的過渡循序漸進展開且盡可能簡單,標準化組織為現有工廠如何適應基於TSN的新設備提供了一些模型。這涉及使用ISO/OSI參考模型的統一層1、2和3,從而支持在可擴展性和性能方面採用全新方法。但是,這要求整個網路及其所有元件(如交換機)支援各種通訊協定,如此就能實現統一的確定性基礎設施,TSN網路即可發揮其相對於傳統標準乙太網路的優勢。

但是,由於完整TSN標準尚未完全確定,許多公司目前不願意實施TSN。轉換可能需要一些時間,不過終端已經可以從TSN網路中獲益,因為現有TSN交換機已經提供確定性和即時能力,所以,TSN將成為未來的乙太網路標準毫無疑問,唯一未決的問題是完整TSN包將於何時準備就緒,並在產業中找到合適的應用。

(參考原文:Time Sensitive Networks: Real-Time Ethernet,by Thomas Brand)