作者：EtherCAT技術(shù)協(xié)會KarlWeber博士

摘要：EtherCAT是現(xiàn)場總線領(lǐng)域的主流技術(shù)，以太網(wǎng)是使用交換機(jī)技術(shù)的有線辦公應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。TSN則是在異構(gòu)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信的推動者。在某些情況下，這兩種技術(shù)的結(jié)合是一種必然。更好理解TSN和“高速通道”（stream）通信概念是在工廠進(jìn)行成功實(shí)施的先決條件。在EtherCAT系統(tǒng)中可以高效實(shí)現(xiàn)對TSN的實(shí)施，即在主站側(cè)進(jìn)行升級，無需更改從站，并可在連接EtherCAT網(wǎng)段的網(wǎng)橋上進(jìn)行適度擴(kuò)展。

I.目標(biāo)

自IEEE802.1工作組中的相關(guān)任務(wù)小組建立以來，TSN就成為人們所熟知的“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)”的縮寫。本白皮書闡述了如何在工業(yè)自動化環(huán)境中使用這一新興技術(shù)。TSN技術(shù)可以被廣泛用于各種不同的應(yīng)用中，包括音頻/視頻（A/V）、汽車、移動網(wǎng)絡(luò)基站與能源生產(chǎn)等領(lǐng)域。TSN模型將“高速數(shù)據(jù)通道”（stream）引入IEEE802.1語境。此模型提供一系列的用于提升高速通道實(shí)時(shí)性的特征，但并未定義如何在特定的環(huán)境中使用它?！肮ぞ呦洹币辉~用于解釋在工業(yè)自動化語境中描述TSN應(yīng)用所需要的模型。

EtherCAT利用TSN的方式并不是將兩種技術(shù)混合，而是定義了為使用TSN高速通道所做的適應(yīng)性改變——“EtherCATTSN通信行規(guī)”。該行規(guī)沒有選擇特定的TSN元素，為主站與從站網(wǎng)段上轉(zhuǎn)發(fā)的TSN高速通道提供所有選項(xiàng)。不需要對從站網(wǎng)段做任何改變。因此，行規(guī)要求主站系統(tǒng)提供商來集成高速通道功能，系統(tǒng)集成商選擇適用于TSN-EtherCAT網(wǎng)段適配的組件即可。這一規(guī)劃將幫助自動化組件的制造商、機(jī)器制造商和生產(chǎn)技術(shù)專家采取合理的步驟使用TSN。

II.EtherCAT與TSN——工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的最佳實(shí)踐

1、TSN的演變

TSN是一組連接終端節(jié)點(diǎn)的橋接標(biāo)準(zhǔn)。“橋接”一詞用于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范中，但更為大眾的說法是“交換”。TSN獨(dú)立于底層通信技術(shù)，盡管以太網(wǎng)是其首選使用的物理基礎(chǔ)。在典型的辦公使用場景下，交換機(jī)的使用對響應(yīng)時(shí)間無明顯影響，這是由于在網(wǎng)絡(luò)客戶端與服務(wù)器之間并沒有級聯(lián)過多的交換機(jī)，而且人類的互動對于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)捻憫?yīng)要求在秒級別即可。對于交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中低延遲通信的理解要求我們更深入地了解標(biāo)準(zhǔn)辦公通信。

以太網(wǎng)擁有超過40年的歷史。它起始于美國DEC、英特爾和施樂公司對于建立計(jì)算機(jī)間靈活的連接方式所作出的共同努力。當(dāng)時(shí)主流的使用場景是工作站到服務(wù)器之間的連接。在一開始對于靈活性的要求就十分關(guān)鍵，所以通信機(jī)制被設(shè)定為使用“Best-effort”概念，這一概念就是源于客戶端-服務(wù)器通信。Best-effort意味著客戶端可以平等的訪問數(shù)據(jù)，任何客戶端都不會被給予優(yōu)先的數(shù)據(jù)訪問權(quán)。如果太多客戶端同時(shí)在單一通路上嘗試訪問數(shù)據(jù)，則會導(dǎo)致通信以及服務(wù)器響應(yīng)延時(shí)。

這一概念并未隨著因特網(wǎng)的發(fā)展而改變，只不過工作站轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)人電腦，最終演變?yōu)橹悄苁謾C(jī)，同樣連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與云端。以太網(wǎng)是一種本地局域網(wǎng)（LAN）概念，屬于因特網(wǎng)的子網(wǎng)。但是子網(wǎng)變得越來越大，原始的以太網(wǎng)概念卻沒有隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而變化。由IEEE802.1于25年前提出的橋接技術(shù)可顯著改善這一狀況。它使得同時(shí)使用不同速度的網(wǎng)絡(luò)成為可能，并且允許方便地與其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如無線技術(shù)）進(jìn)行集成。橋接技術(shù)將通信網(wǎng)絡(luò)分為終端節(jié)點(diǎn)和通信基礎(chǔ)架構(gòu)。Best-effort范式曾是所有這些技術(shù)發(fā)展的基準(zhǔn)。

工業(yè)通信協(xié)議——一般指各種現(xiàn)場總線，形成于80年代晚期，并在將近五年后取得重大突破。工業(yè)控制器不再需要集成的、廠家特制的模塊與用于連接傳感器和執(zhí)行器的擴(kuò)展線纜，取而代之的是結(jié)構(gòu)化的來自不同技術(shù)提供者的I/O模塊的網(wǎng)絡(luò)。自動化領(lǐng)域的技術(shù)基準(zhǔn)一直是服務(wù)質(zhì)量的保障。這意味著通信帶寬的有效利用、低丟幀率和有限的通信延時(shí)。開始EtherCAT與TSN——工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的最佳實(shí)踐?EtherCATTechnologyGroupwww.ethercat.org.cn5/14時(shí)人們大多選用特定的通信技術(shù)，而基于PC的系統(tǒng)提供的更高的帶寬與可用性使得以太網(wǎng)成為了可行的現(xiàn)場總線。但是在自動化領(lǐng)域中采用Best-effort原則（以因特網(wǎng)的方式）使用以太網(wǎng)卻很難，即便一些組織為在現(xiàn)場總線環(huán)境中使用未經(jīng)調(diào)整的基礎(chǔ)構(gòu)件而創(chuàng)立了一些規(guī)則，如：限制非實(shí)時(shí)通信量或者減少站點(diǎn)數(shù)量。基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線的方法是一種使用雙端口設(shè)備的集成化網(wǎng)絡(luò)，可用于替代通用的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的線性拓?fù)洹Ｔ诰邆涞湫偷?字節(jié)長度過程數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設(shè)備中，使用獨(dú)立幀的方法將導(dǎo)致效率低下，浪費(fèi)高達(dá)90%的以太網(wǎng)帶寬，就如同每個(gè)包裹都是用單獨(dú)的一輛卡車轉(zhuǎn)運(yùn)。這一問題的解決是EtherCAT方式如此成功的原因。EtherCAT提供了經(jīng)過完全修改的橋接概念，可以解決如前所述的因特網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)建帶來的問題。共享幀轉(zhuǎn)發(fā)和飛速處理是其改善以太網(wǎng)性能的核心機(jī)制，它充分利用了以太網(wǎng)資源，顯著提升了應(yīng)用的性能。

作為IEEE802中發(fā)生的范式轉(zhuǎn)移，TSN瞄準(zhǔn)了各種行業(yè)中的實(shí)時(shí)應(yīng)用。在IEEE802.1環(huán)境中，TSN盡可能快地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，并且不因擁堵而導(dǎo)致丟幀。這意味著Best-effort機(jī)制需要做很多修正，可能需要一段時(shí)間去解決這個(gè)問題。但是這并未解決以太網(wǎng)的基本問題，如獨(dú)立幀方法帶來的效率低下、幀轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程的復(fù)雜性和性能等問題。

TSN不是一個(gè)真正的現(xiàn)場總線的替代方案，因其僅僅提供了其他可選方案的10%的性能，并且其要求使用者等待技術(shù)提供者進(jìn)行必要的系統(tǒng)微調(diào)。由此TSN完全取代CAN或者PROFIBUS的實(shí)際機(jī)會為零。在給定通信速率的前提下，EtherCAT提供了更加優(yōu)越的性能。TSN同樣不能取代EtherCAT。

但是，TSN在有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需求和存在大量因特網(wǎng)傳輸?shù)膽?yīng)用場景中具有優(yōu)勢。多臺相EtherCAT與TSN——工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的最佳實(shí)踐?EtherCATTechnologyGroupwww.ethercat.org.cn6/14機(jī)（攝像機(jī)）和/或大量不同的實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的組合應(yīng)用可能是使用TSN作為基干網(wǎng)絡(luò)的原因。只有一個(gè)以太網(wǎng)接口的嵌入式PC通過訪問TSN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)虛擬端口的倍增。作為已有眾多可選設(shè)備的現(xiàn)場總線，EtherCAT與TSN并存將成為未來十年自動化通信基礎(chǔ)架構(gòu)的另一種選擇。

2、可能的應(yīng)用場景

TSN不局限于工業(yè)自動化，相反，還有很多其他可能的應(yīng)用實(shí)例。

IEEE802.1任務(wù)組曾被稱為AVB（音頻視頻橋接），最初的使用案例是在A/V應(yīng)用中。早期的標(biāo)準(zhǔn)曾有助于加強(qiáng)專業(yè)的A/V設(shè)施，例如體育賽事的現(xiàn)場視頻傳輸。該技術(shù)也可用于建立大型音頻設(shè)施。在這種環(huán)境下，TSN的優(yōu)勢之一是能夠在不關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)的情況下快速更改數(shù)據(jù)流。由于布線減少而得以改善的靈活性是從模擬設(shè)備切換到以太網(wǎng)和無線的主要原因。未來將會有更多要求苛刻的應(yīng)用，例如視角可變的3D圖像，或者高精度距離測量的系統(tǒng)。這些功能都需要非常精確的時(shí)間同步。系統(tǒng)的高可用性對于優(yōu)質(zhì)實(shí)時(shí)高速通道來說是一個(gè)非常重要的因素，它需要合理的丟幀率以及對系統(tǒng)故障做出快速反應(yīng)的可能性。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）領(lǐng)域的一些要求也可能是在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中使用這種技術(shù)的原因。未來，TSN都可以做到。

基于以太網(wǎng)的技術(shù)的第二個(gè)應(yīng)用實(shí)例是補(bǔ)充汽車基礎(chǔ)設(shè)施。CAN已經(jīng)成為汽車行業(yè)中不少子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但攝像機(jī)和其他復(fù)雜的娛樂信息系統(tǒng)帶動了對更高帶寬的需求；車載電子子系統(tǒng)的診斷和服務(wù)也是集成以太網(wǎng)骨干網(wǎng)的一個(gè)原因；將這兩種應(yīng)用放在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上需要獨(dú)立的數(shù)據(jù)通信模式，先進(jìn)動力系統(tǒng)對通信的需求可以成為另一原因。

目前，它是由一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)控制，為接入新的信號，需要額外的電纜和計(jì)算能力。連接并同步汽車中的所有網(wǎng)絡(luò)可以導(dǎo)致額外的控制選項(xiàng)，并且可以監(jiān)控機(jī)械和電氣組件，以實(shí)現(xiàn)高級狀態(tài)監(jiān)控功能和更精確的服務(wù)指示。由此產(chǎn)生的“電纜樹”是現(xiàn)代汽車中昂貴的部件。通過與高效的子系統(tǒng)相結(jié)合，TSN主干網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)交換，從而顯著改善汽車設(shè)計(jì)。雖然TSN是汽車骨干和攝像機(jī)系統(tǒng)的首選，對CAN子系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的集成也可能是引人關(guān)注的以太網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。盡管如此，兩種通信技術(shù)都具有類似于工業(yè)自動化中的協(xié)議的特性，尤其在使用增強(qiáng)型電驅(qū)動子系統(tǒng)的場合。以太網(wǎng)在汽車系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用將推動該行業(yè)的發(fā)展，其中相當(dāng)多以太網(wǎng)的元素可能對自動化行業(yè)而言也是有意義的。

另一個(gè)受到巨大影響的大眾消費(fèi)行業(yè)為移動網(wǎng)絡(luò)，并會在不久的將來得到TSN的推動，以太網(wǎng)將為回程通信基礎(chǔ)設(shè)施提供支持。這是無線電設(shè)備（RE）單元和RE控制基礎(chǔ)設(shè)施EtherCAT與TSN——工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的最佳實(shí)踐?EtherCATTechnologyGroupwww.ethercat.org.cn7/14之間的通信層。同步是非常重要的任務(wù)，丟幀率則是另一個(gè)關(guān)鍵因素。第五代移動網(wǎng)絡(luò)（5G）將增加不少額外的性能要求，市場上的技術(shù)提供商已經(jīng)啟動項(xiàng)目以采用TSN作為回程網(wǎng)絡(luò)的控制基礎(chǔ)設(shè)施。

A/V技術(shù)也正在被納入自動化行業(yè)，上述領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展可以加速這些系統(tǒng)的應(yīng)用。A/V節(jié)點(diǎn)的字節(jié)數(shù)通常在500-1000字節(jié)的范圍內(nèi)，因此可以將其歸類于低于工業(yè)要求的特定數(shù)據(jù)通信量級別。機(jī)器人市場也將迅速增長，機(jī)器人和其他機(jī)器的組合需要時(shí)間敏感的通信。目前，這是通過使用現(xiàn)場總線通信來解決的，然而，其他機(jī)器和/或它們的PLC也需要充當(dāng)這樣的網(wǎng)絡(luò)中的互聯(lián)設(shè)備。機(jī)器和機(jī)器人的特定組合中，不支持相同通信協(xié)議的可能性很高。TSN將使通信基礎(chǔ)設(shè)施變得更簡單，因?yàn)闄C(jī)器人和機(jī)器無需多種接口來滿足各種通信需求。這個(gè)級別的通用基礎(chǔ)設(shè)施可以加速機(jī)器人和智能機(jī)器的使用，所有這些都使用標(biāo)準(zhǔn)通信接口來實(shí)現(xiàn)。

TSN與現(xiàn)場總線技術(shù)結(jié)合的更多可能性將在EtherCAT環(huán)境下的TSN部分進(jìn)行討論。

3、了解TSN

3.1TSN任務(wù)工作組

在IEEE802.1工作組中有一個(gè)TSN任務(wù)工作組，其任務(wù)是強(qiáng)化橋接網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能。TSN中終端節(jié)點(diǎn)之間的通信是依靠“高速通道”來完成。IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)中使用術(shù)語“talker”表示高速通道的發(fā)起者，術(shù)語“l(fā)istener”表示高速通道接收者。高速通道使用單向的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)可以從一個(gè)talker單向傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)listener。一個(gè)實(shí)時(shí)的高速通道的talker不會發(fā)送很多幀間有多個(gè)字節(jié)的幀。為了在IEEE802.1網(wǎng)絡(luò)中使用高速通道，需要一個(gè)標(biāo)識。同時(shí)，還可以使用多個(gè)標(biāo)識體系。但是在少數(shù)的TSN標(biāo)準(zhǔn)中使用MAC目的地址和VLAN來標(biāo)識高速通道。

到目前為止，TSN工作組建立了如下的標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目：?

提高同步性能（IEEE802.1ASbt）

基于IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.1AS的早期版本已經(jīng)為分布式時(shí)鐘的計(jì)時(shí)定義了同步協(xié)議。這樣有利于更好地集成到標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)環(huán)境中。然而卻丟失了與其他的1588以太網(wǎng)行規(guī)的兼容性。新的版本將包含公認(rèn)的one-step透明時(shí)鐘?，F(xiàn)階段急需改善的是對錯(cuò)誤情況的響應(yīng)，例如：線路或主站通信故障。新版本也應(yīng)該能夠處理設(shè)備中不同時(shí)間域的問題。

數(shù)據(jù)幀搶占優(yōu)先（IEEE802.1Qbu）

時(shí)間關(guān)鍵信息的確定性傳輸?shù)囊粋€(gè)主要問題是同一網(wǎng)段上還有可以用傳統(tǒng)的以太網(wǎng)傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)，因?yàn)樵诰W(wǎng)段中一個(gè)單獨(dú)數(shù)據(jù)幀長度甚至可以超過1500字節(jié)，這可能導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)的周期延時(shí)高達(dá)125微秒。這個(gè)問題可以通過數(shù)據(jù)幀中斷機(jī)制來處理（IEEE工作組在以太網(wǎng)項(xiàng)目P802.3br中定義）。最終，這種機(jī)制不僅需要新的網(wǎng)絡(luò)組件，還需要終端系統(tǒng)中新的以太網(wǎng)集成電路（IC）。

提升規(guī)劃的通信（IEEE802.1Qbv）

在TSN中對發(fā)送操作的時(shí)間控制至關(guān)重要。就像實(shí)際高速公路一樣，在信息高速路上也可能會發(fā)生交通堵塞，即使是在有高優(yōu)先級、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和搶占優(yōu)先權(quán)時(shí)，傳輸時(shí)間可能仍有一些偏差。由于時(shí)間敏感高速通道是周期性傳輸，所以在周期性通信之前，不受干擾的通信可以通過阻塞對時(shí)間要求較低的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)進(jìn)程可以類比為交通燈控制。

路徑控制和預(yù)留（IEEE802.1Qca）

為了盡快從A到B，你需要地圖并進(jìn)行路由規(guī)劃。如同在日常生活中一樣，網(wǎng)絡(luò)需要記錄部件的排列方式，并決定如何以最有效的方式選擇通信路徑。該協(xié)議可以基于路由器使用的“中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)”（IS-IS）的概念。這個(gè)概念涉及拓?fù)湫畔⒌氖占头峙洹＝?jīng)過多次迭代，所有節(jié)點(diǎn)都擁有來自整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有拓?fù)湫畔?。如果有多個(gè)到達(dá)同一目的地的路線，該進(jìn)程可找到路徑最短的一個(gè)。它還可以用來識別冗余路由。這個(gè)項(xiàng)目是在TSN之外發(fā)起的。

無縫冗余（IEEE802.1CB）

雖然國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)提供了無縫冗余特定協(xié)議，比如高可用性、無縫冗余（HSR）或并行冗余協(xié)議（PRP），他們要求站間全部的數(shù)據(jù)交換專為冗余設(shè)計(jì)。這可能會造成問題，因?yàn)槿绻嬖阱e(cuò)誤，則無法維護(hù)信息的順序。此外，故障排除相當(dāng)復(fù)雜。IEEE802.1明確決定僅將無縫冗余應(yīng)用于單個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)高速通道。這意味著協(xié)議開銷的減少，并更容易識別臨界點(diǎn)。

高速通道帶寬預(yù)留（IEEE802.1Qcc）

過載情況是以太網(wǎng)的一個(gè)主要問題，如，由兩個(gè)通道接收的數(shù)據(jù)通過單一的輸出轉(zhuǎn)發(fā)。采用大存儲是次之的解決辦法，因?yàn)檠舆t會隨著存儲字節(jié)數(shù)的增加而增加。這種延遲（best‐effort）不能通過提高自動化技術(shù)的響應(yīng)時(shí)間來控制。如果實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速通道具有高優(yōu)先級，其他通信將有永遠(yuǎn)被延遲的風(fēng)險(xiǎn)。為此，需要確定并保留所需的高速通道帶寬。預(yù)留協(xié)議允許實(shí)時(shí)負(fù)載占用高達(dá)80%的帶寬。這是對現(xiàn)有保留協(xié)議的擴(kuò)展。盡管僅擴(kuò)展現(xiàn)有預(yù)留協(xié)議不可能完全滿足對TSN的所有擴(kuò)展要求。這意味著將來仍有必要尋找更多的機(jī)制來實(shí)施實(shí)時(shí)通道。

循環(huán)調(diào)度（IEEE802.1Qch）

該調(diào)度過程涉及在每個(gè)循環(huán)周期中將時(shí)間關(guān)鍵信息僅轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰的設(shè)備。如果級聯(lián)深度較淺或者在單個(gè)路徑中循環(huán)調(diào)度的節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少，則更加有效。這個(gè)方法可以集成無線設(shè)備或其他難以確定延遲的組件，而且比時(shí)間控制更為穩(wěn)定。它可以輕松計(jì)算循環(huán)時(shí)間，并可有助于限制復(fù)雜系統(tǒng)中的進(jìn)度計(jì)算。?

每個(gè)高速通道的過濾和管制（IEEE802.1Qci）

專家們討論的另外一個(gè)方面是如何減少錯(cuò)誤響應(yīng)節(jié)點(diǎn)帶來的影響。為此，節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入側(cè)（入口）必須監(jiān)視每個(gè)高速通道上的鏈路通信量。根據(jù)高速通道的數(shù)量，這可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。如果消耗的帶寬超過允許范圍，將采取特定措施?？赡艿姆绞街皇墙卯a(chǎn)生錯(cuò)誤的高速通道。

IEEE802.1QYANG數(shù)據(jù)模型(IEEE802.1Qcp)

YANG是代替管理信息庫的新的模型化語言，它將重塑管理信息庫。出發(fā)點(diǎn)是由該標(biāo)準(zhǔn)提供的一個(gè)通用橋接模型。IEEE802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)建議了一個(gè)依賴于YANG的配置模型，但這一標(biāo)準(zhǔn)僅提供所需要的全部數(shù)據(jù)的少數(shù)幾個(gè)模型。?

異步數(shù)據(jù)幀整型（IEEE802.1Qcr）

整型器優(yōu)化了一定通信量等級下使用多個(gè)高速通道的通信延遲。這方面的標(biāo)準(zhǔn)工作剛剛起步，要求一個(gè)IEEE802.1Qci內(nèi)的數(shù)據(jù)庫。?

鏈接本地注冊協(xié)議（IEEE802.1CS）

該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施了組件配置的基本協(xié)議。它被優(yōu)化以攜帶比MRP更大的數(shù)據(jù)量。關(guān)于該標(biāo)準(zhǔn)的工作已經(jīng)啟動。?

自動附加到PBB（IEEE802.1Qcj）

Providerbridging配置采用鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（即LLDP，LinkLayerDiscoveryProtocol，不用于工業(yè)自動化）?

Profileforfronthaul(IEEE802.1CM)

電信TSN行規(guī)（不用于工業(yè)自動化）

3.2在IEEE802.1網(wǎng)絡(luò)中的EtherCAT高速通道

TSN可以用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但是它并不能替代EtherCAT。因?yàn)镋therCAT在其主站端使用了標(biāo)準(zhǔn)的組件，所以它可以被連接到TSN架構(gòu)中。但是，與TSN的連接將使EtherCAT主站和從站之間增加多余的通信延遲。然而，如果主站有多個(gè)通信任務(wù)，它可提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率。因此，雖然在一個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò)中的幾個(gè)路由躍點(diǎn)消耗了大概10μs，但是可以在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中連接4個(gè)EtherCAT子系統(tǒng)和1個(gè)視頻系統(tǒng)，可與一個(gè)子系統(tǒng)的控制站之間進(jìn)行通信，并將所有連接接通到互聯(lián)網(wǎng)。單個(gè)千兆以太網(wǎng)接口就足以滿足多個(gè)不同的通信要求。因此，標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)可以在TSN的支持下作為自動化應(yīng)用中的多用途設(shè)施。

I/O層的結(jié)構(gòu)和性能與典型的交換式環(huán)境截然不同?；谛实脑?，一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段需要緊密連接在一起。再次強(qiáng)調(diào)，10個(gè)EtherCAT從站的傳輸延遲大約為10μs（但是現(xiàn)在使用100M以太網(wǎng)）。因此會形成這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：主站在一端，帶有多個(gè)從站的網(wǎng)段在另一端，而TSN網(wǎng)絡(luò)居中。在從站網(wǎng)段和主站之間增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不會影響這樣一組的隔離模式，它將物理上分離的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌戏蛛x的網(wǎng)絡(luò)。這將使得主站設(shè)備具有更高的靈活性，同時(shí)它將保持確定的延遲和可預(yù)測的丟幀率。

在沒有其他的明確指定時(shí)，EtherCAT只使用TSN中talker和listener之間一對一的關(guān)系。TSN高速通道將在一個(gè)指定的時(shí)間間隔傳輸特定數(shù)量的字節(jié)。定義的數(shù)據(jù)量可能比傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)大，但是不能小于預(yù)留的帶寬資源。

在主站和一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段間至少要建立兩個(gè)高速通道。一個(gè)從主站到從站網(wǎng)段及相反的方向；而另一個(gè)高速通道可以用于對一組EtherCAT從站進(jìn)行控制（客戶端/服務(wù)器類通信），該通信可以有不同的傳輸特性并采用更低的優(yōu)先級。更多的通信需求可要求另一對高速通道，如用于狀態(tài)監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集。

TSN行規(guī)描述了如何在橋接網(wǎng)絡(luò)中按照IEEE802.1規(guī)范傳輸EtherCAT數(shù)據(jù)。對于橋接的配置和其他橋接相關(guān)的服務(wù)功能并沒有在EtherCAT協(xié)議相關(guān)的行規(guī)中描述，但將在TSN相關(guān)的文檔中定義。對主站中的虛擬EtherCAT通道的基本要求包括有一個(gè)相對應(yīng)EtherCAT網(wǎng)段的專用標(biāo)識符、發(fā)送間隔，被發(fā)送數(shù)據(jù)量的限值，以及可選的發(fā)送時(shí)間間隔。這些是主站上發(fā)送高速通道時(shí)需要定義的參數(shù)。主站需要高速通道數(shù)據(jù)流自從站網(wǎng)段返回的接收時(shí)間。

從站網(wǎng)段的最大的延遲必須完成規(guī)劃。橋接相關(guān)的參數(shù)是另外的時(shí)間限定條件，用于計(jì)算EtherCAT數(shù)據(jù)幀往返時(shí)間。結(jié)構(gòu)視圖如下：EherCAT網(wǎng)段的標(biāo)識符將在IEEE802.1中唯一定義。地址重復(fù)將因?yàn)閱蝹€(gè)請求出現(xiàn)多個(gè)響應(yīng)高速通道而被檢測到。

識別符是一個(gè)12位的值，它可以由位于高速通道中的或緊鄰高速通道的EtherCAT設(shè)備設(shè)置。另一種選擇是在與EtherCAT網(wǎng)段相連接的橋接接口處給EtherCAT網(wǎng)段配置VLAN識別符（VID）。VID端口是管理型交換機(jī)所熟知的參數(shù)，因此使用VID的方式將更有利于在IEEE802.1環(huán)境中處理EtherCAT網(wǎng)段。

在主站端及EtherCAT網(wǎng)段起始端對高速通道的適配通過采用標(biāo)識符來設(shè)置高速通道需要的從站地址。根據(jù)TSN標(biāo)準(zhǔn)，高速通道需要唯一尋址。該尋址通過標(biāo)識符和為EtherCAT預(yù)留的地址區(qū)間推演而來。

映射原理是明確的：EtherCAT部分并不會被TSN所改變，而TSN的部分也不會用于EtherCAT數(shù)據(jù)處理。

一個(gè)EtherCAT從站網(wǎng)段對應(yīng)一個(gè)VID。在這種特殊的情況下，VID與VLANtag中的Priority內(nèi)容結(jié)合即可操作。這是只有兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的特殊形式的VLAN。TSN高速通道的數(shù)TSNEtherCAT與TSN——工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的最佳實(shí)踐?EtherCATTechnologyGroupwww.ethercat.org.cn13/14據(jù)處理通過高速通道尋址到幀的目的地址實(shí)現(xiàn)。這些地址決定帶寬的分配及發(fā)送。因此，ID需要映射到單獨(dú)的高速通道。

在這樣的網(wǎng)絡(luò)中也可以進(jìn)行同步的操作，通過從IEEE802.1的網(wǎng)絡(luò)中向EtherCAT從站網(wǎng)段按照固定的時(shí)間間隔發(fā)送幀。這樣要求有限的延遲變化。向EtherCAT網(wǎng)段發(fā)送的時(shí)間由最差的延遲確定。TSN允許超過一個(gè)EtherCAT從站網(wǎng)段的同步操作并提供全局時(shí)間基準(zhǔn)。同步操作的質(zhì)量取決于TSN（IEEE802.1AS）內(nèi)部保持精確計(jì)時(shí)和以很低的抖動執(zhí)行定時(shí)動作的同步質(zhì)量。EtherCAT的精確度是在100ns級別。在EtherCAT主站和第一個(gè)從站之間推薦采用可以提供100ns級精確時(shí)間的橋接。

4.EtherCAT和TSN：完美的結(jié)合

不同的自動化應(yīng)用會在形式、規(guī)模和性能要求方面各有不同。

比如，車身制造工廠是一個(gè)非常復(fù)雜的應(yīng)用：約有1000臺機(jī)器人和幾千個(gè)控制單元與上萬臺傳感器和執(zhí)行器相連。

一臺機(jī)器人由幾臺伺服驅(qū)動器和I/O組成。很多傳感器僅提供一個(gè)數(shù)字量或者模擬量信號數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。成千的I/O模塊組提供過程數(shù)據(jù)的采集和分布。在這樣的系統(tǒng)頂端，一個(gè)IEEE802.1的網(wǎng)絡(luò)可以作為自動化架構(gòu)的主干。

如果將該類應(yīng)用中的所有I/O模塊組，伺服驅(qū)動器和控制單元直接連接并配置到一個(gè)經(jīng)過TSN優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)，那將是一場噩夢，因?yàn)閷⒂袩o窮盡的問題，而且那意味著所有機(jī)器組件將在機(jī)器制造商以外進(jìn)行配置。雖然這樣的應(yīng)用非常開放，但是有可能導(dǎo)致機(jī)器被錯(cuò)誤配置或者達(dá)不到預(yù)期的服務(wù)質(zhì)量水平。

因此，需要一種理念去保證一種適合的從上至下以及從下至上的架構(gòu)。

本白皮書的目的并不在于去覆蓋方方面面，只是探討如何將機(jī)器層集成到TSN網(wǎng)絡(luò)中。一種方式就是在EtherCAT主站端用一個(gè)網(wǎng)關(guān)解耦EtherCAT和TSN。EthernetTCP/IP通信可以通過主站路由。網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性可以通過連接EtherCAT主站接口和EtherCAT網(wǎng)段到TSN來實(shí)現(xiàn)。將一組從站（I/O模塊組，伺服驅(qū)動器等）組合到EherCAT網(wǎng)段的方式將顯著縮減TSN需要提供的高速通道的數(shù)量，并在按數(shù)量級提升EtherCAT/TSN系統(tǒng)的效率時(shí)有力保護(hù)該組從站。這樣集成的原因可能在于在主站端缺少Ethernet接口（千兆以太網(wǎng)口可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)虛擬接口），或?qū)therCAT和視頻/音頻集成在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。此外，在共享已有的通信線纜的同時(shí)，升級現(xiàn)有的EtherCAT系統(tǒng)是使用TSN的原因之一。TSN的應(yīng)用將提升自動化系統(tǒng)的靈活性，并有助于為自動化單元層提升實(shí)時(shí)性能，同時(shí)保留對于各種自動化任務(wù)的整體控制。

總之，EtherCAT可以支持與TSN的完美集成，而無需改變EtherCAT技術(shù)的基礎(chǔ)本身。