作者：EtherCAT技術協會KarlWeber博士

摘要：EtherCAT是現場總線領域的主流技術，以太網是使用交換機技術的有線辦公應用的標準。TSN則是在異構環境中實現實時通信的推動者。在某些情況下，這兩種技術的結合是一種必然。更好理解TSN和“高速通道”（stream）通信概念是在工廠進行成功實施的先決條件。在EtherCAT系統中可以高效實現對TSN的實施，即在主站側進行升級，無需更改從站，并可在連接EtherCAT網段的網橋上進行適度擴展。

I.目標

自IEEE802.1工作組中的相關任務小組建立以來，TSN就成為人們所熟知的“時間敏感網絡”的縮寫。本白皮書闡述了如何在工業自動化環境中使用這一新興技術。TSN技術可以被廣泛用于各種不同的應用中，包括音頻/視頻（A/V）、汽車、移動網絡基站與能源生產等領域。TSN模型將“高速數據通道”（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時性的特征，但并未定義如何在特定的環境中使用它。“工具箱”一詞用于解釋在工業自動化語境中描述TSN應用所需要的模型。

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

II.EtherCAT與TSN——工業以太網系統架構的最佳實踐

1、TSN的演變

TSN是一組連接終端節點的橋接標準。“橋接”一詞用于標準的規范中，但更為大眾的說法是“交換”。TSN獨立于底層通信技術，盡管以太網是其首選使用的物理基礎。在典型的辦公使用場景下，交換機的使用對響應時間無明顯影響，這是由于在網絡客戶端與服務器之間并沒有級聯過多的交換機，而且人類的互動對于網絡傳輸的響應要求在秒級別即可。對于交換機網絡中低延遲通信的理解要求我們更深入地了解標準辦公通信。

以太網擁有超過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算機間靈活的連接方式所作出的共同努力。當時主流的使用場景是工作站到服務器之間的連接。在一開始對于靈活性的要求就十分關鍵，所以通信機制被設定為使用“Best-effort”概念，這一概念就是源于客戶端-服務器通信。Best-effort意味著客戶端可以平等的訪問數據，任何客戶端都不會被給予優先的數據訪問權。如果太多客戶端同時在單一通路上嘗試訪問數據，則會導致通信以及服務器響應延時。

這一概念并未隨著因特網的發展而改變，只不過工作站轉變為個人電腦，最終演變為智能手機，同樣連接到網絡服務器與云端。以太網是一種本地局域網（LAN）概念，屬于因特網的子網。但是子網變得越來越大，原始的以太網概念卻沒有隨著節點數的增多而變化。由IEEE802.1于25年前提出的橋接技術可顯著改善這一狀況。它使得同時使用不同速度的網絡成為可能，并且允許方便地與其他網絡技術（如無線技術）進行集成。橋接技術將通信網絡分為終端節點和通信基礎架構。Best-effort范式曾是所有這些技術發展的基準。

工業通信協議——一般指各種現場總線，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行器的擴展線纜，取而代之的是結構化的來自不同技術提供者的I/O模塊的網絡。自動化領域的技術基準一直是服務質量的保障。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。開始EtherCAT與TSN——工業以太網系統架構的最佳實踐?EtherCATTechnologyGroupwww.ethercat.org.cn5/14時人們大多選用特定的通信技術，而基于PC的系統提供的更高的帶寬與可用性使得以太網成為了可行的現場總線。但是在自動化領域中采用Best-effort原則（以因特網的方式）使用以太網卻很難，即便一些組織為在現場總線環境中使用未經調整的基礎構件而創立了一些規則，如：限制非實時通信量或者減少站點數量。基于以太網的現場總線的方法是一種使用雙端口設備的集成化網絡，可用于替代通用的現場總線網絡中的線性拓撲。在具備典型的8字節長度過程數據的現場設備中，使用獨立幀的方法將導致效率低下，浪費高達90%的以太網帶寬，就如同每個包裹都是用單獨的一輛卡車轉運。這一問題的解決是EtherCAT方式如此成功的原因。EtherCAT提供了經過完全修改的橋接概念，可以解決如前所述的因特網基礎構建帶來的問題。共享幀轉發和飛速處理是其改善以太網性能的核心機制，它充分利用了以太網資源，顯著提升了應用的性能。

作為IEEE802中發生的范式轉移，TSN瞄準了各種行業中的實時應用。在IEEE802.1環境中，TSN盡可能快地轉發數據幀，并且不因擁堵而導致丟幀。這意味著Best-effort機制需要做很多修正，可能需要一段時間去解決這個問題。但是這并未解決以太網的基本問題，如獨立幀方法帶來的效率低下、幀轉發進程的復雜性和性能等問題。

TSN不是一個真正的現場總線的替代方案，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提供者進行必要的系統微調。由此TSN完全取代CAN或者PROFIBUS的實際機會為零。在給定通信速率的前提下，EtherCAT提供了更加優越的性能。TSN同樣不能取代EtherCAT。

但是，TSN在有異構網絡需求和存在大量因特網傳輸的應用場景中具有優勢。多臺相EtherCAT與TSN——工業以太網系統架構的最佳實踐?EtherCATTechnologyGroupwww.ethercat.org.cn6/14機（攝像機）和/或大量不同的實時標準的組合應用可能是使用TSN作為基干網絡的原因。只有一個以太網接口的嵌入式PC通過訪問TSN網絡實現虛擬端口的倍增。作為已有眾多可選設備的現場總線，EtherCAT與TSN并存將成為未來十年自動化通信基礎架構的另一種選擇。

2、可能的應用場景

TSN不局限于工業自動化，相反，還有很多其他可能的應用實例。

IEEE802.1任務組曾被稱為AVB（音頻視頻橋接），最初的使用案例是在A/V應用中。早期的標準曾有助于加強專業的A/V設施，例如體育賽事的現場視頻傳輸。該技術也可用于建立大型音頻設施。在這種環境下，TSN的優勢之一是能夠在不關閉整個系統的情況下快速更改數據流。由于布線減少而得以改善的靈活性是從模擬設備切換到以太網和無線的主要原因。未來將會有更多要求苛刻的應用，例如視角可變的3D圖像，或者高精度距離測量的系統。這些功能都需要非常精確的時間同步。系統的高可用性對于優質實時高速通道來說是一個非常重要的因素，它需要合理的丟幀率以及對系統故障做出快速反應的可能性。在增強現實（AR）領域的一些要求也可能是在更廣泛的應用領域中使用這種技術的原因。未來，TSN都可以做到。

基于以太網的技術的第二個應用實例是補充汽車基礎設施。CAN已經成為汽車行業中不少子系統的網絡技術，但攝像機和其他復雜的娛樂信息系統帶動了對更高帶寬的需求；車載電子子系統的診斷和服務也是集成以太網骨干網的一個原因；將這兩種應用放在同一個網絡上需要獨立的數據通信模式，先進動力系統對通信的需求可以成為另一原因。

目前，它是由一個單獨的網絡控制，為接入新的信號，需要額外的電纜和計算能力。連接并同步汽車中的所有網絡可以導致額外的控制選項，并且可以監控機械和電氣組件，以實現高級狀態監控功能和更精確的服務指示。由此產生的“電纜樹”是現代汽車中昂貴的部件。通過與高效的子系統相結合，TSN主干網可以實現時間關鍵數據交換，從而顯著改善汽車設計。雖然TSN是汽車骨干和攝像機系統的首選，對CAN子系統和動力系統的集成也可能是引人關注的以太網應用領域。盡管如此，兩種通信技術都具有類似于工業自動化中的協議的特性，尤其在使用增強型電驅動子系統的場合。以太網在汽車系統中的廣泛應用將推動該行業的發展，其中相當多以太網的元素可能對自動化行業而言也是有意義的。

另一個受到巨大影響的大眾消費行業為移動網絡，并會在不久的將來得到TSN的推動，以太網將為回程通信基礎設施提供支持。這是無線電設備（RE）單元和RE控制基礎設施EtherCAT與TSN——工業以太網系統架構的最佳實踐?EtherCATTechnologyGroupwww.ethercat.org.cn7/14之間的通信層。同步是非常重要的任務，丟幀率則是另一個關鍵因素。第五代移動網絡（5G）將增加不少額外的性能要求，市場上的技術提供商已經啟動項目以采用TSN作為回程網絡的控制基礎設施。

A/V技術也正在被納入自動化行業，上述領域的進一步發展可以加速這些系統的應用。A/V節點的字節數通常在500-1000字節的范圍內，因此可以將其歸類于低于工業要求的特定數據通信量級別。機器人市場也將迅速增長，機器人和其他機器的組合需要時間敏感的通信。目前，這是通過使用現場總線通信來解決的，然而，其他機器和/或它們的PLC也需要充當這樣的網絡中的互聯設備。機器和機器人的特定組合中，不支持相同通信協議的可能性很高。TSN將使通信基礎設施變得更簡單，因為機器人和機器無需多種接口來滿足各種通信需求。這個級別的通用基礎設施可以加速機器人和智能機器的使用，所有這些都使用標準通信接口來實現。

TSN與現場總線技術結合的更多可能性將在EtherCAT環境下的TSN部分進行討論。

3、了解TSN

3.1TSN任務工作組

在IEEE802.1工作組中有一個TSN任務工作組，其任務是強化橋接網絡的實時性能。TSN中終端節點之間的通信是依靠“高速通道”來完成。IEEE802.1標準中使用術語“talker”表示高速通道的發起者，術語“listener”表示高速通道接收者。高速通道使用單向的數據傳輸，數據可以從一個talker單向傳輸到一個或多個listener。一個實時的高速通道的talker不會發送很多幀間有多個字節的幀。為了在IEEE802.1網絡中使用高速通道，需要一個標識。同時，還可以使用多個標識體系。但是在少數的TSN標準中使用MAC目的地址和VLAN來標識高速通道。

到目前為止，TSN工作組建立了如下的標準化項目：?

提高同步性能（IEEE802.1ASbt）

基于IEEE1588標準，IEEE802.1AS的早期版本已經為分布式時鐘的計時定義了同步協議。這樣有利于更好地集成到標準以太網環境中。然而卻丟失了與其他的1588以太網行規的兼容性。新的版本將包含公認的one-step透明時鐘。現階段急需改善的是對錯誤情況的響應，例如：線路或主站通信故障。新版本也應該能夠處理設備中不同時間域的問題。

數據幀搶占優先（IEEE802.1Qbu）

時間關鍵信息的確定性傳輸的一個主要問題是同一網段上還有可以用傳統的以太網傳輸的通信數據，因為在網段中一個單獨數據幀長度甚至可以超過1500字節，這可能導致每個節點的周期延時高達125微秒。這個問題可以通過數據幀中斷機制來處理（IEEE工作組在以太網項目P802.3br中定義）。最終，這種機制不僅需要新的網絡組件，還需要終端系統中新的以太網集成電路（IC）。

提升規劃的通信（IEEE802.1Qbv）

在TSN中對發送操作的時間控制至關重要。就像實際高速公路一樣，在信息高速路上也可能會發生交通堵塞，即使是在有高優先級、實時數據和搶占優先權時，傳輸時間可能仍有一些偏差。由于時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間要求較低的數據來實現。這個進程可以類比為交通燈控制。

路徑控制和預留（IEEE802.1Qca）

為了盡快從A到B，你需要地圖并進行路由規劃。如同在日常生活中一樣，網絡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。該協議可以基于路由器使用的“中間系統到中間系統”（IS-IS）的概念。這個概念涉及拓撲信息的收集和分配。經過多次迭代，所有節點都擁有來自整個網絡的所有拓撲信息。如果有多個到達同一目的地的路線，該進程可找到路徑最短的一個。它還可以用來識別冗余路由。這個項目是在TSN之外發起的。

無縫冗余（IEEE802.1CB）

雖然國際標準已經提供了無縫冗余特定協議，比如高可用性、無縫冗余（HSR）或并行冗余協議（PRP），他們要求站間全部的數據交換專為冗余設計。這可能會造成問題，因為如果存在錯誤，則無法維護信息的順序。此外，故障排除相當復雜。IEEE802.1明確決定僅將無縫冗余應用于單個關鍵數據高速通道。這意味著協議開銷的減少，并更容易識別臨界點。

高速通道帶寬預留（IEEE802.1Qcc）

過載情況是以太網的一個主要問題，如，由兩個通道接收的數據通過單一的輸出轉發。采用大存儲是次之的解決辦法，因為延遲會隨著存儲字節數的增加而增加。這種延遲（best‐effort）不能通過提高自動化技術的響應時間來控制。如果實時數據高速通道具有高優先級，其他通信將有永遠被延遲的風險。為此，需要確定并保留所需的高速通道帶寬。預留協議允許實時負載占用高達80%的帶寬。這是對現有保留協議的擴展。盡管僅擴展現有預留協議不可能完全滿足對TSN的所有擴展要求。這意味著將來仍有必要尋找更多的機制來實施實時通道。

循環調度（IEEE802.1Qch）

該調度過程涉及在每個循環周期中將時間關鍵信息僅轉發給相鄰的設備。如果級聯深度較淺或者在單個路徑中循環調度的節點數目較少，則更加有效。這個方法可以集成無線設備或其他難以確定延遲的組件，而且比時間控制更為穩定。它可以輕松計算循環時間，并可有助于限制復雜系統中的進度計算。?

每個高速通道的過濾和管制（IEEE802.1Qci）

專家們討論的另外一個方面是如何減少錯誤響應節點帶來的影響。為此，節點的進入側（入口）必須監視每個高速通道上的鏈路通信量。根據高速通道的數量，這可能是一項艱巨的任務。如果消耗的帶寬超過允許范圍，將采取特定措施。可能的方式之一是禁用產生錯誤的高速通道。

IEEE802.1QYANG數據模型(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。出發點是由該標準提供的一個通用橋接模型。IEEE802.1Qcc標準建議了一個依賴于YANG的配置模型，但這一標準僅提供所需要的全部數據的少數幾個模型。?

異步數據幀整型（IEEE802.1Qcr）

整型器優化了一定通信量等級下使用多個高速通道的通信延遲。這方面的標準工作剛剛起步，要求一個IEEE802.1Qci內的數據庫。?

鏈接本地注冊協議（IEEE802.1CS）

該標準實施了組件配置的基本協議。它被優化以攜帶比MRP更大的數據量。關于該標準的工作已經啟動。?

自動附加到PBB（IEEE802.1Qcj）

Providerbridging配置采用鏈路層發現協議（即LLDP，LinkLayerDiscoveryProtocol，不用于工業自動化）?

Profileforfronthaul(IEEE802.1CM)

電信TSN行規（不用于工業自動化）

3.2在IEEE802.1網絡中的EtherCAT高速通道

TSN可以用于異構網絡，但是它并不能替代EtherCAT。因為EtherCAT在其主站端使用了標準的組件，所以它可以被連接到TSN架構中。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，如果主站有多個通信任務，它可提供更高的數據傳輸率。因此，雖然在一個TSN網絡中的幾個路由躍點消耗了大概10μs，但是可以在一個網絡中連接4個EtherCAT子系統和1個視頻系統，可與一個子系統的控制站之間進行通信，并將所有連接接通到互聯網。單個千兆以太網接口就足以滿足多個不同的通信要求。因此，標準的架構和嵌入式系統可以在TSN的支持下作為自動化應用中的多用途設施。

I/O層的結構和性能與典型的交換式環境截然不同。基于效率的原因，一個EtherCAT網段需要緊密連接在一起。再次強調，10個EtherCAT從站的傳輸延遲大約為10μs（但是現在使用100M以太網）。因此會形成這樣的網絡結構：主站在一端，帶有多個從站的網段在另一端，而TSN網絡居中。在從站網段和主站之間增加一個網絡結構并不會影響這樣一組的隔離模式，它將物理上分離的網絡轉變為邏輯上分離的網絡。這將使得主站設備具有更高的靈活性，同時它將保持確定的延遲和可預測的丟幀率。

在沒有其他的明確指定時，EtherCAT只使用TSN中talker和listener之間一對一的關系。TSN高速通道將在一個指定的時間間隔傳輸特定數量的字節。定義的數據量可能比傳輸的字節數大，但是不能小于預留的帶寬資源。

在主站和一個EtherCAT網段間至少要建立兩個高速通道。一個從主站到從站網段及相反的方向；而另一個高速通道可以用于對一組EtherCAT從站進行控制（客戶端/服務器類通信），該通信可以有不同的傳輸特性并采用更低的優先級。更多的通信需求可要求另一對高速通道，如用于狀態監控的數據采集。

TSN行規描述了如何在橋接網絡中按照IEEE802.1規范傳輸EtherCAT數據。對于橋接的配置和其他橋接相關的服務功能并沒有在EtherCAT協議相關的行規中描述，但將在TSN相關的文檔中定義。對主站中的虛擬EtherCAT通道的基本要求包括有一個相對應EtherCAT網段的專用標識符、發送間隔，被發送數據量的限值，以及可選的發送時間間隔。這些是主站上發送高速通道時需要定義的參數。主站需要高速通道數據流自從站網段返回的接收時間。

從站網段的最大的延遲必須完成規劃。橋接相關的參數是另外的時間限定條件，用于計算EtherCAT數據幀往返時間。結構視圖如下：EherCAT網段的標識符將在IEEE802.1中唯一定義。地址重復將因為單個請求出現多個響應高速通道而被檢測到。

識別符是一個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設備設置。另一種選擇是在與EtherCAT網段相連接的橋接接口處給EtherCAT網段配置VLAN識別符（VID）。VID端口是管理型交換機所熟知的參數，因此使用VID的方式將更有利于在IEEE802.1環境中處理EtherCAT網段。

在主站端及EtherCAT網段起始端對高速通道的適配通過采用標識符來設置高速通道需要的從站地址。根據TSN標準，高速通道需要唯一尋址。該尋址通過標識符和為EtherCAT預留的地址區間推演而來。

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數據處理。

一個EtherCAT從站網段對應一個VID。在這種特殊的情況下，VID與VLANtag中的Priority內容結合即可操作。這是只有兩個終端節點的特殊形式的VLAN。TSN高速通道的數TSNEtherCAT與TSN——工業以太網系統架構的最佳實踐?EtherCATTechnologyGroupwww.ethercat.org.cn13/14據處理通過高速通道尋址到幀的目的地址實現。這些地址決定帶寬的分配及發送。因此，ID需要映射到單獨的高速通道。

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

4.EtherCAT和TSN：完美的結合

不同的自動化應用會在形式、規模和性能要求方面各有不同。

比如，車身制造工廠是一個非常復雜的應用：約有1000臺機器人和幾千個控制單元與上萬臺傳感器和執行器相連。

一臺機器人由幾臺伺服驅動器和I/O組成。很多傳感器僅提供一個數字量或者模擬量信號數據傳輸給控制系統。成千的I/O模塊組提供過程數據的采集和分布。在這樣的系統頂端，一個IEEE802.1的網絡可以作為自動化架構的主干。

如果將該類應用中的所有I/O模塊組，伺服驅動器和控制單元直接連接并配置到一個經過TSN優化的網絡，那將是一場噩夢，因為將有無窮盡的問題，而且那意味著所有機器組件將在機器制造商以外進行配置。雖然這樣的應用非常開放，但是有可能導致機器被錯誤配置或者達不到預期的服務質量水平。

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。

本白皮書的目的并不在于去覆蓋方方面面，只是探討如何將機器層集成到TSN網絡中。一種方式就是在EtherCAT主站端用一個網關解耦EtherCAT和TSN。EthernetTCP/IP通信可以通過主站路由。網絡配置的靈活性可以通過連接EtherCAT主站接口和EtherCAT網段到TSN來實現。將一組從站（I/O模塊組，伺服驅動器等）組合到EherCAT網段的方式將顯著縮減TSN需要提供的高速通道的數量，并在按數量級提升EtherCAT/TSN系統的效率時有力保護該組從站。這樣集成的原因可能在于在主站端缺少Ethernet接口（千兆以太網口可以實現幾個虛擬接口），或將EtherCAT和視頻/音頻集成在同一個網絡架構中。此外，在共享已有的通信線纜的同時，升級現有的EtherCAT系統是使用TSN的原因之一。TSN的應用將提升自動化系統的靈活性，并有助于為自動化單元層提升實時性能，同時保留對于各種自動化任務的整體控制。

總之，EtherCAT可以支持與TSN的完美集成，而無需改變EtherCAT技術的基礎本身。