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TSN与工业以太网技术的真相

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发表于 2018-7-20 01:09:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
我们近期收到来自ETG会员的反馈,在网络上流传的某些比较各种工业以太网通讯技术的文章中,针对EtherCAT部分的描述有误,会员希望ETG对相应错误部分给予纠正,防止读者被误导。此外,针对该文章中指出的TSN技术适用于现场层的应用的观点,我们借此机会给予我们的解读。

以某一家现场总线组织为名的关于多家工业以太网现场总线的对比只是站在某一种总线角度进行技术比较,对于广大用户来说并不具有代表性和权威性,且因其对EtherCAT技术了解的片面性,文章中在技术层面出现很多错误,为工业以太网用户带来诸多困扰。

我们在此列举了以下技术错误并进行了相应的纠正,以帮助用户正确理解工业以太网以及EtherCAT技术。

  错误1:1.2章节关于主流通讯协议的循环周期比较
QQ截图20180720010459.jpg

QQ截图20180720010507.jpg

按照图示中关于EtherCAT的参数:70多个节点,100个字节的数据量,循环周期要超过1700微秒。

实际应用中采用硬件测试过的EtherCAT性能如下:

1000个开关量分布在100个节点上,循环周期为30微秒

100个伺服轴,每个轴8字节的输入/输出数据,循环周期为100微秒
QQ截图20180720010520.jpg
QQ截图20180720010526.jpg
EtherCAT与其他千兆以太网及TSN性能比较

上图中所示,与其他的基于千兆以太网的总线技术与TSN比较,EtherCAT的真实性能应该如图中最底层的平面(蓝色平面)所示。显然,EtherCAT的性能明显优于其他的技术。

错误2:1.2章节关于EtherCAT循环周期时间的计算公式错误:
QQ截图20180720010540.jpg

QQ截图20180720010547.jpg

对于通常的EtherCAT系统中含有的三类设备:输入设备、输出设备、输入输出混合设备。对于含有以上三类设备的EtherCAT系统的最小循环周期公式应为:

τ= 8(40 + max(44, 4 ×(x+12)))/C

说明: EtherCAT协议定义数据帧结构,可以将数据报文分成多个子报文,每个子报文可以对应一个到多个从站。一般情况下子报文都是对应同类的一系列设备,例如所有输入模块对应一个子报文,所有输出模块对应一个子报文,所有输入输出的模块对应一个子报文。这样如果系统中以上三类设备,外加一个用于监控设备状态机的广博子报文后,公式应该是4×(x+12)。文中提到的是将每一个从站都对应一个子报文,这不是必须的,绝大多数情况都不会使用到这种极限方式。
QQ截图20180720010603.jpg
错误3:在公式说明后提到如下内容:

“这里介绍的所有方程都是假设了简单的情况,其中输入和输出数据量相等,拓扑结构为完美的总线型。然而在实际应用中,这种比较取决于许多其他参数:

输入数据与输出数据的比率

具有直接交叉通信的设备的百分比

利用不同的循环周期

拓扑结构(总线型、星型、环型),以及设备之间的跳数

带有自己背板总线的模块化I/O的可用性”

EtherCAT的性能有很好的确定性,对于确定了节点数和负载的应用,就有确定的EtherCAT系统性能,而无需考虑其他不必要的因素。

EtheCAT与输入数据与输出数据的比率无关。EtherCAT系统性能与传输时间和总数据量有关,而不是数据量中输入输出数据的比率。

EtheCAT性能与直接交叉通信的设备的百分比无关。EtherCAT从站物理层选择交叉索引自适应的PHY,所以和“直接交叉通信的设备的百分比”无关,并且系统中无需全双工的交换机及半双工的HUB设备。

EtherCAT性能受不同的循环周期的影响,但这种方式是指主站可以优化报文,不同类型的设备根据不同的任务周期发送数据,从而释放主站的性能。

EtherCAT支持多种拓扑结构(总线型、星型、环型、树型、线型),且性能和拓扑结构无关。而且不涉及设备之间的跳数的问题,不存在这方面影响。

EtherCAT是一网到底,没有背板总线,因此不存在背板总线的影响。

有关TSN和EtherCAT:

TSN的用武之地在于异构性网络的实时性数据交换,而在现场总线层的应用中,TSN不会替代EtherCAT。

TSN是Time Sensitive Networking(时间敏感性网络)的缩写,是一个IEEE桥接(“交换技术”)的工作组的项目。因为传统的基于“Best effort”方式对普通以太网的应用不能够满足广泛的实时性需求(例如在音频/视频和广泛的IT通信与EtherCAT系统通讯),所以该工作组旨在通过确定性的研究提升以太网的实时性。它有如下特点:

-  在IEEE802.1规范中,数据帧被尽可能快的转发,避免阻塞。

-  一部分带宽被预留为“Stream”(数据高速通道),用于传输对时间要求更高的通讯。

-  剩余的带宽用于普通的数据传输(“延迟通道”)。
QQ截图20180720010626.jpg
从上图中可见,实时性是通过在TSN中建立数据高速通道实现的。那么,对于现场层的数据通讯,通常是节点数众多,响应要求快,周期性循环的通讯,如果直接通过TSN连接带有n个节点的系统,就要求建立n个数据高速通道。这显然会影响其他类型的数据通讯,并且在网络配置方面也是不切实际的。

TSN真正的用意在于异构网络的搭建。在未来的工业网络或者泛工业的应用中,同一个网络需要集成不同类型的设备、不同类型的通讯,这些通讯设备之间需要进行实时性交互时,正是TSN的用武之地。TSN通过对TSN交换机的配置链接不同的设备或者网段,实现数据实时交互。这种实时性通过TSN配置给每个网段或者设备的“数据高速通道”实现。因此,TSN嵌入在IEEE 802技术中有助于协调通信,它会消除一些不必要的冲突,但不会改变基本规则。TSN的两个主要性能缺陷是无法改变的,即针对小数据量的以太网帧处理效率以及复杂且耗时的转发进程。

在对于机器的控制中,EtherCAT在典型的IO网段的性能比TSN高出近十倍。EtherCAT作为当今最快速的工业以太网现场总线可以和TSN技术完美结合。
QQ截图20180720010641.jpg
如上图所示,在异构网络中涉及到机器控制(多节点、高速响应、硬实时性要求)采用EtherCAT网段,每一个EtherCAT网段(含有多个EtherCAT节点设备)通过TSN交换机建立的一个高速数据通道与主站相连。

这种用法非常高效,基于共享帧方式的EtherCAT由于网络中多个从站设备的数据可以在同一个数据帧中传输,EtherCAT连到TSN网络中后,使得TSN配置更加容易并高效。整个EtherCAT网段仅利用了TSN的一个“高速通道”,并保证了在异构网络中EtherCAT网段中所有设备与其他类型设备及EtherCAT主站的实时通讯。

此外,关于TSN规范制定工作还在进程当中,如下图,其中一些规范还处于草稿或者投票等阶段,只有一部分规范对外发布。值得注意的是,现阶段对于TSN网络的配置工具目前还没有发布,有效的TSN网络还不能组态。
QQ截图20180720010655.jpg
为了保证EtherCAT技术与TSN的适用性,EtherCAT技术协会已经在2017年底发布了EtherCAT关于TSN的设备行规。该行规规范用于EtherCAT和TSN的使用,文档中对已发布的TSN规范和EtherCAT技术的结合进行了定义,此文档可以在ETG官方网站下载,随着TSN规范的完善,此文档也会相应的更新版本,当前版本是ETG.1700 S (D) V0.9.0。

TSN的真正优势在于增强了包括很多机器在内的本地网络的性能。它未来的发展必然会降低当前机器到机器网络器件的复杂性。这将需要一个通用的协议基础架构和网络控制系统,并且两者都需要可以在机器层进行有效处理的器件。

在未来的自动化系统中,如何组织通信将比通信特性本身更重要。这就是为什么EtherCAT保留了现有元器件并提供了单独对TSN功能的适配。因此,我们可以支持更强大的功能,并保护您对EtherCAT的资产投入。

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