Time Sensitive Networking (TSN) okiem pragmatyka

From |

Obecne protokoły czasu rzeczywistego oparte o standard Ethernetu działają  w myśl zasady „dostarczam dane tak szybko jak tylko mogę”. Najkrótsze czasy cykli, zapewniające gwarancję dostarczenia danych w czasie rzeczywistym, możemy obecnie uzyskać stosując protokoły przemysłowe takie jak:

  • EtherCAT
  • Profinet IRT
  • SERCOS III.

Niewątpliwa zaleta, jaką jest bardzo duża prędkość przesyłania danych, jest w każdym z tych protokołów uzyskana poprzez pewne „ulepszenia” i dodatkowe mechanizmy techniczne. Są one jednak wzajemnie niezgodne i niekompatybilne, wymagają np. dedykowanego sprzętu, przez co nie da się połączyć ich w ramach jednej sieci.

W rezultacie obecny rynek rozwiązań Ethernetu czasu rzeczywistego jest więc podzielony na producentów wspierających głównie swoje rozwiązania i urządzenia korzystające z tych, a nie innych protokołów. Już teraz wiadomo, że nie da się tu wprowadzić wspólnych przyszłych zmian umożliwiających rozwój i zapewnienie zgodności standardów.

Time Sensitive Networking to zestaw zupełnie nowych technologii stworzony w celu poprawy komunikacji czasu rzeczywistego w dzisiejszych sieciach Ethernetu (głównie przemysłowego)

Nie tworzą one jednak odmiennego, niezależnego protokołu komunikacyjnego, lecz definiują funkcje, które mogą być wykorzystywane przez inne protokoły, np. OPC UA, PROFINET, CC Link, itd.

Technologie TSN zostały zdefiniowane w grupie IEEE 802.1, które określają sposób ich implementacji w warstwie fizycznej Ethernetu.

StandardFunkcja Zalety
IEE 802.1AS (P802.1ASrev)Synchronizacja czasu w sieciWszystkie urządzenia są w pełni zsynchronizowane czasowo
IEEE 802.1Qbu IEEE 802.3brWywłaszczenia ramekMaksymalna przepustowość przy zachowaniu komunikacji w czasie rzeczywistym
P802.1QccRezerwacja strumieniPrzydzielanie tras komunikacji zgodnie z IEEE
IEEE 802.QbvPlanowanie ruchuBrak kolizji pomiędzy pakietami danych
P802.1CBBezproblemowa redundancjaBezzwłoczne przełączenie na rezerwowy tor komunikacji
IEEE 802.1QciNadzorowanie i filtracjaUsuwanie zbędnych danych z sieci (bezpieczeństwo)

W/w funkcje obsługują wszystkie podstawowe topologie jak gwiazda, pierścień, drzewo oraz topologie mieszane

W aplikacjach przemysłowych wykorzystywane będą przede wszystkim łącza 100 Mb oraz 1 Gb – choć warto wspomnieć, że standardy te nie są ograniczone do żadnej konkretnej szybkości transferu. Według IEEE 802.3 przepustowość (z pełną transmisją dwukierunkową) będzie mogła sięgać nawet 400 Gb/s.

TSN wprowadza wiele usprawnień w porównaniu do stosowanych obecnie w przemyśle sieci Ethernetowych

Dane przesyłane są poprzez całą dostępną przepustowość łącza i kolejkowane (m.in. w switchach) w postaci pakietów oczekujących na transmisję. Dzięki temu mechanizmowi ramki z danymi o wyższym priorytecie mogą w ten sposób i w tym miejscu „wyprzedzić” dane niekrytyczne czasowo. Harmonogram czasowy takich priorytetowych transmisji zależny jest od głównego urządzenia w sieci pełniącego funkcję konfiguratora sieci i nazywanego w skrócie CNC (Centralized Network Controller). Jego rola to m.in. zarządzanie topologią, rezerwacja strumieni oraz rozgłaszanie stosownych informacji do pośredniczących w komunikacji urządzeń. TSN wprowadza ponadto kontrolę upływu czasu, czyli wspólny zegar i synchronizację dla transmisji wszystkich danych oraz zapewnienie niskich opóźnień czasowych. Mechanizm wywłaszczania ramek umożliwia przerwanie obecnie transmitowanego pakietu danych, by przekazać dane o wyższym priorytecie. Po jego przesłaniu następuje dokończenie transmisji przerwanej wcześniej ramki. Mechanizm rezerwowanej przepustowości sprawia, że TSN zapewnia precyzyjną synchronizację czasową wielu strumieni danych. Wszystko to pozwala na współistnienie ruchu danych krytycznych czasowo wraz z standardowym ruchem ethernetowym w tej samej sieci.

Please accept statistics, marketing cookies to watch this video.

TSN  jest technologią, która przekształca działanie Ethernetu z dotychczasowego, wspomnianego już modelu: „przekazuję dane tak szybko jak tylko mogę” na działanie typu „dostarczam kluczowe dane bez najmniejszych opóźnień niezależnie od standardowej komunikacji Ethernet”.  

Pozwala zatem na bez problemową integrację z istniejącymi w zakładach przemysłowych starszymi aplikacjami oraz istniejącymi sieciami informatycznymi. TSN jest już obecnie postrzegany jako najbardziej obiecujący, przyszłościowy standard ethernetu, który pozwala na zjednoczenie ze sobą sieci IT oraz OT, a także umożliwia wielu producentom, organizacjom oraz protokołom współdzielenie tej samej sieci w całym przedsiębiorstwie. Cieszące się coraz większym zainteresowaniem wdrażanie w przemyśle coraz to nowych urządzeń internetu rzeczy (IoT) będzie miało ostatecznie sens tylko po wprowadzeniu w przedsiębiorstwie technologii TSN, która stanowi kolejny krok w ewolucji niezawodnej komunikacji przemysłowej.

Please accept statistics, marketing cookies to watch this video.

Switche zarządzalne TSN firmy Phoenix Contact umożliwiają tworzenie aplikacji z precyzyjną synchronizacją czasu, zapewniając w ten sposób komunikację w czasie rzeczywistym oraz zwiększoną dyspozycyjność w sieciach automatyki przemysłowej.

Sprawdź zczegółowy opis możliwości switchy TSN z oferty Phoenix Contact

Autor: Tomasz Salamon – Ekspert ds. Wsparcia Technicznego

Share

Share

Tell your friends about us!

Contact

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *