Aktuální vydání

celé číslo

05

2019

komunikace a software pro snímače a akční členy

tlakoměry

celé číslo

TSN – Time Sensitive Networking (1. část)

Článek popisuje mechanismy sítí TSN. Sítě TSN umožňují, poprvé v historii, deterministický přenos dat prostřednictvím standardního Ethernetu podle IEEE 802.1 a 802. 3. Spektrum provozních vlastností sítí TSN dovoluje používat je v různých oborech, často s velmi odlišnými požadavky na doby odezvy, rozptyl doby odezvy (jitter) a odolnost proti chybám. Proces standardizace v oblasti časově citlivých sítí ovšem stále není dokončen a očekává se, že bude trvat ještě několik let. V důsledku toho jsou mnohé mechanismy TSN ještě v procesu vývoje a standardizace. 

The article describes mechanisms of TSN networks. With TSN, deterministic data trans­mission with standardized Ethernet according to IEEE 802.1 and 802.3 is possible for the first time. The operating spectrum of TSN permits its use in various fields of application with, in part, strong differences in requirements for transmission latency, jitter and fault tolerance. The standardization process in the area of time-sensitive networking is, however, not yet completed and is expected to take a few more years. Accordingly, there are various TSN mechanisms that are currently still in the active standardization process. 

Time-Sensitive Networking (TSN) je komunikační metoda vyvíjená v současné době jako standard IEEE, která nabízí zcela novou úroveň determinismu v ethernetových sítích podle standardů IEEE 802.1 a IEEE 802. 3.

To znamená, že budoucí ethernetové sítě budou schopné zajistit:

  • matematicky zjistitelnou a zaručenou dobu odezvy (latency) komunikace mezi koncovými účastníky,
  • striktně omezený rozptyl dob odezvy (jitter),
  • extrémně malý počet ztracených paketů.

Pro které úlohy však mají tyto charakteristiky význam a jak přesně jich sítě TSN dosahují? Tento článek podává přehled nejdůležitějších funkcí poskytovaných sítěmi TSN a ilustruje výhody použití TSN v náročném průmyslovém prostředí.

1. Komunikace v reálném čase dnes a ve světě průmyslového IoT

V současnosti je v mnoha aplikačních scénářích základním požadavkem pro přenos dat v reálném čase zaručená doba odezvy (latency). Mezi typické úlohy a oblasti patří synchronizace pohybových os a pohonů, energetika, přenosové a distribuční sítě nebo doprava. V těchto oborech jsou doby cyklu přenosu časově citlivých dat často výrazně kratší než 1 µs. Pro dosažení takto krátkých dob cyklu s odpovídající zárukou krátké doby odezvy se v současné době používají standardy průmyslového Ethernetu, jako jsou EtherCAT, Profinet IRT nebo Sercos III. Ačkoliv jsou založené na konvenčním Ethernetu, zahrnují dodatečné mechanismy, které umožňují zaručit doby odezvy; tyto mechanismy ovšem také způsobují jejich vzájemnou nekompatibilitu. Výsledkem je, že trh v oblasti ethernetových komunikačních systémů reálného času je velmi roztříštěný a vzhledem k nekompatibilitě jednotlivých standardů je jeho budoucí vývoj velmi ztížen. A zde mají sítě TSN potenciál otevřít trh ethernetových sítí reálného času tím, že vytvářejí univerzální standard fyzické a spojové vrstvy definovaný pracovní skupinou IEEE 802, tedy původním tvůrcem Ethernetu. Pro zákazníky vede tato homogenizace při implementaci ethernetových sítí reálného času k možnostem šetřit náklady a k zajištění investic.

Kromě již zmíněných úloh s požadavky „tvrdého“ reálného času mohou mít ze sítí TSN užitek i jiné oblasti, jako např. automatizace procesní výroby. Na pohled se zdá, že je to v rozporu se skutečností, že doba cyklu je v těchto oborech často výrazně delší než např. u synchronizovaných pohonů. V těchto aplikačních scénářích vyplývá přínos TSN z požadavků na zaručenou dobu odezvy mezi koncovými účastníky. V současných sítích je tato záruka typicky zajištěna odhadem dostatečné rezervy dostupné šířky pásma. Sítě TSN naproti tomu umožňují eliminovat řešení založená na odhadu a přesně určit garantovanou šířku pásma a dobu odezvy podle požadavků dané úlohy. V důsledku toho umožňují sítě TSN navrhovat komunikační sítě pro automatizaci podle aktuálních požadavků na šířku přenosového pásma s možností budoucího rozšíření.

Jde-li tedy o budoucí komunikační sítě průmyslové automatizace, lze očekávat výrazný nárůst významu sítí TSN. Již v současné době je průmyslová automatizace v přechodném období s vizí mnohem pružnějších, inteligentnějších a dynamičtějších výrobních závodů, než jsou ty dnešní. S těmito vizemi jsou často spojovány pojmy „průmysl 4.0“ (I4.0) a „průmyslový internet věcí“ (IIoT). Popisují výrobní prostředí, v němž výrobní stroje, dopravníky, nástroje a polotovary navzájem nepřetržitě komunikují, aby tak podpořily zvýšení efektivity automatizovaných procesů. To je umožněno rostoucím propojením snímačů a akčních členů, které se účastní výrobních procesů. Dalším faktorem je zvyšování integrace (soukromých i veřejných) cloudů, kde jsou umístěny např. virtuální programovatelné automaty, jež prostřednictvím snímačů a akčních členů přímo interagují s výrobními procesy na provozní úrovni. Tyto změny ovlivňují modely, na nichž jsou založené návrh a projektování současných komunikačních sítí v automatizaci. Očekává se, že v dlouhodobém, kontinuálním procesu se známá automatizační pyramida změní na automatizační pilíř (obr. 1). Na rozdíl od automatizační pyramidy, kde jsou požadavky na přenosy dat v reálném čase obvykle omezeny jen na provozní úroveň, v automatizačním pilíři je třeba splnit požadavky na krátkou dobu odezvy v provozní i komunikační úrovni.

Navíc se kromě požadavků na co nejkratší a nejpřesnější dobu odezvy objevuje jiný nový požadavek: konvergence různých paralelně fungujících komunikačních sítí, které se v současných výrobních závodech používají. Nyní jsou totiž časově citlivá data často přenášena prostřednictvím sítí navržených výhradně pro tento zvláštní účel, ale předpokládá se, že v budoucnosti budou tato data přenášena prostřednictvím společné komunikační infrastruktury paralelně s daty např. konfiguračními a monitorovacími (někdy se označují jako data „best effort“, BE) a s daty s požadavky na „soft“ reálný čas (např. data ze zabezpečovacích kamer). Jednou z klíčových charakteristik TSN je to, že umožňuje vytvořit řešení pro konvergenci síťové infrastruktury s velkými požadavky na šířku komunikačního pásma a současně s požadavky na soft i hard reálný čas. V komunikačních sítích využívaných v automatizaci tudíž v budoucnu budou hrát sítě TSN zvláště v náročných a kritických aplikacích hlavní roli. 

2. TSN – mechanismy a vzájemné závislosti

Sítě TSN přidávají ke komunikačním systémům založeným na Ethernetu takovou úroveň determinismu, že jsou schopné uspokojit i nejvyšší požadavky moderních řídicích systémů, např. v automobilovém průmyslu a jiných oborech průmyslové automatizace. Již v současné době získaly sítě TSN širokou popularitu a jednotlivé cílové obory, kde se uplatňují, se velmi liší. Zatímco v jednom oboru je požadavek na naprostou spolehlivost přenosu dat základním požadavkem, jinde je odolnost proti drobným chybám a krátkým výpadkům komunikace, zajišťovaná redundantním přenosem, až druhotná.

Sítě TSN jsou proto koncipované jako modulární systém, v němž přesné charakteristiky implementace – a s tím spojené požadavky na hardware a software – mohou být přizpůsobeny individuálním požadavkům. Sítě TSN proto nejsou založené na jediném standardu, ale na skupině standardů, které od roku 2012 vytváří pracovní skupina IEEE 802.1 TSN. Tyto aktivity nyní sklízejí první úspěch: centrální mechanismus skupiny sítí TSN je již k dispozici jako norma.

K tomu, aby čtenáři získali přehled o nových metodách, následující odstavce popíšou nejdůležitější mechanismy TSN a jejich vzájemné závislosti. 

3. Prioritizace založená na plánovači Time-Aware Scheduler

Až dosud nebylo možné pomocí mechanismu Class of Service (CoS), popsaného např. v IEEE 802.1Q, striktně nastavit priority tak, aby byla v časově citlivém provozu zaručena hraniční doba odezvy mezi koncovými zařízeními. Vzhledem k efektům vytváření front může ethernetový rámec s nízkou prioritou, který je právě přenášen, zdržet rámec s dokonce tou nejvyšší prioritou (7), a to v kterémkoliv ethernetovém switchi po trase přenosu. Časovač Time-Aware Scheduler (TAS) jako jedna z ústředních součástí TSN poprvé nabízí možnost nastavovat prioritu dat konvenčních ethernetových rámců na základě času přenosu a tak zaručovat jejich přeposílání a doručení v přesně určeném okamžiku.

Základní myšlenkou mechanismu TSN, která je součástí standardu IEEE 802.1Qbv-20162, jenž byl publikován v březnu 2016, je využití metody TDMA (Time Division Multiple Access) k rozdělení času na diskrétní segmenty stejné délky, tzv. cykly, jak je zobrazeno na obr. 2. To umožňuje vyhradit časové sloty, aby bylo možné v cyklech přenášet datové pakety s požadavky reálného času. Pomocí plánovače TAS může být konvenční provoz BE na Ethernetu dočasně přerušen, aby bylo možné přeposlat v časových slotech vyhrazených pro vysoce prioritní provoz časově citlivá data.

Plánovač TAS tak umožňuje periodicky prioritizovat data reálného času (viz časový slot 1 v obr. 2) vzhledem k datovému provozu BE.

Podobně jako u striktního schématu prioritizace také plánovač TAS používá priority CoS (PCP – Priority Code Point), které jsou umístěny v tagu VLAN hlavičky ethernetového telegramu. V tomto případě jsou všechny ethernetové rámce zpracovávány, dokud fronta na výstupním portu nedosáhne brány Time-Aware Gate. V tomto bodě TAS zasáhne do zpracování paketu, jak je znázorněno na obr. 3. Přesněji řečeno, při použití plánovače TAS není výběr následujícího ethernetového rámce k přenosu striktně určen prostřednictvím bran Time-Aware Gate, které jsou umístěné mezi frontami CoS, a prostřednictvím výběru paketů k odeslání lineární hierarchií fronty, ale bere v úvahu také stav odpovídající brány. Její stav může být v závislosti na aktuálním čase otevřeno nebo zavřeno. Na základě tohoto stavu jsou při výběru paketu zohledněny ethernetové rámce čekající na přenos v příslušných frontách. Například na obr. 3 je v daném okamžiku zpracovávána jen fronta s prioritou 7.

Seznam Gate Control List určuje, které komunikační fronty jsou v daném okamžiku v rámci cyklu připuštěny ke komunikaci. Gate Control List kromě stavu brány Time-Aware Gate určuje dobu, po níž je specifický vstup aktivní. V tomto případě Gate Control List, uvedený na pravé straně obr. 3, zrcadlí cyklus, který obsahuje fázi dat BE, stejně jako fázi prioritních dat z obr. 2

4. Nezbytnost ochranných pásem a přerušení ethernetových rámců

Vzhledem k tomu, že přenos časově nekritických dat BE je velmi obtížné předvídat, obecně nelze určit, kdy bude třeba zpracovat specifický ethernetový rámec s těmito daty. Například na obr. 4 je ukázáno, že přenos ethernetového rámce v časovém slotu 2 by mohl být zahájen příliš pozdě. Tento ethernetový rámec by potom mohl, bez ohledu na využití plánovače TAS, přesáhnout do časového slotu 1 následujícího cyklu. Důsledkem toho by bylo zpožděné zpracování dat reálného času a narušení garantované doby odezvy koncových zařízení.

K tomu, aby se této situaci zabránilo, jsou kromě bariér přenosu mezi časovými sloty ve spojení s plánovačem TAS implementována tzv. ochranná pásma. Tato ochranná pásma potlačují přenos paketů na dobu trvání nejdelšího ethernetového rámce a tím zabraňují přenosu ethernetových rámců dat BE, které by mohly narušit následující časový slot. To zabraňuje zpoždění zpracování dat reálného času během přechodu z fáze BE do fáze přenosu s vysokou prioritou (obr. 4). Jenže uvedené ochranné pásmo nechtěně způsobuje také nežádoucí prodlevu, během níž není možné síť vůbec využívat, a tak plýtvá přenosovým pásmem.

Kromě jednoznačně konfigurovaných ochranných pásem TAS umožňuje brát v úvahu rovněž délku ethernetového rámce, který je další v pořadí. Rozhodnutí, zda data přenášet nyní, nebo počkat na další časový slot pro data BE, záleží na tom, zda je následující rámec dostatečně krátký na to, aby byl celý přenesen v aktuálním časovém slotu. Avšak i s tímto mechanismem může nastat situace, kdy nezbývá v aktuálním časovém slotu dost času nebo je rámec, který má být přenášen, příliš dlouhý, aby se vůbec vešel do přenosového paketu. Tudíž ani s tímto mechanismem není možné zcela vyloučit výskyt mrtvých dob způsobených ochrannými pásmy.

Pro maximalizaci využití přenosového pásma pro přenos ethernetových rámců s daty BE vyvinula pracovní skupina IEEE 802 metodu pro nucené rozdělení ethernetových rámců (frame pre-emption; IEEE 802.1Qbu3, IEEE 802.3br4). Norma byla dokončena v červnu 2016.

Princip zmíněné metody je v tom, že konvenční ethernetové rámce je možné rozdělit do částečných paketů (rozděleným rámcům se říká framelety) velikosti do 64 bajtů a kaž­dý framelet může být přenášen samostatně. To umožňuje začít přenos velkého ethernetového rámce, přestože ve fázi BE časového slotu už nezbývá dost času (obr. 5). Rámec může být přerušen při dosažení následující hranice 64 bajtů před tím, než časový rámec skončí, a dokončen bude ve fázi BE následujícího rámce. Metoda rozdělení rámců umožňuje omezit ochranné pásmo na velikost největšího ethernetového frameletu. Například v případě sítě Fast Ethernet může být mrtvá doba každého ochranného pásma omezena na 0,12 ms; tím se výrazně zlepšuje využití dostupné šířky pásma.

Vzhledem k tomu, že nucené dělení rámců znatelně zasahuje do běžného zpracování a přeposílání ethernetových rámců, je nutné, aby obě zařízení v ethernetovém spojení (např. dva ethernetové switche) deklarovala prostřednictvím LLDP (Link Layer Discovery Protocol, IEEE 802.1AB5), že uvedený mechanismus podporují. Funkce nuceného dělení rámců může být aktivována jen tehdy, když ji podporují obě koncová zařízení nebo oba porty switchů. Tím je zaručena zpětná kompatibilita se stávajícími ethernetovými zařízeními. 

5. Synchronní přenosové cykly jako nutná podmínka

Časovač TAS využívá jen lokální konfigurační data, tj. data, která jsou dostupná v daném síťovém zařízení (koncovém zařízení nebo switchi). Tato konfigurační data obsahují např. informace o délce cyklů a časových slotů. K zajištění toho, aby daný rámec byl přenášen ve správném časovém slotu, je kromě uplatnění plánovače TAS vyžadována také těsná koordinace mezi zařízeními v síti. To umožňuje přenos datových proudů, které mohou být přenášeny prostřednictvím spojení dvou koncových zařízení, se zaručenou dobou odezvy a bez čekání ve frontě (obr. 6). Všichni účastníci komunikace však musí mít stejný čas, tj. všichni musí vědět, kdy začíná cyklus a který časový slot je v cyklu právě aktivní. Aby to bylo zajištěno, povinně se používají protokoly pro synchronizaci času, např. PTP (Precision Time Protocol) podle IEEE 1588 (IEEE 15886) nebo profil IEEE 1588 podle IEEE 802.1AS (IEEE 802.1AS7).

Oba protokoly, IEEE 1588 i IEEE 802.1AS, umožňují synchronizaci v síti prostřednictvím distribuovaných hodin s přesností lepší než 1 µs. Je-li synchronizační funkce implementována v hardwaru, je možné dosáhnout přesnosti řádově v jednotkách nanosekund (viz whitepaper PTP od firmy Hirschmann, [8]). Na rozdíl od protokolů známých z prostředí IT, např. NTP (Network Time Protocol), IEEE 1588 nemusí nutně využívat globální synchronizaci např. s atomovými hodinami. Mnohem častěji je algoritmem BMC (Best Master Clock) určen účastník sítě s nejpřesnějšími, i když na etalon nenavázanými hodinami. Toto zařízení potom slouží jako referenční hodiny (Grandmaster Clock) a všichni ostatní účastníci v síti se s ním synchronizují. Pro TSN je nezbytné jen to, aby hodiny všech zařízení v síti byly navzájem synchronizovány. Přesný denní čas naproti tomu hraje jen druhotnou roli.

Profil IEEE 1588 s označením IEEE 802.1AS pracuje se stejným základním synchronizačním modelem jako PTP. Původně byl navržen k tomu, aby omezil velké množství možností konfigurace jen na ty parametry, které jsou důležité pro lokální sítě (LAN). Například pro metodu přenosu a zapouzdření je IEEE 802.1AS omezen na definici přenosu po Ethernetu, zatímco IEEE 1588 obsahuje dodatečné schéma zapouzdření IPv4 pro použití v sítích WAN (Wide Area Network). Výsledkem standardizačního procesu sítí TSN je to, že dosavadní profil IEEE 802.1AS byl naopak doplněn parametry z IEEE 1588, které jsou třeba pro použití v komunikačních sítích v automatizaci. Například IEEE 1588 podporuje vytvoření několika časových domén, které mohou být synchronizovány paralelně. Prostřednictvím IEEE 1888 tudíž mohou být účastníci v síti synchronizováni s globálním etalonem času (stejně jako v NTP) a současně s druhými referenčními hodinami v síti. To umožňuje použít (méně přesnou) globální synchronizaci pro jednoznačný záznam událostí, zatímco hodiny v síti mohou být synchronizovány (přesněji) prostřednictvím plánovače TAS, přičemž v tomto případě není vyžadována synchronizace s globálním časem (např. v sekundovém intervalu). Tato možnost bude mj. součástí nové verze profilu IEEE 802.1AS-Rev9.

Protože současná verze IEEE 1588 byla specifikována už v roce 2008, je tento profil pro synchronizaci hodin již dobře etablován na různých trzích a v různých oblastech použití. V některých případech byly vyvinuty a používají se aplikačně specifické profily – např. pro oblast energetiky. V těchto případech není třeba pro synchronizaci používat IEEE 802.1AS, neboť mechanismus sítí TSN umožňuje pro synchronizaci použít libovolný profil. Tedy podle oblasti použití je možné místo IEEE 802.1AS použít IEEE 1588 s jiným, specifickým profilem nebo i bez něj. Počítá se s tím, že v budoucnu nebude norma IEEE 802 omezovat svobodu volby, jaký protokol má být použit pro synchronizaci účastníků v síti. V každém případě, bez ohledu na to, jaký protokol se používá pro synchronizaci, je třeba dosáhnout velké přesnosti synchronizace hodin všech zařízení v síti, aby začátky a konce cyklů a jednotlivých časových úseků nastávaly ve správném čase. 

(Dokončení v příštím čísle.)

 Dr. René Hummen, Stephan Kehrer, Dr. Oliver Kleineberg, Hirschmann Automation and Control GmbH

Obr. 1. Přechod od automatizační pyramidy k automatizačnímu pilíři v automatizačních systémech budoucnosti

Obr. 2. Multiplex s časovým dělením umožňuje rezervovat v cyklu časové sloty, a proto lze načasovat periodický přenos dat reálného času

Obr. 3. Plánovač Time-Aware Scheduler implementuje časově podmíněnou prioritizaci

Obr. 4. Ochranné pásmo v síti TSN zabraňuje ethernetovým rámcům BE přesáhnout do časového slotu vyhrazeného pro data reálného času, ale omezuje využití celkové šířky přenosového pásma

Obr. 5. Prostřednictvím metody nuceného dělení ethernetových rámců může být ochranné pásmo omezeno z maximální délky ethernetového rámce na maximální délku částečného paketu (frameletu)

Obr. 6. Přesná synchronizace hodin je nutnou podmínkou pro funkci plánovače TAS