工业以太网——实时以太网——在曩昔几年中阅历了巨大的增加。尽管经典的现场总线仍许多存在，但它们现已过了巅峰期。盛行的实时以太网协议扩展了以太网规范，可以满意实时功用的要求。现在，TSN为实时以太网供给了一条新的途径。
实时与通讯
在工厂主动化和驱动技能的布景下，实时意味着周期时刻要安全、可靠地抵达10毫秒以下，最低至微秒。为了满意这些实时要求，以太网还有必要取得实时功用。
以太网比现场总线快得多——那又怎样？
为了满意主动化的实时要求，需求确保传输带宽和传输推迟。即便这些带宽一般十分小（每个器材几十个字节），该传输通道有必要在每个I/O周期中可用，且抵达推迟要求。
可是，经典以太网不供给推迟和带宽确保。相反，假如操作需求，以太网可以随时丢掉帧。这意味着什么？
以太网是所谓的桥接网络。帧（以太网帧）从一个点发到另一个点：从端点到交换机（网桥），从那里或许发到其他网桥，终究抵达另一个端点。该架构在很大程度上具有自我装备才能。网桥在转发帧之前先彻底接纳帧。许多问题正是出在这儿：
►假如在峰值时刻存储的帧数多于网桥缓冲存储器可以包容的帧数，则丢掉新传入的帧。
►由于帧长不同，因而其推迟时刻为其长度的函数。这会导致推迟动摇（颤动）。
►由于交换机应经过其发送帧的端口或许现已被其他帧彻底占用，所以会导致额定的推迟。发送大型以太网帧（1522字节）在100 Mbps速率下大约耗时124μs。
假如说以太网一般运转杰出，这种说法在某种程度上是公允的。可是，这样做，咱们运用的“一般”一词在硬实时语境下是无意义的。仅仅一般满意实时条件是不行的，有必要一直满意该条件。
住在化工厂或炼油厂周围的任何人都能了解这一点。工业通讯也不公平：最重要的是，操控/闭环操控运用一直具有优先权。
图1.主动化中的实时通讯。
图2.ISO七层模型。
以PROFINET和EtherCAT为例展现的实时扩展
由于担任以太网规范化的IEEE并未就该问题提出处理方案，工业界开发了自己的处理方案——再次证明了其创造力。各种处理方案都有自己的优势和下风，终究处理不同的商场问题。
PROFINET：遍及适用
经过PROFINET，可供给两种互补型处理方案。PROFINET RT是一种工厂主动化处理方案，周期时刻最长为1 ms。RT直接以规范以太网为根底。以太网的或许性（例如，服务质量（QoS，优先级））被用于发生实时流量优先级。这有所协助，但QoS并不能彻底处理资源和推迟问题。这便是约束软实时的原因。与网络中运用的其他协议（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的杰出兼容性是该技能的显着优势。
图4.PROFINET IRT。
关于硬实时，PROFINET供给同步实时(IRT)扩展。在此，部分以太网带宽经过规范以太网硬件的扩展专门为IRT流量保存。这可以经过IRT节点中的时钟的精确同步来完成。因而，可以在每个周期阻挠通道（赤色阶段）中的正常流量。只要赤色阶段中的IRT帧抵达网络。此外，网络参加者精确地在预先核算的时刻发送IRT帧，然后在赤色阶段完成功率的最大化。IRT帧经过网络，简直无周跳。这样做的一个长处是它可以赤色阶段的长度约束在最低极限；在赤色阶段，一切其他流量都有必要等候。赤色相位最多可以占用以太网通道带宽的50％。
图3.协议概述。
如前所述，全长以太网帧（1552字节）在线路上大约耗时124μs。假如PROFINET IRT占用悉数50％的带宽，最快的周期时刻为2×124μs=248μs，舍入后为250μs。只要这样，其他协议（如HTTP）才能以不变的办法与其共存。
由于PROFINET 2.3可用于IRT的优化，包括快速转发、动态帧封装和分段，因而可以完成低至31.25μs的更快周期时刻。
EtherCAT：以太网现场总线
在EtherCAT的开发过程中，开始时还有其他要求。EtherCAT是根据物理以太网（即第1层）的现场总线。乃至第2层也针对现场总线运用和高吞吐量运用进行了优化。EtherCAT没有经典的以太网桥，运用求和帧电报，使数据传输特别高效。EtherCAT每个周期发送一帧，与一般以太网不同；在后者中，设备间通讯触及的每台设备发送独自的帧。可是，此帧包括被寻址设备的一切数据。当EtherCAT帧由设备转发时，该特定设备的数据被实时刺进到该帧中并从该帧中取出。经过这种办法，可以完成极短的周期时刻，最小低于31.25μs。
EtherCAT还具有时刻同步功用。为了将在PC上体现不太抱负的以太网接口用作EtherCAT的主设备，人们付出了许多极力。
在EtherCAT下，以太网流量（如Web或TCP/IP流量）只能以担负办法分红小部分传输；不或许在线上直接共存。
其他怎么？
POWERLINK选用与EtherCAT相同的根本办法；其取得对以太网的彻底操控权，并经过担负办法把IP运用传输到节点。但这是他们仅有的共同点。POWERLINK不运用求和帧协议，可是，它在实践运用中体现相同超卓。
与IRT相同，SERCOS有预留带宽，但在其间运用的是求和帧协议。SERCOS答应其他协议共存。
TSN机遇快到
IEEE从音频/视频桥接(AVB)协议的视点研讨了这个论题。在对协议进行改善时，还考虑了更具挑战性的工业实时通讯。这些规范的原始称号AVB2由此改称TSN（指时刻灵敏型网络）。有了这些规范，现在可以运用一致确实定性以太网版别。
这实践上可以简化许多问题。例如，众所周知的工业网络简直悉数针对100Mbps。可是，千兆以太网和10 Mbps以太网现在已成为特别运用的重视焦点。TSN规范包括一切速率。运用TSN，无需从头开始：假如不是TSN，一切现有规范都有必要针对千兆速率进行从头界说——这将导致硬件开发本钱和商场碎片化本钱。
TSN有什么用？TSN实时
TSN扩展了以太网第2层，纳入了实时操作所需的一系列机制：
►802.1AS/802.1AS-Rev考虑了网络中时钟的高精度同步问题。
►时刻感知整形器(TAS)选项使以太网可以在硬调度形式下运转。有了该选项，就可以在特定时刻阻挠/开释QoS模型的一个或多个行列。
►抢占（交叉快速流量）选项使长帧可以被分解成更小的部分，然后最大极限地减小优先级更高的帧的推迟。该选项可用于在速率超越100 Mbps时，优化TAS的维护带或替换TAS。
►仿制和消除帧以进步可靠性的选项可用于界说经过网络的冗余途径；如环路中。
►运用软件界说的网络意味着帧不再经过方针节点的硬件MAC地址转发到目的地，而是经过特别MAC地址（本地办理的多播MAC）和VLAN ID的组合转发。不再主动确认这些帧在网络中的路由办法，而是由软件进行装备。多播MAC和VLAN ID的这种组合称为流ID，具有相同流ID的一切TSN帧称为TSN流。TSN流一直只要一个发件人，但可以有多个收件人。
图5.以太网帧（其间，与TSN数据流标识相关的部分以绿色表明）。
鉴于现有资源，现在可以用特别的办法安排TSN流，不再需求丢掉帧。现在，网桥将其资源用于TSN流的无损转发。
极力服务流量（规范以太网、IP、Web）用剩下资源（内存/带宽）正常传输。
第二层以上发生了什么？
每个互联网以太网协议背面都有一个安排，是它推进着各自协议的规范化和遍及。这些安排中的每一个都拟定了TSN战略。成果，咱们看到，简直一切现有协议都有TSN，仅仅体现办法各异罢了。持续看咱们的比如：
关于PROFINET，通向TSN的途径相对较短，由于人们现在现已积累了丰厚的时刻感知整形经历（现已十分挨近IRT），而且一直都支撑职业协议与IT协议的共存。关于用户而言，许多东西都未变，因而，了解的环境有利于提高绩效。
EtherCAT和相似的SERCOS将使TSN取得现场层次以上的运用才能。例如，EtherCAT主动化协议(EAP)十分合适经过TSN以较低的开支，连通经典EtherCAT网段。
可是，该范畴也有新的参加者。
有一个集体正着手界说一个全新的工业以太网协议。有人将OPC UA用作运用层。TSN被视为使该协议具有实时才能的手法。可是，这儿还有许多的作业要做。传输需求新的OPC UA传输层（即所谓的OPC UA PUB/SUB协议）。
图6.硬实时(IRT)、软实时(RT)和IT协议(TCP/IP)的推迟/颤动起伏。
越多越有用吗？在实时范畴并非如此
今日，咱们在工业主动化中运用的是100 Mbps以太网，千兆以太网很快就会上线。可是，更高的速度并不意味着推迟能得到保证，传输能得到保证。因而，关于硬实时，一直都需求特别的机制。有了TSN，它们都已规范化。
Volker Goller
Volker E. Goller [volker.goller@analog.com]是ADI公司的体系运用工程师，具有30多年的丰厚经历，广泛涉猎杂乱运动操控、嵌入式传感器、时刻灵敏网络技能等工业运用。作为一名软件开发员，Volker开发了面向无线和有线运用的各种通讯协议和协议栈，他还参加了首要职业安排，积极参加新通讯规范的布置作业。
