De grondbeginselen van tijdgevoelig netwerken

Leer over de voordelen van tijdgevoelige netwerken (TSN) en hoe technici deze gebruiken om ervoor te zorgen dat een industrieel systeem klaar is voor de toekomst. Dit artikel richt zich op drie leden van de reeks TSN-normen.

Verschillende technologiedomeinen hebben hun eigen reeks unieke vereisten als het gaat om voorspelbaarheid en tijdgevoeligheid, wat een uitdaging kan zijn voor systeemontwerpers die gegevens willen verzenden via een gedeelde verbinding. Bij het gebruik van een gedeeld netwerk moet rekening worden gehouden met een lage latentie en kortere tijdvertragingen. Gelukkig is er een oplossing voor deze uitdaging:tijdgevoelig netwerken (TSN). TSN zit bovenop standaard Ethernet en definieert een reeks normen waarmee systeemontwerpers een Ethernet-netwerk kunnen gebruiken om IT- en OT-gegevens over een gedeelde verbinding te verzenden.

In dit artikel leert u over de voordelen van tijdgevoelig netwerken en hoe technici het gebruiken om ervoor te zorgen dat een industrieel systeem klaar is voor de toekomst. Dit artikel richt zich op drie leden van de set van TSN-standaarden, legt ze in detail uit en vermeldt een paar apparaten die tijdgevoelige netwerkfuncties in hun hardware opnemen.

Wat is tijdgevoelig netwerken?

In gedistribueerde systemen met veel apparaten, zoals een moderne fabrieksvloer, kunnen de aangesloten apparaten heel verschillende behoeften en mogelijk tegenstrijdige doelen hebben voor communicatie met andere componenten in een netwerk. Een manier om naar de verzonden gegevens te kijken, is door deze te bekijken in de context van informatietechnologie (IT) en operationele technologie (OT) domeinen.

Operationeel technologieverkeer, zoals machinebesturingsgegevens en sensorwaarden, vereist doorgaans dat het netwerk zich voorspelbaar gedraagt. Communicatie in dit domein vereist vaste vertragingen, lage latentie en weinig jitter. Aan de andere kant is informatietechnologieverkeer gegevens zoals bijvoorbeeld e-mailverkeer en firmware-updates. Hier zijn de timingbeperkingen niet van het grootste belang, en de communicatie is meestal de beste poging.

Hoewel IT-verkeer doorgaans meer bandbreedte vereist, hoeven de gegevens de bestemming niet binnen een bepaald tijdsbestek te bereiken. In plaats daarvan is de algehele doorvoer het belangrijkste. Voor OT daarentegen kunnen ontbrekende gegevens op een bepaald moment tot storingen leiden, en daarom moeten de gegevens hun bestemming bereiken binnen bepaalde harde realtime-beperkingen.

Soms lossen technici dit probleem op door twee afzonderlijke netwerken te onderhouden:een voor OT-verkeer en een voor IT-infrastructuur. TSN (tijdgevoelig netwerken) is een reeks standaarden die voortbouwen op standaard Ethernet, waardoor OT- en IT-verkeer hetzelfde netwerk kunnen delen, rekening houdend met de individuele behoeften van elk domein. TSN voegt determinisme toe aan Ethernet door netwerkvertragingen te verminderen en de latentie tussen eindpunten te verlagen, zodat individuele pakketten hun bestemming op tijd kunnen bereiken.

TSN-normen

Zoals eerder vermeld, is TSN een reeks standaarden die bovenop Ethernet zitten. Elke standaard beschrijft een andere functionaliteit en systeemontwerpers kunnen ervoor kiezen om standaarden te combineren om het netwerk beter af te stemmen op hun vereisten. De volgende tabel geeft een overzicht van de TSN-standaarden (Dit artikel bespreekt 802.1AS, 802.1CB en 802.1Qbv):

Figuur 1. Sommige van de TSN-normen hebben industriële use-cases.

Timing en synchronisatie voor tijdgevoelige toepassingen met 802.1AS

De TSN-standaarden zijn ontstaan ​​uit het precisietijdprotocol (PTP, IEEE1588®). Het belangrijkste idee achter PTP is om de klokken van gedistribueerde machines binnen een netwerk te synchroniseren. PTP maakt gebruik van een klokdistributieboom en meestal is er ook een grootmeester, die de bron is van alle timing. Deze grootmeester ontvangt de tijd van een zeer nauwkeurige bron, bijvoorbeeld een zeer nauwkeurige GPS-klok. De slave nodes binnen het netwerk synchroniseren hun lokale tijd met de tijd van een master node op een point-to-point manier.

PTP diende als basis voor de TSN-standaarden en gPTP maakt deel uit van de 802.1AS-standaard. PTP en gPTP delen veel gemeenschappelijke terminologieën, maar er zijn ook enkele belangrijke verschillen. Een zo'n verschil is dat PTP zich op de transportlaag van het OSI-laagmodel bevindt en daarom veel verschillende onderliggende transportmethoden toelaat. Andere verschillen tussen gPTP en PTP zijn samengevat in het onderstaande diagram. Nieuwere revisies van gPTP brengen de mogelijkheid terug om tijdstempels in één stap te gebruiken. Ten slotte vereist gPTP peer-to-peer vertragingsmechanismen en verwacht het dat alle apparaten worden gesyntoniseerd, wat betekent dat ze een standaard frequentiebasis hebben en dat alle klokken met dezelfde snelheid lopen.

Figuur 2. De verschillen tussen PTP en gPTP.

Ingenieurs kunnen de 802.1AS-standaard gebruiken om taken in een machine of via een industrieel netwerk te synchroniseren. Dit artikel introduceert later een voorbeeld van een gesynchroniseerde motorbesturing die gebruik maakt van 802.1AS.

Redundante netwerken maken met 802.1CB

De 802.1CB-standaard stelt systeemontwerpers in staat om redundante communicatiestromen over een netwerk te creëren. Een typische toepassing is in een ringtopologienetwerk met meerdere apparaten. Communicatie tussen apparaten wordt gerepliceerd en in elke richting op de ring verzonden. Als er op enig moment een onderbreking in de ring is, kunnen alle apparaten nog steeds met elkaar communiceren zonder verloren pakketten en zonder enige vertraging door een hertransmissie-algoritme.

Figuur 3. Een ringtopologiediagram met berichtredundantie.

Wanneer een apparaat (de spreker) wil communiceren met een ander apparaat (de luisteraar) in de ring, zal het dubbele berichten in verschillende richtingen verzenden. Deze functie is in hardware geïmplementeerd, zodat de TSN-geactiveerde switch het pakket dupliceert en een redundantietag invoegt die een header bevat die de gerepliceerde stream identificeert en een sequentie-ID bevat zodat de ontvanger de ontvangen duplicaten kan weggooien. De TSN-compatibele hardware in de luisteraar ontvangt de pakketten van beide richtingen op de ring en detecteert het eerste unieke pakket. Het verwijdert vervolgens automatisch alle dubbele pakketten die later aankomen en dezelfde reeks-ID gebruiken.

Het overdragen van deze taken aan de TSN-compatibele hardware vereenvoudigt de softwareontwikkeling, omdat er geen ingewikkelde hertransmissie-algoritmen nodig zijn.

Om 802.1CB te gebruiken, moeten de systeemontwerpers bepalen welke verkeersstromen moeten worden gerepliceerd via de TSN-compatibele switches. Er zijn een paar verschillende methoden, maar in de kern van elk van hen repliceert de netwerkswitch berichten die overeenkomen met een vooraf bepaald patroon (bijvoorbeeld alle berichten die naar een apparaat met een bepaald MAC-adres gaan).

OT- en IT-verkeer combineren op een enkel netwerk met 802.1Qbv

De 802.1Qbv-standaard maakt gebruik van een tijdbewuste shaper, die is geïmplementeerd op de uitgangspoort (uitgaande poort) van een Ethernet-switch of stand-alone Ethernet-controller binnen een SoC. De time-aware shaper bepaalt wanneer het verkeer naar de draad kan. De standaard definieert acht wachtrijen voor verschillende verkeersstromen en software configureert deze wachtrijen met behulp van een poortcontrolelijst.

Figuur 4. Een schematisch voorbeeld van een 802.1Qbv schema. Het schema bevat twee afzonderlijke tijdgebieden (grijs en blauw) om OT- en IT-gegevens afzonderlijk te verzenden.

De poortcontrolelijst bepaalt het schema waarop de poorten opengaan om het verkeer uit de wachtrijen af ​​te voeren. Deze lijsten zijn veelzijdig en maken het mogelijk om meerdere poorten tegelijk te openen of te sluiten. Het is ook mogelijk om een ​​uniek tijdsinterval in te stellen voor elke stap door het schema.

Elke softwaretoepassing die op het apparaat wordt uitgevoerd, wijst verkeer toe aan een andere wachtrij, afhankelijk van het prioriteitsniveau van die toepassing of de gegevens die worden verzonden. De toewijzing kan gebeuren op basis van protocol, bestemmingspoort en bepaalde verkeerstypen (bijv. PTP via UDP). Alle apparaten in een netwerk worden gesynchroniseerd en beheerd, zodat kritieke gegevensstromen niet op het netwerk botsen en voldoen aan hun realtime-eisen.

De TSN-hardware dwingt ook automatisch een guard-band af voor elk tijdslot. Dit zorgt ervoor dat de verzending van een groot pakket niet wordt gestart vlak voor een gate-overgang. Anders kan een pakkettransmissie met een lage prioriteit over een tijdslot met een hogere prioriteit lopen. De hardware inspecteert elk pakket voordat het wordt verzonden, en als het een pakket niet kan voltooien tijdens het huidige tijdslot, houdt de hardware het vast totdat het volgende tijdslot voor deze verkeersklasse beschikbaar is.

Software-inschakeling voor tijdgevoelig netwerken

NXP biedt verschillende softwaretools voor het gebruik van de TSN-functies in de Layerscape® LS1028A en andere microprocessors.

Open source-software

Voor degenen die de voorkeur geven aan open-source ontwikkelingsplatforms, biedt NXP tsntool om alle TSN-functies in de LS1028A te configureren, of als alternatief kunnen ontwikkelaars het tc-commando gebruiken dat deel uitmaakt van de Linux iproute2-suite met hulpprogramma's. Tc kan de tijdbewuste vormgevers configureren en applicatieverkeer naar de verschillende verkeerswachtrijen sturen. gPTP wordt ondersteund via het ptp4l-pakket.

Audio Video Bridging (AVB) en Time-Sensitive Networking (TSN) Stack

NXP biedt ook een draagbare AVB/TSN-stack die op zowel microprocessors als microcontrollers kan draaien, wat een optie biedt voor ontwikkelaars die TSN via een schaalbare set platforms moeten implementeren.

In de 802.1Qbv-discussie hierboven werd de Layerscape LS1028A-softwareontwikkelingskit (SDK) genoemd als een manier om een ​​poortcontrolelijst te uploaden naar een TSN-compatibele Ethernet-controller. De LS1028A is een applicatieprocessor op basis van twee Arm® Cortex®-A72-kernen die doorgaans Linux® OS of een ander hoogstaand besturingssysteem of realtime besturingssysteem draaien.

De LS1028A bevat een TSN-compatibele Ethernet-controller en een geïntegreerde netwerkswitch die TSN ondersteunt. Bovendien ondersteunt de LS1028A-toepassingsprocessor verschillende beveiligingsfuncties, zoals cryptografische engines en een vertrouwensarchitectuur. Daarnaast bevat het apparaat ook 3D grafische versnelling en monitorondersteuning via DisplayPort (DP).

De LS1028A kan open industriële Linux draaien, die gespecialiseerd is voor industriële toepassingen. Hierdoor kan het apparaat functioneren in realtime omgevingen en verwerking met lage latentie uitvoeren (met xenomai Linux). Verder kan het apparaat bare-metal code uitvoeren op de ene core en bijvoorbeeld Linux op de andere.

Daarnaast biedt NXP open-source ondersteuning voor TSN en tools om het te configureren. Binnen de open industriële Linux biedt NXP open-source driverondersteuning voor PTP. Met deze stuurprogramma's kunnen gebruikers de PTP-hardwareklok en tijdstempel regelen.

Een deel van het aanstaande voorbeeld van synchrone motorbesturing maakt gebruik van de commerciële NXP AVB-stack, wat de eerdere iteratie is van enkele van de besproken standaarden. NXP zal in de toekomst TSN-ondersteuning toevoegen.

Als alternatief voor de Layerscape LS1028A is de i.MX RT1170 crossover MCU een ander NXP-apparaat dat TSN ondersteunt. Deze dual-core crossover MCU heeft een Cortex-M7-kern die tot 1 GHz kan werken, evenals een ingebouwde Arm Cortex-M4-kern geklokt op 400 MHz.

Deze crossover MCU combineert veel typische MPU IO's met krachtige microcontroller-cores, weergavemogelijkheden, geavanceerde beveiliging en is voorzien van een TSN-enabled Ethernet-controller.

Een praktisch voorbeeld:synchrone motorbesturing met TSN

In het volgende praktijkvoorbeeld hebben twee motoren plastic schijven met uitgesneden sleuven, die synchroon moeten samenwerken zodat de schijven niet tegen elkaar botsen. Om dit te bereiken, voert een i.MX RT1170 MCU de taak uit om het hele systeem te coördineren door gebruik te maken van zijn 802.1AS-compatibele Ethernet-controller.

Figuur 5. Een overzicht op hoog niveau van het voorbeeld van de synchrone motorbesturing. De i.MX RT1170 MCU zorgt voor synchrone werking van de motoren, de LS1028A-aangedreven netwerkbruggen zorgen ervoor dat tijdkritische gegevens in een ander tijdsbestek worden verzonden.

De motoren zijn aangesloten op afzonderlijke controllers die pakketten ontvangen van de hoofdcoördinator. Deze gegevens vertellen de motoren wanneer ze moeten bewegen.

Netwerkbruggen sturen het verkeer tussen de componenten door. In dit voorbeeld gebruiken de bruggen Layerscape LS1028A-toepassingsprocessors. Deze apparaten zijn in staat om OT- en IT-verkeer te combineren met behulp van de TSN 802.1Qbv-standaard. Met deze benadering worden de motorbesturingsgegevens in een ander tijdsbestek verzonden dan IT-gegevens, wat in dit voorbeeld willekeurig gegenereerde gegevens zijn.

Zoals eerder vermeld, is het mogelijk om de TSN-normen te combineren om aan de vereisten van een specifieke toepassing te voldoen. Dit voorbeeld laat precies dat zien. De hoofdcontroller gebruikt 802.1AS om een ​​gesynchroniseerde tijdbasis tot stand te brengen, terwijl de switches 802.1Qbv implementeren om het netwerkverkeer vorm te geven om ervoor te zorgen dat tijdkritische gegevens binnen de gegeven beperkingen worden verzonden. Dit zorgt ervoor dat de motoren synchroon en zo snel mogelijk kunnen werken.

Tijdgevoelige netwerken voor gedeelde verbindingen

IT- en OT-gegevens hebben tegenstrijdige vereisten - IT-verkeer bestaat doorgaans uit meer gegevens dan OT-verkeer, en best-effort-communicatie is meestal voldoende. OT-verkeer is daarentegen tijdkritisch. Doorgaans zijn strikte beperkingen voor timing, vertraging en latentie van toepassing. Met TSN kunnen systeemontwerpers een Ethernet-netwerk gebruiken om IT- en OT-gegevens over een gedeelde verbinding te verzenden.

802.1AS synchroniseert meerdere apparaten binnen een netwerk met een nauwkeurigheid van binnen nanoseconden. Deze functie is beschikbaar op veel Layerscape, i.MX en i.MX RT crossover MCU's en open-source en kant-en-klare commerciële software is direct beschikbaar om TSN te ondersteunen.

Met 802.1CB kunnen systeemontwerpers fouttolerantie in hun systemen introduceren door redundantie toe te voegen aan een Ethernet-netwerk. Met TSN-compatibele hardware worden de redundantiefuncties overgedragen aan de hardware. Dit resulteert in minder overhead in de applicatiesoftware. Deze functie is beschikbaar op de Layerscape LS1028A, en open-source software en stuurprogramma's zijn ook beschikbaar.

802.1Qbv introduceert tijdbewuste vormgeving in standaard Ethernet-netwerken. Het biedt een lage latentie en weinig jittertransport voor tijdgevoelige Ethernet-verkeersstromen, en het reserveert bandbreedte voor specifieke toepassingen. Het OT- en IT-verkeer delen één netwerk. Deze functie is ook beschikbaar op verschillende NXP-processors, en open-source en kant-en-klare commerciële software is beschikbaar.

Zoals te zien is in het voorbeeld van de motorbesturing, kunnen de verschillende standaarden worden gecombineerd om aan de behoeften van een bepaalde toepassing te voldoen.

De communitypagina van NXP biedt een groot aantal forums, voorbeelden, toepassingsopmerkingen en andere informatie over NXP-processors die tijdgevoelig netwerken mogelijk maken om gedeelde gegevensverbindingen mogelijk te maken.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.