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工业以太网（实时以太网）在过去几年中经历了巨大的增长。尽管经典的现场总线仍在大量运行，但它们已经过了巅峰时期。流行的实时以太网协议扩展了以太网标准，以满足实时功能的要求。TSN现在提供了一条通往实时以太网的新路由。

实时和通信

在工厂自动化和驱动技术的背景下，实时意味着安全可靠地达到不到十毫秒到微秒的循环时间。为了满足这些实时要求，以太网还必须获得实时功能。

图1.自动化中的实时通信。

以太网比现场总线快得多，那又怎样？

为了满足自动化的实时性要求，需要保证传输带宽和传输延迟。即使这些带宽通常非常小（每个设备几十字节），该传输通道也必须在每个 I/O 周期中以所需的延迟可用。

但是，经典以太网不提供延迟和带宽的保证。相反，如果操作需要，以太网网络可以随时丢弃帧。这是什么意思？

以太网是一种所谓的桥接网络。帧（以太网帧）从一个点发送到另一个点：从端点发送到交换机（网桥），从那里可能发送到其他网桥，最后发送到另一个端点。此体系结构在很大程度上是自我配置的。网桥首先完全接收帧，然后再转发帧。这就是出现多个问题的地方：

如果在高峰时段要存储的帧数超过网桥中的缓冲区内存可以容纳的帧数，则会丢弃新传入的帧。

由于帧的长度不同，因此它们会延迟作为其长度的函数。这会导致延迟波动（抖动）。

由于交换机应通过其发送帧的端口可能已被其他帧占用，直至达到完整帧大小，因此会出现额外的延迟。在 100 Mbps 下发送大型以太网帧（1522 字节）大约需要 124 μs。

我们可以争辩说，以太网通常运行良好，并且在某种程度上是公平的。但是，通过这样做，我们使用两个与硬实时无关的词。如果仅正常满足实时条件，则是不够的。它总是必须得到满足。

任何住在化工厂或炼油厂旁边的人都可以欣赏这一点。工业通信也不公平：最重要的事情，即控制/闭环控制应用，始终具有优先级。

图2.ISO 七层模型。

以PROFINET和EtherCAT为例说明的实时扩展

由于负责以太网标准化的IEEE没有解决问题的解决方案，因此该行业开发了自己的解决方案，再次证明了其创新性。这些解决方案都有其优点和缺点，最终针对不同的市场。

图3.协议概述。

PROFINET：普遍适用

PROFINET提供了两种互补的解决方案。PROFINET RT是一种工厂自动化解决方案，循环时间长达1毫秒，RT直接基于标准以太网。以太网的可能性（例如，服务质量（QoS，优先级））被用来优先考虑实时流量。这很有帮助，但 QoS 并不能完全解决资源和延迟问题。这就是限制软实时的原因。与网络中使用的其他协议（如HTTP，SNMP和TCP / IP）的良好兼容性是该技术的明显优势。

图4.普罗菲特 IRT.

对于硬实时，PROFINET提供同步实时（IRT）扩展。在这里，部分以太网带宽专门保留给通过扩展到标准以太网硬件的 IRT 流量。这是通过IRT节点中时钟的精确同步来实现的。因此，可以在每个周期中阻塞正常流量的通道（红色阶段）。只有处于红色阶段的 IRT 帧才能到达网络。此外，网络参与者在预先计算的时间精确地发送IRT帧，从而在红色阶段内实现效率最大化。IRT 帧在网络中移动几乎不会滑移。这样做的一个优点是它将所有其他流量必须等待的红色阶段的长度限制在最低限度。红相最多可占用以太网通道带宽的50%。

如前所述，全长（1552字节）以太网帧需要大约124 μs的线路。如果PROFINET IRT占用最大50%的带宽，则最快周期时间为2 × 124 μs = 248 μs，四舍五入时为250 μs。只有这样，其他协议（如HTTP）才能以不变的形式与之共存。

由于PROFINET 2.3用于IRT的优化，包括快进，动态帧打包和分段，因此可以缩短到31.25 μs的更快循环时间。

EtherCAT：以太网现场总线

在EtherCAT的开发中，一开始还有其他要求。EtherCAT 是基于物理以太网（即第 1 层）的现场总线。甚至第 2 层也针对现场总线应用和高吞吐量进行了优化。EtherCAT没有经典的以太网桥接器。它使用求和帧报文，这使得数据传输特别高效。与普通以太网不同，普通以太网中涉及设备之间通信的每个设备发送单独的帧，EtherCAT每个周期发送一个帧。但是，此帧包含寻址设备的所有数据。当EtherCAT帧由设备转发时，该特定设备的数据将实时插入帧并从帧中取出。通过这种方式，在极端情况下可以实现甚至小于 31.25 μs 的极短循环时间。

EtherCAT还具有时间同步功能。为了使PC上并不总是理想的以太网接口能够用作EtherCAT的主站，我们付出了很多努力。

以太网流量（如 Web 或 TCP/IP 流量）只能通过 EtherCAT 以背负式方式分小部分传输;在网络上直接共存是不可能的。

其他人呢？

POWERLINK采用与EtherCAT相同的基本方法;它完全控制以太网，并通过搭载到节点来传输 IP 应用程序。但这是他们唯一的共同点。POWERLINK不使用求和帧协议。然而，它在实际应用中的表现同样出色。

与IRT一样，SERCOS具有保留带宽，但在其中使用求和帧协议。SERCOS允许其他协议共存。

是时候使用 TSN 了

IEEE在音频/视频桥接（AVB）协议的范围内处理了实时主题。在协议的改进中，还考虑了更具挑战性的工业实时通信。这套标准的原始名称AVB2在此更改为TSN（用于时间敏感网络）。有了这些标准，现在可以使用统一的确定性以太网版本。

这实际上使许多事情变得更容易。例如，众所周知的工业网络几乎都定义为100 Mbps。然而，今天，千兆以太网和10 Mbps以太网已成为特殊应用中关注的焦点。TSN标准涵盖所有速度。有了TSN，轮子就不必重新发明：如果不是TSN，所有现有标准都必须重新定义千兆位，这将导致硬件开发成本和市场碎片化。

TSN如何提供帮助？与TSN实时

TSN扩展了以太网的第2层，包括实时操作所需的一系列机制：

802.1AS/802.1AS-Rev 为网络中的时钟提供极其精确的同步。

时间感知整形器 （TAS） 选项使以太网能够通过硬调度进行操作。有了它，可以在特定时间阻止/释放 QoS 模型的一个或多个队列。

抢占（穿插快速流量）选项允许将长帧分解为较小的部分，以便最大限度地减少更高优先级帧的延迟。它可用于优化 TAS 的保护带，或在速度超过 100 Mbps 时替换 TAS。

帧复制和消除可靠性选项可用于定义通过网络的冗余路径;例如，在戒指中。

使用软件定义网络意味着帧不再通过目标节点的硬件 MAC 地址转发到目标，而是通过特殊 MAC 地址（本地管理的组播 MAC）和 VLAN ID 的组合进行转发。这些帧如何通过网络路由不再自动确定，而是由软件配置。组播MAC和VLAN ID的这种组合称为流ID，具有相同流ID的所有TSN帧称为TSN流。TSN 流始终只有一个发送者，但它可以有多个收件人。

现在可以考虑现有资源来设置 TSN 流，这样就不必再丢弃任何帧。网桥现在使用其资源对 TSN 流进行无损转发。

图5.以太网帧，与TSN数据流标识相关的部分以绿色显示。

尽力而为的流量（标准以太网、IP、Web）与剩余资源（内存/带宽）完全正常发生。

第 2 层以上会发生什么？

每个互联网以太网协议的背后都有一个组织，推动各自协议的标准化和普及。这些组织中的每一个都制定了TSN战略。因此，我们将再次看到几乎所有现有的TSN协议 - 以一种或另一种形式。坚持我们的例子：

对于PROFINET来说，通往TSN的道路相对较短，因为已经有丰富的时间感知整形经验（它已经与IRT非常相似），并且一直支持行业和IT协议的共存。对于用户来说，很多事情都保持不变，因此熟悉的环境可以产生新的性能。

EtherCAT和类似的SERCOS将使TSN在现场级别之上可访问。例如，EtherCAT自动化协议（EAP）非常适合以较低的开销通过TSN将经典的EtherCAT段联网。

但是，该领域也有新的参与者。

有一个小组正在定义一种全新的工业以太网协议。OPC UA被用作应用层。TSN被视为使该协议具有实时功能的一种手段。然而，这里仍然需要做工作。传输需要OPC UA的新传输层，即所谓的OPC UA PUB/SUL协议。

图6.硬实时 （IRT）、软实时 （RT） 和 IT 协议 （TCP/IP） 的延迟/抖动大小。

很多帮助很大吗？非实时

今天，我们在工业自动化中使用100 Mbps以太网，很快千兆以太网将可用。但是，更高的速度并不自动意味着保证延迟和保证传输。因此，对于硬实时，总是需要特殊的机制。有了TSN，它们现在是标准化的。

审核编辑：郭婷