通过Todd Walter,国家仪器公司,AVnu联盟工业部门主席
物联网的采用有望在广泛分布的网络上增加数据量。这一变化将要求共享和传递关键信息的新标准。一种方法是时间敏感网络,这是IEEE 802委员会的新标准。
物联网(IoT)有望创造一个更智能、超连接设备和基础设施的世界,其中制造机器、运输系统和电网将配备嵌入式传感、处理、控制和分析功能。一旦联网,它们将创建一个智能系统的系统,在整个企业和云中的设备之间共享数据。
这些系统将产生令人难以置信的大量数据,例如伦敦地铁系统维多利亚线的状态监测解决方案,每天产生32tb的数据。这些大模拟数据将被分析和处理,以推动明智的业务决策,最终提高安全性、正常运行时间和运营效率。
虽然这些原始的、未处理的数据大部分不是时间关键型的,并且可以在网络层和子系统之间传递,几乎不考虑延迟或同步,但整个任务关键型、时间敏感型数据必须在严格的延迟和可靠性范围内传输和共享。数据,如关键控制和故障检测信息,必须立即处理、共享和采取行动,而不考虑其他网络流量。
如今的大部分网络基础设施都没有配备处理此类时间敏感数据的设备。许多工业系统和网络都是根据普渡控制层次结构模型设计的,其中创建了多个刚性总线层,并对其进行优化以满足特定任务的要求。每一层都有不同程度的延迟、带宽和服务质量,使得互操作性具有挑战性,灵活更改数据连接几乎不可能。此外,今天的专有以太网衍生产品带宽有限,需要改进硬件。
为了支持物联网基础设施的新功能,设计人员和最终用户都需要可靠、远程和安全地访问智能边缘设备。网络技术必须不断发展,以满足这些下一代工业系统的要求,并从根本上推进我们操作机器、电网和运输系统的方式。
对时间敏感的网络:就是现在
现有的IT网络由IEEE 802标准定义,该标准规定了不同以太网层和功能的要求,并确保设备之间的互操作性。如今,工业供应商、IT供应商和芯片供应商正在IEEE 802和最近成立的AVnu联盟内进行合作,以更新标准以太网协议,并为物联网应用程序中的时间关键型数据提供有限、低延迟的数据传输。
这个下一代标准被称为时间敏感网络(TSN),它解决了现有网络的缺点。AVnu联盟将与博通、思科、英特尔和NI等成员公司合作,通过认证推动创建一个可互操作的生态系统;类似于WiFi联盟认证产品和设备与IEEE 802.11标准兼容的方式。
新的TSN标准将比今天的标准和专业以太网协议提供许多好处,包括:
带宽
来自机器视觉、3D扫描和功率分析等高级传感应用程序的大型数据集可能会对网络带宽造成压力。目前通常用于工业控制的专有以太网衍生产品限制在100mb带宽和半双工通信。TSN将支持全双工标准以太网,具有更高的带宽选项,如1gb, 10gb,未来甚至在IEEE 802.3工作中的400gb版本。
安全
目前使用的大多数低层现场总线通过气隙和模糊实现安全性。它们受到汽车工业的影响,在汽车工业中,气隙和封闭的CAN网络承载着所有的控制和操作数据。但最近的安全漏洞暴露了将安全性完全扩展到关键的较低级别控制基础设施的必要性。TSN保护关键控制流量,并包含顶级IT安全条款。分割、性能保护和时间“可组合性”可以为安全框架添加多个级别的防御。
互操作性
通过使用标准以太网组件,TSN可以与现有的棕地应用程序和标准IT流量无缝集成,以提高易用性。此外,TSN继承了现有以太网的许多功能,如HTTP接口和web服务,这些功能支持物联网系统中常见的远程诊断、可视化和修复功能。作为一个额外的好处,利用标准以太网芯片组可以通过大容量的商业硅来降低组件成本,特别是与专注于小容量的基于asic实现的专用以太网变体相比。
延迟和同步
TSN优先考虑快速系统响应和闭环控制应用程序所需的低延迟通信。它可以实现几十微秒量级的确定传输时间,节点之间的时间同步可低至几十纳秒。为了确保可靠地传递这种时间关键流量,TSN为高可靠性数据路径提供自动化配置,其中数据包被复制和合并,以提供“无损压缩”路径冗余。
介绍IEEE 802.1时间敏感组网
TSN标准利用现有的802.1 AVB标准将用例从音频-视频扩展到控制系统。为了实现这一点,该标准改进了全网精确时钟参考的规范,将网络延迟限制为特定值而不是尽力,冗余控制和具有“瞬时”切换的数据路径,定义工作单元和工厂的最差情况,以及其他大流量共存。这些规范必须解决的主要问题是保证(在最坏情况下)存在干扰流量时数据包的传递。因此,可以将TSN视为物联网的服务质量(QoS)规范集。
为了支持同时具有时间关键流量(保证最坏情况下的交付延迟)和标准IT流量的融合网络,必须避免网络流量之间的干扰。有三种技术可以消除干扰:时间同步、调度和具有时间感知的流量整形。
流量整形将使用调度来控制交换机上的逻辑门控。在特定的时间窗口内阻塞非时间敏感的流量,以确保在预期的时间敏感流量时,出口端口是准备好的。控制调度和流量整形的时间同步将使用IEEE 802.1AS处理,这基本上是IEEE 1588v2标准的概要文件。
未来会准时到来
IEEE 802.1 TSN工作组和AVnu联盟正在努力最终确定该标准。来自供应商的部分标准和工作参考将在2016年开始出现。如欲了解更多有关这项工作的详情,请浏览:
www.ieee802.org而且www.avnu.org.
随着物联网应用的继续,数据量的增加和广泛分布的网络将需要新的标准来共享和传输关键信息。就像救护车或消防车在紧急情况下在其他交通中获得优先权一样,TSN标准确保了关键的、对时间敏感的数据通过标准的网络基础设施按时交付。欢迎来到物联网的快车道生活。
AVnu联盟
www.avnu.org
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