工业以太网——实时以太网——在过去几年中经历了巨大的增长。虽然经典的现场总线仍大量存在，但它们已经过了巅峰期。流行的实时以太网协议扩展了以太网标准，可以满足实时功能的要求。现在，tsn为实时以太网提供了一条新的途径。
实时与通信
在工厂自动化和驱动技术的背景下，实时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下，最低至微秒。为了满足这些实时要求，以太网还必须获得实时功能。
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（每个器件几十个字节），该传输通道必须在每个i／o周期中可用，且达到延迟要求。
但是，经典以太网不提供延迟和带宽保证。相反，如果操作需要，以太网可以随时丢弃帧。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），从那里可能发到其他网桥，最后到达另一个端点。该架构在很大程度上具有自我配置能力。网桥在转发帧之前先完全接收帧。许多问题正是出在这里：
如果在峰值时间存储的帧数多于网桥缓冲存储器可以容纳的帧数，则丢弃新传入的帧。
由于帧长不同，因此其延迟时间为其长度的函数。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经被其他帧完全占用，所以会导致额外的延迟。发送大型以太网帧（1522字节）在100 mbps速率下大约耗时124μs。
如果说以太网通常运行良好，这种说法在某种程度上是公允的。但是，这样做，我们使用的“通常”一词在硬实时语境下是无意义的。仅仅通常满足实时条件是不够的，必须始终满足该条件。
住在化工厂或炼油厂旁边的任何人都能理解这一点。工业通讯也不公平：最重要的是，控制／闭环控制应用始终具有优先权。
图1．自动化中的实时通信。
图2．iso七层模型。
以profinet和ethercat为例展示的实时扩展
由于负责以太网标准化的ieee并未就该问题提出解决方案，工业界开发了自己的解决方案——再次证明了其创造力。各种解决方案都有自己的优势和劣势，最终解决不同的市场问题。
图3．协议概述。
profinet：普遍适用
通过profinet，可提供两种互补型解决方案。profinet rt是一种工厂自动化解决方案，周期时间最长为1 ms。rt直接以标准以太网为基础。以太网的可能性（例如，服务质量（qos，优先级））被用于产生实时流量优先级。这有所帮助，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（例如http、snmp和tcp／ip）的良好兼容性是该技术的明显优势。
图4．profinet irt。
对于硬实时，profinet提供同步实时（irt）扩展。在此，部分以太网带宽通过标准以太网硬件的扩展专门为irt流量保留。这可以通过irt节点中的时钟的精确同步来实现。因此，可以在每个周期阻止通道（红色阶段）中的正常流量。只有红色阶段中的irt帧到达网络。此外，网络参与者准确地在预先计算的时间发送irt帧，从而在红色阶段实现效率的最大化。irt帧通过网络，几乎无周跳。这样做的一个优点是它可以红色阶段的长度限制在最低限度；在红色阶段，所有其他流量都必须等待。红色相位最多可以占用以太网通道带宽的50％。
如前所述，全长以太网帧（1552字节）在线路上大约耗时124μs。如果profinet irt占用全部50％的带宽，最快的周期时间为2×124μs＝248μs，舍入后为250μs。只有这样，其他协议（如http）才能以不变的形式与其共存。
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，因此可以实现低至31．25μs的更快周期时间。
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应用进行了优化。ethercat没有经典的以太网桥，使用求和帧电报，使数据传输特别高效。ethercat每个周期发送一帧，与普通以太网不同；在后者中，设备间通信涉及的每台设备发送单独的帧。但是，此帧包含被寻址设备的所有数据。当ethercat帧由设备转发时，该特定设备的数据被实时插入到该帧中并从该帧中取出。通过这种方式，可以实现极短的周期时间，最小低于31．25μs。
ethercat还具有时间同步功能。为了将在pc上表现不太理想的以太网接口用作ethercat的主设备，人们付出了大量努力。
在ethercat下，以太网流量（如web或tcp／ip流量）只能以背负方式分成小部分传输；不可能在线上直接共存。
其他如何？
powerlink采用与ethercat相同的基本方法；其取得对以太网的完全控制权，并通过背负方式把ip应用传输到节点。但这是他们唯一的共同点。powerlink不使用求和帧协议，然而，它在实际应用中表现同样出色。
与irt一样，sercos有预留带宽，但在其中使用的是求和帧协议。sercos允许其他协议共存。
tsn时机快到
ieee从音频／视频桥接（avb）协议的角度研究了这个话题。在对协议进行改进时，还考虑了更具挑战性的工业实时通信。这些标准的原始名称avb2由此改称tsn（指时间敏感型网络）。有了这些标准，现在可以使用统一的确定性以太网版本。
这实际上可以简化许多问题。例如，众所周知的工业网络几乎全部针对100mbps。然而，千兆以太网和10 mbps以太网如今已成为特殊应用的关注焦点。tsn标准涵盖所有速率。使用tsn，无需从头开始：如果不是tsn，所有现有标准都必须针对千兆速率进行重新定义——这将导致硬件开发成本和市场碎片化成本。
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。
时间感知整形器（tas）选项使以太网能够在硬调度模式下运行。有了该选项，就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）选项使长帧能够被分解成更小的部分，从而最大限度地减小优先级更高的帧的延迟。该选项可用于在速率超过100 mbps时，优化tas的保护带或替换tas。
复制和消除帧以提高可靠性的选项可用于定义通过网络的冗余路径；如环路中。
使用软件定义的网络意味着帧不再通过目标节点的硬件mac地址转发到目的地，而是通过特殊mac地址（本地管理的多播mac）和vlan id的组合转发。不再自动确定这些帧在网络中的路由方式，而是由软件进行配置。多播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流始终只有一个发件人，但可以有多个收件人。
图5．以太网帧（其中，与tsn数据流标识相关的部分以绿色表示）。
鉴于现有资源，现在可以用特殊的方式组织tsn流，不再需要丢弃帧。现在，网桥将其资源用于tsn流的无损转发。
尽力服务流量（标准以太网、ip、web）用剩余资源（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后都有一个组织，是它推动着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。结果，我们看到，几乎所有现有协议都有tsn，只是表现形式各异而已。继续看我们的例子：
对于profinet，通向tsn的途径相对较短，因为人们目前已经积累了丰富的时间感知整形经验（已经非常接近irt），并且始终都支持行业协议与it协议的共存。对于用户而言，很多东西都未变，因此，熟悉的环境有利于提升绩效。
ethercat和类似的sercos将使tsn获得现场层次以上的运用能力。例如，ethercat自动化协议（eap）非常适合通过tsn以较低的开销，连通经典ethercat网段。
但是，该领域也有新的参与者。
有一个团体正着手定义一个全新的工业以太网协议。有人将opc ua用作应用层。tsn被视为使该协议具有实时能力的手段。但是，这里还有大量的工作要做。传输需要新的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）的延迟／抖动幅度。
越多越有用吗？在实时领域并非如此
今天，我们在工业自动化中使用的是100 mbps以太网，千兆以太网很快就会上线。但是，更高的速度并不意味着延迟能得到保障，传输能得到保障。因此，对于硬实时，始终都需要特殊的机制。有了tsn，它们都已标准化。
volker goller
volker e． goller 是adi公司的系统应用工程师，拥有30多年的丰富经验，广泛涉猎复杂运动控制、嵌入式传感器、时间敏感网络技术等工业应用。作为一名软件开发员，volker开发了面向无线和有线应用的各种通信协议和协议栈，他还参与了主要行业组织，积极参与新通信标准的部署工作。

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