Introduzione
Il time-sensitive networking (TSN) è un’estensione Ethernet definita dall’Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), progettata per rendere le reti basate su Ethernet più deterministiche. Settori come quello automobilistico, industriale e audio ad alte prestazioni che utilizzano la comunicazione in tempo reale con più dispositivi di rete trarranno vantaggio dallo standard TSN.
Il mondo consumer e aziendale della comunicazione Ethernet ed Ethernet wireless è orientato alla larghezza di banda. Ad esempio, durante la navigazione in Internet si accetta un ritardo variabile prima dell’avvio della riproduzione del video. Sebbene si preferisca l’interazione rapida, per l’utente medio è accettabile che un clic su cento abbia un rendimento peggiore di un ordine di grandezza.
Tuttavia, se un video è di cattiva qualità o addirittura interrotto, il consumatore tipico si sentirà frustrato.
Anche brevi ritardi risultano inaccettabili nei sistemi di controllo, come quelli all’interno delle automobili, delle linee di produzione o delle sale da concerto. Gli aspetti più importanti per questi sistemi sono la latenza e il jitter o la variazione nella latenza dei dati di controllo attraverso la rete. Il tempo massimo impiegato da un pacchetto per raggiungere la destinazione nel sistema definisce il ciclo di comunicazione o la frequenza di controllo nella rete. Parametri di rete per vari esempi di applicazione:
La dimensione e la topologia della rete possono essere fisse (per una determinata applicazione) o variabili.
Internet è l’esempio peggiore per quanto riguarda il numero di nodi e il percorso seguito da un pacchetto attraverso la rete. La latenza è dell’ordine dei secondi e il jitter è molto elevato quando si ripete un trasferimento di pacchetti su Internet.
Al contrario, la comunicazione Ethernet deterministica in tempo reale limita in genere il numero di dispositivi collegati alla rete. Utilizzando una macchina utensile come esempio di prodotto integrato, il numero di motori collegati tramite Ethernet a un singolo componente hardware di controllo è inferiore a 100. I nuovi parametri di controllo del motore vengono scambiati ogni 250 µs. Questa configurazione fissa e pre-ingegnerizzata richiede Ethernet deterministica in tempo reale con tempi di ciclo brevi e distribuzione del clock ad alta precisione.
I sistemi di produzione in una fabbrica moderna sono completamente connessi tramite Ethernet in tempo reale. Industry 4.0 TSN Backbone Production Cell mostra vari sistemi di controllo in una cella di produzione:
Una rete time-sensitive è una tecnologia chiave con cui connettere diversi sistemi di controllo in tempo reale. Sebbene i requisiti per i sistemi di controllo siano diversi in termini di scala, tempo di ciclo e precisione, possono utilizzare la stessa interfaccia di comunicazione per trasferire i dati in modo deterministico. Molti sensori e attuatori sono implementati all’interno del sistema di controllo. Si collegano direttamente all’Ethernet in tempo reale oppure si collegano a un concentratore nella rete Ethernet in tempo reale utilizzando connessioni seriali punto-punto. TSN con le sue prestazioni di rete deterministiche è una buona soluzione a livello di “campo” di un impianto di produzione.
L’elevato numero di sensori e attuatori collegati al sistema di controllo industriale è una delle sfide principali per la configurazione della rete TSN.
TSN offre la possibilità di classificare i flussi e contrassegnarli con distribuzione deterministica attraverso una rete. Nel caso ideale, una rete convergente ospita diverse classi di flussi che vanno dal controllo del movimento al traffico verso il cloud, in un dominio TSN. È conveniente, a questo punto, comprendere le funzioni di base di una rete TSN prima di addentrarci dell’ingegneria della rete.
Principi del TSN
Ethernet IEEE 802 combinato con il protocollo Internet è stata una storia di successo come poche altre nel settore tecnologico. Le uniche sfide al suo dominio sono state le tecnologie più sofisticate nei settori del determinismo e della qualità del servizio come la modalità di trasferimento asincrono (ATM), token ring e RapidIO. TSN è un insieme di circa 12 standard IEEE 802 volti ad affrontare il determinismo e la qualità del servizio senza compromettere i punti di forza di Ethernet come l’interoperabilità. La maggior parte degli standard TSN sopra menzionati sono ora inclusi nella specifica principale Ethernet IEEE 802.1Q-2018.
TSN è una soluzione a livello di rete locale (LAN) che può funzionare con Ethernet non TSN, ma la tempestività è garantita solo all’interno della LAN TSN. È possibile raggruppare gli standard TSN in base al caso d’uso che risolve: una visione comune del tempo, latenza massima garantita o coesistenza con traffico in background o altro.
Come ogni protocollo popolare, il toolbox degli standard TSN si sta evolvendo; alcuni dei singoli standard come 802.1AS-Revision (Rev) sono stati recentemente approvati come 802.1AS-2020, ma ulteriori miglioramenti sono in fase di definizione in P802.1ASdm e vengono introdotti nuovi shaper alternativi. A causa di questa continua evoluzione, quando si sceglie una soluzione è importante considerare la possibilità di aggiornamento della soluzione per supportare standard nuovi o modificati.
Come mostrato in IEEE TSN and the communications stack, IEEE 802 Ethernet che include le funzionalità TSN è una tecnologia di livello 2 o di livello di collegamento dati.
Le applicazioni richiedono un protocollo di livello superiore come UDP/IP, OPC UA o PROFINET sopra TSN (protocolli Industrial Ethernet ed Ethernet).
802.1AS – Temporizzazione e sincronizzazione per applicazioni sensibili al fattore tempo (gPTP)
Tutti i dispositivi in una rete che prevedono la trasmissione deterministica di pacchetti richiederanno una comprensione comune del tempo. Il clock master o i master distribuiscono l’ora tramite pacchetti Ethernet a tutti i dispositivi nella rete che eseguono il Best Master Clock Algorithm (BCMA).
802.1AS-2020 è un sottoinsieme strettamente definito o un profilo di temporizzazione di precisione IEEE1588-2008 (a volte chiamato 1588v2) sul pacchetto. Le aggiunte da 802.1AS-2020 a 802.1AS-2011 aggiungono il supporto per più di un dominio temporale, il supporto per due scale temporali (protocollo temporale di precisione e arbitrario) e il supporto opzionale per un passaggio oltre a quello a due passaggi. L’hardware sottostante deve supportare la marcatura temporale dei pacchetti trasmessi e ricevuti il più vicino possibile al cavo. Per la segnalazione del ritardo in una fase, l’hardware deve anche essere in grado di inserire un timestamp nel pacchetto mentre viene trasmesso.
Per la segnalazione del ritardo in due fasi, l’indicazione dell’ora di trasmissione è inclusa in un pacchetto di follow-up, aumentando in alcuni casi il carico del pacchetto creato dalla sincronizzazione dell’ora sul pacchetto. Figura 2. IEEE TSN e stack di comunicazione.
802.1AS-2020 include la misurazione del ritardo della linea peer-to-peer e il calcolo del ritardo del bridge. Oltre al timestamp, il resto dello standard 802.1AS-2020 è generalmente implementato in un software eseguito su un core dedicato. O su core compatibili con Linux come Cortex A53 o su core MCU come Cortex R5. L’implementazione TSN per i processori Sitara™ di Texas Instruments (TI) supporta 802.1AS-2011 e 802.1AS-2020. Ci sono alcune ulteriori aggiunte per migliorare il jitter in una topologia di linea su cui si sta lavorando in P802.1ASdm, prevediamo che si tratti di aggiunte minori che possono essere supportate con gli aggiornamenti software.
802.1Qbv – Miglioramenti per il traffico di linea (EST, Enhancements for scheduled traffic)
Time-aware shaper (TAS) rende gli switch e gli endpoint consapevoli del tempo di ciclo per il traffico in tempo reale. Il nome IEEE802.1Q-2018 per questa funzionalità è Enhacements for Scheduled Traffic (EST). Uno scheduler in uscita per porta per i pacchetti crea una finestra periodica durante la quale non vi è traffico interferente.
L’implementazione TSN di TI per i processori Sitara supporta TAS. TAS è principalmente una funzionalità hardware, con uno stack software che configura lo shaper hardware in ciascuna porta del bridge e talker endpoint.
802.1Qbu – Prelazione frame e 802.3br – Interspersing Express Traffic (IET)
Ethernet è una rete store-and-forward. Una volta che un pacchetto inizia a passare sul cavo, bloccherà il cavo dagli altri pacchetti fino al raggiungimento della fine del pacchetto. Ad esempio, una rete da 100 Mbps e una dimensione tipica del pacchetto MTU (Maximum Transmission Unit) di 1,5 kB creano un blocco head-of-line di circa 120 µs (1,5 kB/100 Mbps). I collegamenti a velocità più elevata lo riducono linearmente, ma anche le reti da 1 Gbps possono avere un jitter dell’ordine di decine di microsecondi.
Per ridurre i problemi di blocco head-of-line, IEEE ha definito la prelazione dei frame (802.1Qbu) e il relativo standard del livello fisico che intervalla il traffico espresso (802.3br).
Solo il traffico espresso può avere la precedenza, assicurando una latenza garantita per il traffico espresso. Il nome IEEE802.1Q-2018 per questa funzionalità è Interspersed Express Traffic (IET).
La commutazione cut-through, insieme a TAS e frame preemption, sono le tecnologie di base per ridurre la latenza nel caso peggiore, anche in una rete con topologia a catena lunga. L’implementazione TSN di TI per i processori Sitara supporta la commutazione cut-through, la prelazione dei frame e il traffico interspersing.
Cut-through Switching
Ethernet 802.1Q è un’architettura store-and-forward. Ciò significa che una volta che un frame inizia ad arrivare, la porta di ingresso attenderà di vedere la fine del frame prima di inoltrarlo.
L’indirizzo di destinazione si trova all’inizio del frame, e alla fine del frame è presente un CRC. La commutazione cut-through sfrutta il fatto che l’indirizzo si trova all’inizio per incominciare a inoltrare il frame prima che sia stata ricevuta la fine del frame. La migliore latenza di ritardo del bridge si ottiene sfruttando il vantaggio di guardare solo l’inizio del frame prima di prendere la decisione di inoltro. Ad esempio, solo l’inizio dell’indirizzo di destinazione. Lo svantaggio del cut-through è che vengono inoltrati anche i frame malformati con CRC errato. Texas Instruments supporta la commutazione cut-through e sta collaborando con l’industria per standardizzare la funzionalità.
802.1Qch – Accodamento e inoltro ciclico (Cyclic queuing and forwarding)
L’accodamento e l’inoltro ciclico definisce ritardi completamente deterministici per tutti i flussi. L’implementazione TSN di TI per i processori Sitara inizialmente non supporta 802.1Qch; il consiglio è quello di utilizzare 802.1Qbv (EST), una rete completamente gestita per evitare interferenze nel traffico che raggiunge le stesse prestazioni a livello di rete.
802.1CB – Replica ed eliminazione dei frame per l’affidabilità (FRER, Frame replication and elimination for reliability)
Le tipiche reti Ethernet si basano su protocolli di livello superiore come la ritrasmissione TCP (Transmission Control Protocol) per recuperare i frame Ethernet perduti e lo Spanning Tree Protocol (STP) per costruire nuovi percorsi attraverso il network. Entrambi gli approcci sacrificano una quantità di tempo non deterministica per consegnare il frame.
TSN utilizza la ridondanza per garantire la latenza anche in presenza di guasti singoli come cavi tagliati. Per garantire in modo proattivo la consegna dei frame all’interno di una topologia LAN con più percorsi, 802.1CB fornisce ridondanza duplicando selettivamente i frame al mittente e quindi scartando il duplicato alla destinazione. La selezione dei fotogrammi da duplicare si basa sul concetto di flussi.
802.1CB-2019 include la definizione di flussi TSN basati su intestazioni di livello 2 chiamate “flusso nullo” nonché un livello superiore chiamato “flusso IP”, utilizzato in altre funzionalità TSN.
802.1CB è compatibile con le reti industriali esistenti in cui i precedenti protocolli di ridondanza come HighAvailability Seamless Redundancy (HSR) e Parallel Redundancy Protocol (PRP) non fornivano alcun impatto sulla latenza derivante da guasti a punto singolo.
802.1Qcc – Miglioramenti e prestazioni del protocollo di prenotazione del flusso (Stream reservation protocol enhancements and performance)
TSN utilizza tre etichette identificative: ID del flusso, indirizzo di destinazione del flusso e classe di traffico.
- Stream ID è l’indirizzo di origine MAC (Media Access Control) concatenato con un handle a 16 bit.
- L’indirizzo di destinazione del flusso è l’indirizzo MAC di destinazione concatenato con l’ID della LAN virtuale (VLAN) (802.1Q – supporto VLAN). Gli indirizzi sono generalmente gestiti localmente o con indirizzi multicast.
- I bit di priorità VLAN, che in genere utilizzano solo una o due classi, determinano la classe di traffico.
Lo stream ID è l’identificatore univoco utilizzato dalla gestione delle risorse. L’indirizzo di destinazione del flusso e la classe di traffico identificano il percorso dati intrapreso.
802.1Qcc supporta un modello di configurazione centralizzata con una configurazione utente centralizzata (CUC), come mostrato in TSN Configuration.
Una configurazione di rete centralizzata (CNC) calcola l’allocazione e la disponibilità delle risorse e configura i bridge.
Sono possibili architetture alternative: talkers e listeners che comunicano direttamente con il CNC, o anche un’architettura completamente distribuita. Un’architettura centralizzata e un protocollo di gestione della rete basato su YANG (YANG è un linguaggio di modellazione dei dati per la configurazione di rete sviluppato da IETF e definito in RFC 7950) come RESTCONF o NETCONF su uno stack di rete sicuro standard come Transport Layer Security (TLS). I kit di sviluppo software (SDK) Linux per processori Texas Instruments includono NETCONF a partire dalla versione 8.6 e gli SDK MCU-PLUS includono NETCONF a partire dalla versione 9.0.
L’impatto di TSN sull’Ethernet industriale
TSN aggiunge funzionalità in tempo reale allo standard IEEE Ethernet, funzionalità che una volta erano disponibili solo su bus di campo industriali specializzati (chiamati anche Ethernet industriale). TSN non elimina la necessità né sostituisce il protocollo utilizzato sopra Ethernet.
L’interfaccia al software è un buon esempio. Per il protocollo TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), un socket BSD (Berkeley Software Distribution) è diventato l’interfaccia standard con TCP/IP e le reti in generale e si è dimostrato portatile e scalabile per un’ampia gamma di applicazioni.
Un’applicazione HTTP (Hypertext Transfer Protocol) lavora senza modifiche durante la lettura da un file locale o di un file Internet. Ma questi sockets non sono necessariamente rilevanti
interfacce per un protocollo che dà priorità alla risoluzione della latenza e all’esposizione del concetto di tempo nell’applicazione.
Ad esempio, il protocollo Ethernet industriale PROFINET prevede che Ethernet abilitato per TSN sia solo uno strato di collegamento dati su cui eseguire il protocollo.
IEEE TSN definisce la funzionalità del layer di livello 2 e la commutazione a livello LAN, incluso il concetto di tempo. Ciò che non definisce è l’interfaccia software con cui configurare queste funzionalità hardware. Ciò significa che il software di gestione per il passaggio dal fornitore A dovrà utilizzare un’interfaccia di programmazione dell’applicazione (API) a un’altra API per il fornitore B.
Una seconda (e forse più unica) area al di fuori dell’ambito delle specifiche IEEE è incentrata sul concetto di latenza e sulla variazione o jitter della latenza nel software del percorso dati. Come accennato, i socket precedenti sono ottimi ma non tentano nemmeno di gestire il tempo reale o la latenza.
È molto probabile che l’API e l’architettura software attorno al percorso dati per le reti TSN si evolveranno nel tempo. La soluzione TSN programmabile basata su PRU-ICSS affronta sia la parte di latenza dello stack software che la configurazione e la gestione in modo incrementale. La soluzione TSN può adattarsi a un’architettura software che richiede un meccanismo di buffering molto specifico per il tempo reale, supportando al contempo la rete principale Linux in parallelo. E una volta che Linux avrà sfruttato più funzionalità in tempo reale, una soluzione programmabile potrà adattarsi alla nuova architettura software. Texas Instruments sta collaborando con la comunità di sviluppatori per consentire un maggiore determinismo e un’API di configurazione open source per l’hardware TSN. Ad esempio, l’offload hardware EST su AM6x è supportato nelle versioni del kernel Linux a partire dalla 5.4.(5) Per i microcontrollori, è disponibile il supporto MCU+ SDK EST. (6)
I protocolli Industrial Ethernet come PROFINET ed EtherNet/IP presuppongono già il Learning Bridge Ethernet IEEE come tecnologia di commutazione sottostante. Questi protocolli possono ora adattare l’estensione del time aware shaping (EST) e della frame preemption (IET) per utilizzare l’hardware TSN standard per Ethernet industriale.
EtherNet/IP utilizza pacchetti UDP (User Datagram Protocol) per lo scambio di dati. PROFINET supporta un modello diretto layer-2 per i dati supportati dalla soluzione PRU-ICSS TSN. Sia PROFINET che EtherNet/IP sono compatibili con il livello di commutazione TSN e possono trarre vantaggio dai miglioramenti in tempo reale.
La standardizzazione IEEE dei protocolli di ridondanza non è stata inclusa nello standard 802.1Q-2018 e resta da vedere se 802.1CB sostituirà i protocolli di ridondanza di PROFINET ed EtherNet/IP, come il media redundancy protocol (MRP) e il device level ring (DLR).
La transizione dai protocolli di comunicazione industriale esistenti ai nuovi standard dura in genere molti anni. Durante la fase di transizione, nei sistemi di produzione vengono utilizzati contemporaneamente i vecchi e i nuovi protocolli. Oltre ai sistemi greenfield basati esclusivamente su controller e dispositivi compatibili con TSN, le funzioni che collegano i protocolli esistenti a quelli nuovi accelereranno l’introduzione dell’hardware TSN per la comunicazione industriale. Le possibili applicazioni includono:
- Bus di campo industriale al gateway di rete TSN.
- Un gateway master IO-Link alla rete TSN.
- Collegamento e incorporamento di oggetti per l’architettura unificata di controllo del processo (OPC UA) su TSN Ethernet.
- Una combinazione di protocolli a livello di campo e di controllo con un uplink nel cloud.
- Controller di movimento con controller bus di campo industriale tradizionale, con interfaccia TSN lato dispositivo per la comunicazione da controller a controller OPC UA FX.
I processori Sitara e gli MCU di Texas Instruments possono realizzare applicazioni da IO remoto e azionamenti motore collegati in rete alle funzioni presenti in questo elenco.
I sottosistemi di comunicazione industriale (PRU-ICSSG), uno switch gigabit aggiuntivo (CPSW3G, CPSW5G, CPSW9G) e la possibilità di interfacciarsi con un modulo Wi-Fi fanno sì che i processori Sitara possano supportare fino a sette canali di comunicazione da un singolo dispositivo. Ciascun PRU-ICSSG può implementare protocolli Ethernet industriali lato controller o dispositivo. Sitara AM64x supporta fino a 5 porte TSN con capacità Gigabit Ethernet e il relativo MCU AM243x offre questa funzionalità a 5 porte ai microcontrollori. I processori AM62x e AM62A e l’MCU AM263x includono due porte con Ethernet compatibile con TSN.
Il portafoglio di processori e MCU con funzionalità TSN mostra i processori e MCU con funzionalità TSN a diversi livelli in un sistema di produzione.
Di seguito, sono riportate le schede di valutazione per sviluppare applicazioni TSN.
In quest’altra tabella sono riportate tutte le risorse software per sviluppare funzionalità TSN.
Conclusione
TSN si sta muovendo nella giusta direzione per fornire un ricco insieme di funzionalità con cui trasmettere i pacchetti attraverso una rete industriale più ampia con latenza garantita. Le principali organizzazioni Ethernet industriali stanno adottando la tecnologia TSN integrandola nei sistemi di ingegneria e nei profili applicativi esistenti.
I sistemi di controllo di livello superiore e altre applicazioni esterne alla fabbrica possono funzionare anche con strumenti di configurazione della rete centrale indipendenti dall’applicazione. Le reti di produzione continuano ad evolversi con l’introduzione delle funzionalità TSN, tuttavia l’Ethernet industriale tradizionale (PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP e così via) continua a essere supportato dai processori Sitara. L’utilizzo dei processori Sitara con switch hardware TSN cut through integrati può accelerare la transizione da 100 Mb a 1 Gb Ethernet industriale.
Riferimenti
- Wired and Wireless Connectivity
- Sitara processors
- Sitara MCUs
- Linux SDK NETCONF
- Linux SDK time aware shaper (EST)
- MCU+ SDK time aware shaper (EST)
- AM64x Evaluation Board, AM243 Evaluation Board
- AM64x Starter Kit AM62x Starter Kit
- AM243x Launchpad
- AM62A Launchpad
- Time Sensitive Networking on AM64x
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