如何实施时间敏感型网络以确保确定性通信

确定性通信在各种应用中至关重要，如自主机器人和其他工业 4.0 系统、5G 通信、汽车高级驾驶辅助系统 (ADAS) 以及实时流服务。IEEE 802 以太网标准（即时间敏感型网络 (TSN)）已经扩展，以支持确定性通信。如果实施得当，TSN 可以与非 TSN 设备互操作，但确定性通信仅可在启用 TSN 的设备之间进行。在实施 TSN 时，有许多 IEEE 802 标准需要协调，并确保其提供确定性通信和互操作性，这使得从头将 TSN 设计到网络设备中变得复杂而耗时。

相反，网络设备的设计人员可以使用具有内置 TSN 功能的微处理器单元 (MPU)，以加速产品上市并降低开发风险。本文回顾了 TSN 操作和实施的基础知识，介绍了一些实施 TSN 的 IEEE 802.1 标准，考虑了 IEC/IEEE 60802 与 TSN 的关系，并将 TSN 与其他协议（如 EtherCAT、ProfiNet 和 EtherNet/IP）进行了比较。随后，本文介绍了 Texas Instruments、NXP 和 Renesas 的具有 TSN 功能的 MPU，以及支持将确定性网络集成到工业 4.0 设备的开发平台。

在开发 TSN 之前，实时网络只在专门的工业现场总线上可用。现场总线通常被称为“工业以太网”。802.1 TSN 标准定义了第二层功能和局域网 (LAN) 级交换，并增加了时间和同步的概念。TSN 未取代第二层以上级别的协议，也未定义软件接口或硬件配置和功能，使其与各种应用编程接口 (API) 兼容（图 1）。


图 1：TSN 标准定义第二层功能，可以与各种 API 共存。（图片来源：Texas Instruments）

现有的 TSN 流量整形算法使实时流量与常规尽力而为流量在标准的以太网网络中共存。对于时间关键型通信，可以保证确定性和低延迟。这可以支持工业和汽车环境中的安全相关系统的部署。一些关键的 IEEE 802.1 TSN 次级标准包括（表 1）：

IEEE 802.1 AS – 计时和同步
IEEE 802.1Qbv – 时间感知整形器
IEEE 802.3Qbr – 散布快速流量
IEEE 802.1Qbu – 帧抢占
IEEE 802.1Qca – 路径控制和保留
IEEE 802.1CB –冗余
IEEE 802.1 Qcc – 为实现流保留的增强和改进
IEEE 802.1 Qch – 循环排队和转发
IEEE 802.1Qci – 每个数据流的过滤和控制
IEEE 802.1CM – 用于前传的时间敏感型网络


表 1：TSN 依赖诸多次级标准，以模块化的方式提供确定性性能、冗余和其他功能。（图片：Texas Instruments）

IEEE TSN 可以划分为四类次级标准，这些是确保 TSN 运行所必需的。时间同步是确保整个网络的时钟同步的基础。802.1AS（也称 802.1ASrev）是与同步有关的主要次级标准。

另一组次级标准与有限的低延迟有关。支持有限的低延迟是实现数据传输确定性的必要条件，利用五个次级标准进行定义：802.1Qat（基于信用的整形器）、802.3Qbr（散布快速流量）、802.1Qbu（帧抢占）、802.1Qbv（时间感知整形器 (TAS)）、802.1Qav（循环排队和转发）以及 802.1Qcr（异步流量整形）。

需要有超强的可靠性来处理故障、错误，并提供冗余和相关功能。相关的次级标准包括：802.1CB（帧复制和消除）、802.1Qca（路径控制和保留）、802.1qci（每个数据流的过滤和控制）以及 802.1AS 和 802.1AVB 的部分内容（TSN 和 IEEE 音频桥接标准中计时和同步部分的时间同步可靠性）。

有一组与专用资源、API 和其他“经常要使用的”必要功能有关的一般次级标准，包括更高层次的规划和配置以及异构网络中的互操作性。这些一般次级标准的示例包括：802.1Qat（流保留协议）、P802.1Acc（TSN 配置）、与 YANG (Yet Another Next Generation) 数据建模语言的兼容性，以及 802.1Qdd（资源分配协议）。

TSN 的模块化设计使其能够针对特定的应用和用例进行优化。并非每次都需要每个功能。例如 802.1AS，定时和同步在 TSN 的所有工厂自动化用例中特别重要，而冗余可能只被自动化用例的一个子集所需要。

IEC/IEEE 60802 与 TSN 有什么关系？

在撰写本报告时，IEC/IEEE 60802 草案 1.4《用于工业自动化的 TSN 配置文件》正在征求意见，预计将于 2023 年获得批准。该 IEC SC65C/WG18 和 IEEE 802 项目将为工业自动化定义 TSN 配置文件。这项联合工作将包括桥接器、终端站和局域网的配置文件选择功能、选项、配置、默认值、协议以及程序，以建立工业自动化网络。与现有的 IEEE 802 TSN 标准一样，60802 将是灵活、模块化的，适合诸多网络场景。

IEC/IEEE 60802 将超越 IEEE 802 标准，它为工业自动化领域可互操作桥接时间型敏感网络的用户和供应商在选择和使用 TSN 相关标准和功能时提供相关指导，以便有效地部署同时支持操作技术流量和其他流量的融合网络。IEC/IEEE 60802《用于工业自动化的 TSN 配置文件》发布后可能会引起困惑，至少在发布之初，因为各种现场总线通常被称为“工业以太网”。

TSN 和现场总线

TSN 和现场总线并非只能二选一。它们是兼容的，经常一起使用，都采用与时间同步有关的概念。然而，PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT 等现场总线以不同的方式实现同步。PROFINET 使用精确时间控制协议 (PTCP)。EtherCAT 使用分布式时钟，采用专用和相关的寄存器进行同步。

PROFINET 和 EtherNet/IP 包括 IEEE 以太网学习桥作为基础交换技术。因此，这些协议现在可以调整 TAS 和帧抢占的扩展，以使用标准的 TSN 硬件。EtherNet/IP 使用 UDP 数据包进行数据交换，与 TSN 交换层兼容。对于由可编程实时单元工业通信子系统 (PRU-ICSS) TSN 解决方案支持的数据，PROFINET 支持直接第二层缓冲模型。

TSN 设计支持至少与 EtherCAT 和 PROFINET 及其他工业以太网协议一样短的周期时间。当升级到千兆位以太网时，TSN 预计会超过其他协议的性能。EtherCAT 中对确定性流量的支持仅限于特殊类型的数据包。EtherCAT 和 TSN 相结合可以提高灵活性。例如，围绕同步，TSN 增加了多主控能力。这三种协议以不同的方式提供冗余。TSN 使用平行冗余协议 (PRP) 和 IEC 62439-3 中定义的高可用性无缝冗余 (HSR) 协议等技术实现零损耗冗余（表 2）。


表 2：EtherCAT、PROFINET 和 TSN 具有类似的功能，但实现的方式不同。（图片来源：Texas Instruments）

TSN 不包括应用层，也不在应用层面上挑战现场总线。例如，在机器层面仍使用 EtherCAT 的情况下，用交换机将机器互连，可以创建一个具有 TSN 功能的工业以太网网络。TSN-EtherCAT 集成网络不是将技术混合，而是定义了无缝集成：使用两种技术并实现每种技术的最佳性能。

具有多达 6 个 TSN 端口的 MCU

对于需要 TSN 连接的工业 4.0 嵌入式设备，设计人员可以使用 Texas Instruments 的 AM652x Sitara 处理器，如 AM6528BACDXEA。这些 MCU 搭载两个 Arm Cortex-A53 内核和一个双 Cortex-R5F 以及三个可编程实时单元和工业通信子系统千兆 (PRU_ICSSG) 子系统，可用于提供多达六个工业以太网端口，包括 TSN、PROFINET、EtherCAT 和其他协议，或者可用于标准千兆以太网连接（图 2）。


图 2：AM652x Sitara 处理器包括六个端口，可用于 TSN 和其他工业以太网协议。（图片来源：Texas Instruments）

除了由设备管理和安防控制 (DMSC) 子系统管理的粒度防火墙外，AM652x 系列 MCU 还包括安全启动和加密加速的功能。此外，双 Cortex-R5F MCU 子系统可作为两个单独的内核用于一般用途，也可将这些内核用于功能性安全应用的锁步。

带有 CC-Link IE TSN 栈的 MCU

NXP 的 i.MX RT1170 跨界 MCU，如 MIMXRT1176DVMAA，具有双核架构：一个高性能的 Cortex-M7 内核（运行频率高达 1 GHz）和一个高能效的 Cortex-M4 内核（运行频率高达 400 MHz）。这种双核架构有助于使应用程序并行运行，并在必要时关闭各内核以支持功耗优化。这些 MCU 提供一个完整的 CC-Link IE TSN 通信栈，进行了优化以支持实时操作，并提供 12ns 的中断响应时间。


图 3：NXP 的 i.MX RT1170 MCU 包括一个专门的 TSN 功能块（黑色椭圆内）。（图片来源：NXP）

为了加快机器学习 (ML) 应用、实时电机控制、面部识别等高级人机界面 (HMI) 以及其他工业 4.0 应用的开发，NXP 提供了 MIMXRT1170-EVK 评估套件（图 4）。该评估套件建立在 6 层印刷电路板 (PCB) 上，采用通孔设计，具有更好的电磁兼容性 (EMC) 性能，设两个以太网端口，用于开发 TSN 连接。


图 4：NXP 的 MIMXRT1170-EVK 评估套件。（图片来源：NXP）

用于 TSN 的 MCU 和入门套件

Renesas 的 RZ/N2L 系列 MCU（如 R9A07G084M04GBG#AC0），旨在简化工业 4.0 应用中工业以太网和 TSN 的实施。它们通过一个支持 TSN、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 和 OPC UA 的 3 端口千兆以太网交换机实现确定性通信。Renesas 还提供用于 RZ/N2L MCU 的 RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+。该入门套件包括适合工业应用的大量外设功能，并支持工业以太网和 TSN 的评估（图 7）。该套件包括所有需要的硬件和软件：

硬件
· 带有 RZ/N2L MCU 和板载仿真器的 CPU 板
· 电源 USB 电缆（Type C 至 Type C）。
· 板载仿真器连接 USB 电缆（Type A 至 Type Micro B）。
· PC 终端调试 USB 电缆（Type A 至 Type Mini B）。

软件
· 开发环境、示例代码和应用说明可在网上获得，其中还包括一个带有外设驱动程序的软件支持包和大量用于快速评估和原型设计的应用实例。


图 5：RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ 包括必要的硬件和软件以及应用实例，以支持确定性网络的开发。（图片来源：Renesas）

总结

TSN 已添加至 IEEE 802.1 以太网标准中，以支持确定性通信的开发。TSN 定义了第二层通信功能，并与更高层次的协议兼容，如 EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 等。它很快将在国际标准中体现，即 IEC/IEEE 60802《用于工业自动化的 TSN 配置文件》。供应商已经开始将 TSN 集成到 MCU 和相关开发平台中，以帮助设计人员快速将确定性通信集成到新一代工业 4.0 设备中。