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TSN -促进IT/OT 融合的网络技术

2023-07-27 大全 50 作者:考证青年

时间敏感网络(tsn)技术是IT/OT 融合的一项关键的基础网络技术,它实现了在一个异构网络中,实现OT的实时数据和IT系统的交互数据的带宽共享。

TSN允许将经典的高确定性现场总线系统和IT应用(如大数据传输)的功能组合在一个网络中。如今,IT和OT的独立网络被用于许多应用中,导致更高的设备和安装成本,专有技术。

OT领域的实时数据网络传输

OT 领域需要实时数据传输和网络同步,比如运动控制,自动生产线的节拍控制,以及同步数据采集已经安全事件的实时告警等等。

实时网络主要实现两个目标:

数据的传输时延是在一个可控的时间内完成的,比如小于100us 能够传输。

比如,在一个系统中具有一个统一的时钟源,称为主时钟,通常这个时钟源的基准来自于GPS 或者电信网络。系统中的其它设备通过网络协议与主时钟源保持同步。技术指标是时钟抖动,例如不超过1us。

原生的 网络是基于冲突检测技术实现总线共享的包传输网络技术,它采取的尽力而为的传输策略,既无法保证实时传输,也无法实现网络时钟同步。

为了满足对实时网络和时钟同步的要求,人们对 技术进行改造,使其能够满足实时数据的要求。OT领域就为现场总线发明了许多基于的实时网络技术,其中比较著名的是倍福公司的和贝加莱的。

OT 行业的实时网络技术基本是引入了时分多路复用(Time )在一个固定的周期内分成多个时隙,将时隙分配给终端设备。在某一些时隙传输非实时数据。

的传输机制并不是原生的以太网技术,它实际上是采取了菊花瓣级联方法实现的分时和定时方式。终端设备采取了专用电路或者FPGA 实现,确保时钟准确性,并且卸载了终端设备中处理器的负荷。某些GPIO 信号是通过ASIC 电路直接读取,不需要程序干预。ASIC 电路也不需要软件控制和配置。实现非常简单,所以受到广泛欢迎。主设备可以使用标准的 接口实现。网络传输速率限制在100M。相比之下, 同样采取时分复用技术实现,但是它是基于原生以太网,纯软件实现的。

在分组网中实现时钟同步的基本思路是主设备不断地实现时间标签,从设备收到主设备的时间标签后,对本地时钟对比,调整和锁相。为此,在互联网中提出了NTP协议。这种基于包传输的时间同步的性能取决于时间标签包的发送周期,以及主设备和分设备时钟参考时钟源的稳定性。在互联网上采取NTP 协议通常时钟的漂移是比较大的。

在语音传输领域,同样需要实现精确时钟同步。使用NTP无法满足时钟同步的要求,为此人们提出了 精准时钟同步协议。 需要 控制器或者Pyh 芯片支持。并且使用PTP 协议。TSN 技术基本上是在语音传输技术的基础上发展起来的。

OT 领域的以太网实时、同步传输技术具有一些局限性。首先,它是在基于以太网络的,跨网段实现同步与实时通信带来困难,其次,难以实现IT 的交互信息和OT 实时数据分享网络资源,尽管 也能够传输一些IP 数据。但是还是具有很大的局限性。

TSN -IT/OT融合的网络技术

TSN 时间敏感网络技术主要目的是实现异构网络上OT实时数据和IT交互数据(非实时)共享网络带宽。IIoT正在超越单一功能网络,以实现融合网络基础的优势,在同一物理网络上共存不同的流量类型。出于操作完整性、实时性能、安全或安保原因,关键和非关键流量以前是分开的,但TSN提供了实现其融合的工具。这允许交换实时控制、遥测和一般 IT 信息,所有这些都由 IT 和 OT 安全管理。这将降低基础设施成本以及管理和维护网络所需的资源。打破关键和非关键系统之间的通信障碍是TSN为工业以太网的未来实现的基本概念。

OT和IT 采用统一的基础网络架构。通俗地讲,OT和IT 采取一张网。 基于IP 层,而不是以太网帧。跨网段,与5G结合可以跨地域,有无线相结合。

只有当你的应用有这样的需求时,才会考虑使用TSN。例如在一条网线上实现OT 控制信息和IT架构大数据采集的需求。因此,我们将TSN 称为IT/OT融合的网络技术。典型的应用还包括汽车控制网络

实现TSN 网络的基本条件 1 设备的硬件支持TSN

系统中的电脑的网卡要支持TSN,设备的主芯片的以太网口支持TSN。

Intel 公司具有支持tsn 的网络控制器芯片:

嵌入式处理器方面,大多数处理器芯片不支持TSN,目前NXP支持TSN的芯片更多一点。另一方面,可以使用FPGA 的IP实现TSN。

2 支持TSN 的交换机

目前已经有许多网络设备供应商推出支持TSN 的交换机产品:

菲尼克斯 2300系列TSN管理型交换机moxa ,研华也有相应的TSN 交换机产品,但是TSN需要厂家额外支持。 moxa TSN-G5008

cisco 交换机华为参与了许多tsn的测试,但是在产品目录中没有找到TSN交换机产品的商品信息

深圳光路 FR-

H3C V7 TSN工业以太网交换机

具体哪一种TSN 更成熟,没有找到第三方测试报告。

3 操作系统的TSN支持

在Linux 上实现TSN 的关键包括:

TSN 硬件的驱动

/PTP协议的支持

VLAN 的配置

TSN 的网络配置

TSN 的配置的方式通过 /YANG协议完成。

网络融合的目的和意义__网络融合方案

/YANG是一种替代SNMP协议的网管协议。 是协议,YANG是网络配置的数据模型语言。

在的文档中,将YANG的定义 :

YANG,A Data for the 。是Yet Next (Yang) Data 的缩写。它是一种建模语言,用于描述网络概念的。

当软件实现之后,应用程序将会不需要了解tsn 的技术细节就能够使用tsn。

测试OPCUA pub/sub Over TSN 的 测试床:

网络的调度( )

网络调度可以使用 协议实现,应用程序通过网络配置协议来调度网络带宽。也有人提到使用OPCUA 的pub/sub 机制与网络调度软件交互。

静态调度

使用Linux 程序

动态调度

通过OPCUA pub/sub,或者其它协议实现动态调度。OPC UA 与TSN完全集成的预期解决方案,允许发布者和订阅者应用程序通过代理架构自动配置TSN网络,尚未完成标准化。

著名的实时网络技术公司 提出了OPC UA over TSN产品,使客户能够快速开发组件并轻松设置网络。

结论

TSN 最大的特点是实现IT/OT网络融合。并不是所有的应用场合都需要将IT/OT 数据融合在一个网络中传输,在许多场合,OT 会感觉不安全,而IT 感觉太麻烦。另一方面TSN 增加了网络配置,维护的复杂性。因此,在工业领域,TSN 并没有想象的那么快地大规模推广。有人将TSN 比喻成一堆香料,需要厨师去选配。可以在某些领域使用TSN技术,比如,使用支持TSN硬件实现高精度网络同步( 、PTP)。例如应用与实时数据采集,运动控制,节拍控制。

随着制造业领域导入更多的IT新技术,例如数据采集与分析,AI视觉等。非实时交互数据的增加,TSN技术将会收到欢迎。

与任何一项新技术类似,TSN距离大规模应用还有很长的道路要走。如果过早地期望这项新技术产生利润,也许是要失望的。但是如果不做早期的布局,未来就没有机会。这就是产业界的矛盾。

无论如何,不要轻易地以为“未来已来”。技术难,商业化更难。

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