I vantaggi e gli svantaggi del networking sensibile al tempo

Questo articolo fa parte di TechXchange: Time for Time-Sensitive Networking

Cosa imparerai:

  • Gli elementi chiave che costituiscono il networking time-sensitive.
  • Come si usa il TSN?

Ethernet è stata affermata come una soluzione cablata affidabile per le reti di computer e automazione. Lo standard aperto consente ai terminali di essere collegati e ridimensionati in modo rapido e semplice per lo scambio di dati con hardware relativamente poco costoso.

Ethernet, tuttavia, non era originariamente progettata per soddisfare i requisiti posti dalla tecnologia di automazione, in particolare quando si tratta di big data e comunicazione in tempo reale. A causa di tali restrizioni, vari sistemi bus nell’automazione si sono evoluti utilizzando Ethernet a livello fisico implementando protocolli proprietari in tempo reale nella fascia alta.

Tali sistemi spesso portano all’uso esclusivo dell’infrastruttura di rete e alle dipendenze dei fornitori. Le reti attualmente incaricate di gestire i dati critici dal punto di vista temporale sono separate dalle reti che dirigono il traffico di dati meno critico per eliminare le reciproche interferenze negative.

In futuro, le applicazioni Industry 4.0 richiederanno sempre più reti Ethernet più coerenti e robuste. Queste reti possono essere prodotte solo a un costo significativo con l’infrastruttura attuale. A tal fine, il networking time-sensitive (TSN) offre una soluzione per modificare queste condizioni attuali e fornire una maggiore velocità di trasmissione per molti settori.

Cos’è il TSN?

TSN è un insieme di standard in fase di sviluppo da parte del Time-Sensitive Networking Task Group, che fa parte del gruppo di lavoro IEEE 802.1, una propaggine del progetto IEEE 802 creato dalla IEEE Standards Association (Guarda la figura). TSN si concentra sulla creazione di una convergenza tra la tecnologia dell’informazione (IT) e la tecnologia operativa industriale (OT) estendendo e adattando gli standard Ethernet esistenti.

Anche se può sembrare così, TSN è uno standard Ethernet e non un Internet Protocol Standard (IPS). Tuttavia, le estensioni in particolare affrontano la trasmissione di latenza di trasmissione molto bassa e alta disponibilità.

Ora che siamo al passo con il lignaggio, gli standard definiscono i meccanismi per la trasmissione di dati sensibile al tempo su reti Ethernet deterministiche. La maggior parte dei progetti definisce le estensioni dei bridge e delle reti con bridge IEEE 802.1Q (aka supporto VLAN), che descrivono le LAN virtuali e gli switch di rete.

La tecnologia TSN mira a standardizzare le funzionalità su OSI-Layer 2 in modo che protocolli diversi possano condividere la stessa infrastruttura. La sfida qui sta nella configurazione del traffico dati critico e non critico in modo che né le caratteristiche in tempo reale né le prestazioni siano compromesse.

Ripartizione del TSN

Tipicamente, le reti Ethernet tradizionali che coinvolgono settori automatizzati, come quelle che si trovano nel settore manifatturiero, si basano sulla piramide dell’automazione gerarchica, che separa la tecnologia dell’informazione (IT) dalla tecnologia operativa (OT). L’IT include la comunicazione classica dell’ufficio con i tipici dispositivi finali, come computer e sistemi NAS (Network Attached Storage). L’estremità OT comprende sistemi, macchine e software utilizzati per il controllo e l’automazione dei processi.

Queste aree sono essenzialmente diverse nel modo in cui comunicano, con l’IT che fa affidamento sulla larghezza di banda e OT incaricati dell’elevata disponibilità. Il traffico dati a livello IT è spesso classificato come non critico, mentre il traffico dati è designato come critico dal punto di vista temporale all’estremità OT. A causa di questa separazione, ogni livello utilizza un particolare standard di comunicazione.

Mentre il sistema bus Ethernet con TCP/IP è ampiamente diffuso a livello IT, vari sistemi bus (ovvero sistemi bus di campo) che soddisfano i requisiti per tempi di latenza garantiti sono diffusi a livello OT. Ogni fornitore di controllo di solito promuove uno specifico sistema bus di campo.

Per l’utente finale, significa che la selezione del controller determina anche la selezione del bus. Di conseguenza, l’utente diventava spesso dipendente dal produttore poiché i diversi sistemi di bus erano incompatibili. Non è più così, poiché la trasmissione continua dei dati è una necessità fondamentale per le imprese digitalizzate, indipendentemente dal settore.

L’automazione industriale è già in fase di ristrutturazione basata sull’affermazione di una manifattura flessibile e intelligente, tipicamente descritta o già implementata nell’ambito dell’Industria 4.0, della produzione intelligente e dell’IoT. Questo è dettagliato nella piramide dell’automazione, che incorpora TSN e divide a metà la struttura, con la parte superiore (gestione strategica, gestione impianti, supervisione) dedicata all’IT e quella inferiore (controllo, dispositivi di campo, ecc.) implementata con OT.

La separazione tra i livelli di controllo e di campo sta offuscando, creando la necessità di una rete uniforme e convergente in cui il traffico di dati critici possa essere trasmesso contemporaneamente a dati non critici senza effetti negativi. Pertanto, l’Ethernet esistente deve essere adattata per soddisfare questi requisiti. È qui che entra in gioco il TNS Task Group, poiché sono attualmente in fase di definizione sotto-standard destinati a consentire la convergenza del traffico di dati critici e non critici su un’infrastruttura Ethernet condivisa.

Il tempo è la chiave

Tutte le apparecchiature di rete necessitano della stessa comprensione del tempo per soddisfare la suddetta convergenza, il che significa che tutti gli switch e i terminali su una rete devono essere sincronizzati nel tempo. Per portare a termine questo compito, sono attualmente in gioco due diversi approcci.

Uno è lo standard IEEE 1588-2008, che richiede la fornitura dell’orologio con l’ora più precisa da designare per agire come Grandmaster Clock, o elemento orario centralizzato. Il gruppo di attività ha inoltre creato un profilo unico che delinea l’uso delle specifiche IEEE 1588 insieme a IEEE 802.1Q, in particolare quelle applicazioni che non richiedono il throughput completo.

Un’altra importante funzionalità riguarda la trasmissione del traffico dati critico e non critico all’interno di una rete convergente. Il traffico dati critico ha la priorità per la consegna a un’ora programmata, mentre il traffico dati non critico ha una priorità inferiore. Sono già stabilite otto classi di traffico secondo IEEE 802.1Q e vengono utilizzate per dare priorità a diversi tipi di traffico dati.

Detto questo, la QoS (Quality of Service) dello standard non è stata progettata per inviare in parallelo traffico dati critico e non critico. A causa dei meccanismi di buffer negli switch Ethernet, un pacchetto di dati Ethernet a bassa priorità può ritardare i flussi di dati, anche se hanno un compito con priorità alta. Nuovi meccanismi di definizione delle priorità sono stati introdotti per consentire e regolare questa coesistenza.

Inserisci IEEE 802.1Qav, progettato per i flussi di dati con requisiti in tempo reale da dare la priorità al traffico best-effort. Un ottimo esempio di tale definizione delle priorità include il Credit-Based Shaper (CBS), creato dal gruppo di lavoro IEEE 802.1 per gestire la trasmissione prioritaria per la tecnologia precedente TSN Audio/Video Bridging (AVB).

Lo shaper assegna i crediti di invio ai flussi di dati. I pacchetti di dati con larghezza di banda riservata vengono preferibilmente trasmessi fintanto che il credito rimane nell’intervallo positivo. Questi crediti vengono spesi durante la trasmissione fino a quando non diventano negativi. Pertanto, una volta che una trasmissione preferita raggiunge un valore negativo, vengono trasmessi i pacchetti di dati best effort successivi in ​​linea. Se ciò ritarda l’inoltro di pacchetti di dati designati con larghezza di banda riservata, il credito viene aumentato per consentire la trasmissione in successione di frame Ethernet con priorità.

A causa dell’ampia gamma di funzioni TSN, l’integrazione è gestita al meglio da microchip programmabili, come gli array di porte programmabili sul campo (FPGA). Rispetto ai circuiti integrati tradizionali, dove le funzioni sono predeterminate, gli FPGA possono essere programmati e configurati per generare funzioni digitali complesse basate sull’applicazione.

Conclusione

Il processo di standardizzazione non è completo e l’implementazione di vari standard è un processo continuo poiché le nuove tecnologie vengono continuamente introdotte sul mercato ogni anno. Poiché gli standard TSN sono attualmente ancora in fase di revisione e modifica, la possibilità di espandersi e riprogrammare è un fattore critico per l’implementazione e l’implementazione in un ambiente industriale.

Tuttavia, TSN fornisce le basi per soddisfare tali requisiti in evoluzione e lo spettro consente di soddisfare i requisiti di latenza, jitter e affidabilità in continua evoluzione per soddisfare i requisiti delle applicazioni più recenti.

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