从以太网到TSN的技术变革

发布日期:2022-09-05 浏览次数:29


从最早应用于音视频流的传送,直到近年随着工业4.0的不断发展,它开始被工控人所熟知。那么,TSN是如何开始与工控自动化领域有所交集和被关注的呢?他们相互的关联又是什么?

 
在前面的文章【什么是TSN网络?】中,我们简单了解了TSN网络的特点,也知道了TSN的“前身”,即,2006年,IEEE802.1工作组成立AVB音频视频桥接任务组,2012年才正式更名为TSN。
 
以太网是上个世纪80年代开始走入办公领域的,当时的以太网因其具备大容量、高速率等特点,在所有协议中脱颖而出大放异彩。
 
以太网最显著的特点就是使用了CSMA/CD协议来进行介质访问控制,在早期通常使用双绞线的以太网中,由于介质(在双绞线网络中就是网线)是共享的,连接在同一个网络上的各个设备在发送数据时势必会出现冲突,这时,我们就必须要规定一种方式,来防止这种数据冲突,而这种方法就是CSMA/CD。
 
如果要了解以太网和TSN之间的关系,那么了解以上提到的这个CSMA/CD就是一个关键。
 
 
CSMA/CD中文叫做带冲突检测的载波侦听多路访问技术,它是规定多台计算机共享一个通道的协议,用一句话概括就是——先听后发,边发边听,不发不听。
 
简单来说,就是每个节点在发送数据前先监听信道,如果空闲就发送,如果繁忙就等待;在发送后继续监听信道,如果在传送过程中发生冲突,也会继续等待一个随机时间重新发送。
 
 
在大致了解了CSMA/CD和以太网之后,我相信读者们一定已经从这里面看出点门道来了,这个CSMA/CD在执行的时候由于要避免冲突,会给数据传输的延时带来非常多的“不确定性”。
 
日常我们发个邮件,微信聊个天,看看小视频,这点比毫秒级别还小的延时可能没什么影响,但是要用在工业网络中,那可能就有点问题了。如果控制器发出了指令,依次开启A、B、C三个开关,每个开关间间隔1毫秒,但是,但是,由于网络延时,极有可能C先收到了信号,这样,开关就不能按照预定的计划依次开启了,我们的控制就出问题了。
 
随着网络技术的不断发展,以太网技术也由之前的共享式半双工技术发展到了交换式全双工技术。
 
在交换式全双工以太网中,网络被交换机分割成了各自独立的冲突域,节点之间(交换机与交换机之间,交换机与设备之间)发送和接受的传输线路也被完全分开,数据通过交换机缓存并转发,这样,发生冲突的问题就基本得到解决了。
 
这就好比以前我们在一条窄路上运送物资,来来往往的所有人都要在这条窄路上走,大家难免会发生碰撞。于是,我们只能规定这条路在有人走的时候只能单向通行,这样的话,冲突就避免了,但是如此一来,道路的使用率却大幅度下降。
 
现在我们有了交换式全双工以太网,相当于我们把道路拓宽了,把之前的单车道变成了双向二车道,这样来往的人流就不会碰撞了。同时,我们还在道路上的每个路口都设置了一个驿站,所有人只要把货物都送到驿站,然后再由驿站集中把货物送出去。送货的方式由之前每个人亲自上路去送,变成了快递公司提供送货服务的方式,大大降低了道路上来来往往的人流,也大大提高了货物的运送效率。
 
 
这种方法极有效的解决了网络的传输效率和延时。然而,在某些特殊条件下,它也引入了新的网络延时,也就是当交换机连接了大量设备,设备发送数据太快、太多的时候,交换机的缓存会溢出。这时,交换机会进行流量控制,发出PAUSE帧,要求设备停止发送数据,待延时结束后再继续发送。
 
这就有点类似于双十一时快递爆仓,快递公司可能会暂缓接单甚至停止接单,我们发送和接收快递的时效性也都会大打折扣。因此,在交换式全双工网络中,依然存在很难解决的时效性问题。
 
为了解决我们之前所提到的各种网络延时问题,网络工程师们提出了一个新的网络概念,那就是TSN——时效性网络或者叫时间敏感网络。时间敏感网络通过对实时数据和非实时数据进行流量整形,在解决传统以太网时效性的基础上保证了数据传输的实时性,同时还大大提高了网络传输的利用率。
 
 
而CC-Link IE TSN则是有效利用了TSN网络的这一特点,通过采用时间分割的方式使不同的网络数据混合传送,即使有非实时性信息通信混合传输,也可保证控制通信的实时性。