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 TSN與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的真相

我們近期收到來(lái)自ETG會(huì)員的反饋，在網(wǎng)絡(luò)上流傳的某些比較各種工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)的文章中，針對(duì)EtherCAT部分的描述有誤，會(huì)員希望ETG對(duì)相應(yīng)錯(cuò)誤部分給予糾正，防止讀者被誤導(dǎo)。此外，針對(duì)該文章中指出的TSN技術(shù)適用于現(xiàn)場(chǎng)層的應(yīng)用的觀點(diǎn)，我們借此機(jī)會(huì)給予我們的解讀。

以某一家現(xiàn)場(chǎng)總線組織為名的關(guān)于多家工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線的對(duì)比只是站在某一種總線角度進(jìn)行技術(shù)比較，對(duì)于廣大用戶來(lái)說并不具有代表性和性，且因其對(duì)EtherCAT技術(shù)了解的片面性，文章中在技術(shù)層面出現(xiàn)很多錯(cuò)誤，為工業(yè)以太網(wǎng)用戶帶來(lái)諸多困擾。

我們?cè)诖肆信e了以下技術(shù)錯(cuò)誤并進(jìn)行了相應(yīng)的糾正，以幫助用戶正確理解工業(yè)以太網(wǎng)以及EtherCAT技術(shù)。

image001錯(cuò)誤1：1.2章節(jié)關(guān)于主流通訊協(xié)議的循環(huán)周期比較

按照?qǐng)D示中關(guān)于EtherCAT的參數(shù)：70多個(gè)節(jié)點(diǎn)，100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)量，循環(huán)周期要超過1700微秒。

image004實(shí)際應(yīng)用中采用硬件測(cè)試過的EtherCAT性能如下：

•    1000個(gè)開關(guān)量分布在100個(gè)節(jié)點(diǎn)上，循環(huán)周期為30微秒

•    100個(gè)伺服軸，每個(gè)軸8字節(jié)的輸入/輸出數(shù)據(jù)，循環(huán)周期為100微秒

EtherCAT與其他千兆以太網(wǎng)及TSN性能比較

上圖中所示，與其他的基于千兆以太網(wǎng)的總線技術(shù)與TSN比較，EtherCAT的真實(shí)性能應(yīng)該如圖中zui底層的平面（藍(lán)色平面）所示。顯然，EtherCAT的性能明顯優(yōu)于其他的技術(shù)。

image001錯(cuò)誤2：1.2章節(jié)關(guān)于EtherCAT循環(huán)周期時(shí)間的計(jì)算公式錯(cuò)誤：

image004對(duì)于通常的EtherCAT系統(tǒng)中含有的三類設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輸入輸出混合設(shè)備。對(duì)于含有以上三類設(shè)備的EtherCAT系統(tǒng)的zui小循環(huán)周期公式應(yīng)為：

τ= 8(40 + max(44, 4 ×(x+12)))/C

說明： EtherCAT協(xié)議定義數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，可以將數(shù)據(jù)報(bào)文分成多個(gè)子報(bào)文，每個(gè)子報(bào)文可以對(duì)應(yīng)一個(gè)到多個(gè)從站。一般情況下子報(bào)文都是對(duì)應(yīng)同類的一系列設(shè)備，例如所有輸入模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子報(bào)文，所有輸出模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子報(bào)文，所有輸入輸出的模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子報(bào)文。這樣如果系統(tǒng)中以上三類設(shè)備，外加一個(gè)用于監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)機(jī)的廣博子報(bào)文后，公式應(yīng)該是4×（x+12）。文中提到的是將每一個(gè)從站都對(duì)應(yīng)一個(gè)子報(bào)文，這不是必須的，絕大多數(shù)情況都不會(huì)使用到這種極限方式。

image001錯(cuò)誤3：在公式說明后提到如下內(nèi)容：

“這里介紹的所有方程都是假設(shè)了簡(jiǎn)單的情況，其中輸入和輸出數(shù)據(jù)量相等，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為的總線型。然而在實(shí)際應(yīng)用中，這種比較取決于許多其他參數(shù)：

•    輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率

•    具有直接交叉通信的設(shè)備的百分比

•    利用不同的循環(huán)周期

•    拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、星型、環(huán)型），以及設(shè)備之間的跳數(shù)

•    帶有自己背板總線的模塊化I/O的可用性”

image004EtherCAT的性能有很好的確定性，對(duì)于確定了節(jié)點(diǎn)數(shù)和負(fù)載的應(yīng)用，就有確定的EtherCAT系統(tǒng)性能，而無(wú)需考慮其他不必要的因素。

•    EtheCAT與輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率無(wú)關(guān)。EtherCAT系統(tǒng)性能與傳輸時(shí)間和總數(shù)據(jù)量有關(guān)，而不是數(shù)據(jù)量中輸入輸出數(shù)據(jù)的比率。

•    EtheCAT性能與直接交叉通信的設(shè)備的百分比無(wú)關(guān)。EtherCAT從站物理層選擇交叉索引自適應(yīng)的PHY，所以和“直接交叉通信的設(shè)備的百分比”無(wú)關(guān)，并且系統(tǒng)中無(wú)需全雙工的交換機(jī)及半雙工的HUB設(shè)備。

•    EtherCAT性能受不同的循環(huán)周期的影響，但這種方式是指主站可以優(yōu)化報(bào)文，不同類型的設(shè)備根據(jù)不同的任務(wù)周期發(fā)送數(shù)據(jù)，從而釋放主站的性能。

•    EtherCAT支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、星型、環(huán)型、樹型、線型），且性能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。而且不涉及設(shè)備之間的跳數(shù)的問題，不存在這方面影響。

•    EtherCAT是一網(wǎng)到底，沒有背板總線，因此不存在背板總線的影響。

image004有關(guān)TSN和EtherCAT：

TSN的用武之地在于異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)交換，而在現(xiàn)場(chǎng)總線層的應(yīng)用中，TSN不會(huì)替代EtherCAT。

TSN是Time Sensitive Networking（時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)）的縮寫，是一個(gè)IEEE橋接（“交換技術(shù)”）的工作組的項(xiàng)目。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的基于“Best effort”方式對(duì)普通以太網(wǎng)的應(yīng)用不能夠滿足廣泛的實(shí)時(shí)性需求（例如在音頻/視頻和廣泛的IT通信與EtherCAT系統(tǒng)通訊），所以該工作組旨在通過確定性的研究提升以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性。它有如下特點(diǎn)：

-  在IEEE802.1規(guī)范中，數(shù)據(jù)幀被盡可能快的轉(zhuǎn)發(fā)，避免阻塞。

-  一部分帶寬被預(yù)留為“Stream”（數(shù)據(jù)高速通道），用于傳輸對(duì)時(shí)間要求更高的通訊。

-  剩余的帶寬用于普通的數(shù)據(jù)傳輸（“延遲通道”）。

從上圖中可見，實(shí)時(shí)性是通過在TSN中建立數(shù)據(jù)高速通道實(shí)現(xiàn)的。那么，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)層的數(shù)據(jù)通訊，通常是節(jié)點(diǎn)數(shù)眾多，響應(yīng)要求快，周期性循環(huán)的通訊，如果直接通過TSN連接帶有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，就要求建立n個(gè)數(shù)據(jù)高速通道。這顯然會(huì)影響其他類型的數(shù)據(jù)通訊，并且在網(wǎng)絡(luò)配置方面也是不切實(shí)際的。

TSN真正的用意在于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的搭建。在未來(lái)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或者泛工業(yè)的應(yīng)用中，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要集成不同類型的設(shè)備、不同類型的通訊，這些通訊設(shè)備之間需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性交互時(shí)，正是TSN的用武之地。TSN通過對(duì)TSN交換機(jī)的配置鏈接不同的設(shè)備或者網(wǎng)段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。這種實(shí)時(shí)性通過TSN配置給每個(gè)網(wǎng)段或者設(shè)備的“數(shù)據(jù)高速通道”實(shí)現(xiàn)。因此，TSN嵌入在IEEE 802技術(shù)中有助于協(xié)調(diào)通信，它會(huì)消除一些不必要的沖突，但不會(huì)改變基本規(guī)則。TSN的兩個(gè)主要性能缺陷是無(wú)法改變的，即針對(duì)小數(shù)據(jù)量的以太網(wǎng)幀處理效率以及復(fù)雜且耗時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程。

在對(duì)于機(jī)器的控制中，EtherCAT在典型的IO網(wǎng)段的性能比TSN高出近十倍。EtherCAT作為當(dāng)今zui快速的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線可以和TSN技術(shù)結(jié)合。

如上圖所示，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中涉及到機(jī)器控制（多節(jié)點(diǎn)、高速響應(yīng)、硬實(shí)時(shí)性要求）采用EtherCAT網(wǎng)段，每一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段（含有多個(gè)EtherCAT節(jié)點(diǎn)設(shè)備）通過TSN交換機(jī)建立的一個(gè)高速數(shù)據(jù)通道與主站相連。

這種用法非常，基于共享幀方式的EtherCAT由于網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)從站設(shè)備的數(shù)據(jù)可以在同一個(gè)數(shù)據(jù)幀中傳輸，EtherCAT連到TSN網(wǎng)絡(luò)中后，使得TSN配置更加容易并。整個(gè)EtherCAT網(wǎng)段僅利用了TSN的一個(gè)“高速通道”，并保證了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中EtherCAT網(wǎng)段中所有設(shè)備與其他類型設(shè)備及EtherCAT主站的實(shí)時(shí)通訊。

此外，關(guān)于TSN規(guī)范制定工作還在進(jìn)程當(dāng)中，如下圖，其中一些規(guī)范還處于草稿或者投票等階段，只有一部分規(guī)范對(duì)外發(fā)布。值得注意的是，現(xiàn)階段對(duì)于TSN網(wǎng)絡(luò)的配置工具目前還沒有發(fā)布，有效的TSN網(wǎng)絡(luò)還不能組態(tài)。

為了保證EtherCAT技術(shù)與TSN的適用性，EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)已經(jīng)在2017年底發(fā)布了EtherCAT關(guān)于TSN的設(shè)備行規(guī)。該行規(guī)規(guī)范用于EtherCAT和TSN的使用，文檔中對(duì)已發(fā)布的TSN規(guī)范和EtherCAT技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了定義，此文檔可以在ETG*下載，隨著TSN規(guī)范的完善，此文檔也會(huì)相應(yīng)的更新版本，當(dāng)前版本是ETG.1700 S (D) V0.9.0。

TSN的真正優(yōu)勢(shì)在于增強(qiáng)了包括很多機(jī)器在內(nèi)的本地網(wǎng)絡(luò)的性能。它未來(lái)的發(fā)展必然會(huì)降低當(dāng)前機(jī)器到機(jī)器網(wǎng)絡(luò)器件的復(fù)雜性。這將需要一個(gè)通用的協(xié)議基礎(chǔ)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并且兩者都需要可以在機(jī)器層進(jìn)行有效處理的器件。

在未來(lái)的自動(dòng)化系統(tǒng)中，如何組織通信將比通信特性本身更重要。這就是為什么EtherCAT保留了現(xiàn)有元器件并提供了單獨(dú)對(duì)TSN功能的適配。因此，我們可以支持更強(qiáng)大的功能，并保護(hù)您對(duì)EtherCAT的資產(chǎn)投入。