Tsn что это такое
Решение проблем измерения и управления с помощью TSN
Как считают аналитики, если 50 млрд устройств будет подключено к сетям уже в 2020 г., то на индустриальный сектор будет приходиться почти половина из них. Инженеры и ученые должны обращать особое внимание на внедрение промышленного «Интернета вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT) на производствах, нефтеперерабатывающих заводах, в испытательных лабораториях, электрических сетях и городской инфраструктуре. При этом они могут рассчитывать на получение трех основных преимуществ:
Рассмотрим эти преимущества подробнее.
Сегодня время функционирования наиболее важных объектов часто зависит от их ручного контроля, причем сразу несколькими экспертами по конкретному оборудованию или машине. К сожалению, таких экспертов становится все труднее и труднее найти, а ручной мониторинг не масштабируется по всему парку активов. По имеющимся оценкам, сегодня анализируется только 5% собранных данных. Технологии IIoT помогают выявить возможности использования аналитики и машинного обучения для того, чтобы прогнозировать оставшийся срок службы конкретного производственного актива и планировать его техническое обслуживание задолго до дорогостоящего сбоя в работе.
Второе преимущество IIoT — это увеличение и оптимизация производительности. «Умные» машины, развернутые на производственных линиях или в удаленных зонах, т. е. в «полевых» условиях, должны иметь возможность настраивать такие параметры, как температура или пропускная способность (количество материала, пропускаемого через систему или установку), в зависимости от информации, которую они получают от других машин с верхних уровней иерархии. Наилучший способ повысить производительность таких систем — это полная автономия со стороны машины или производственного актива. Если машины могут учиться — либо перенимая опыт от других машин, либо с помощью собственной практики, — они затем смогут настраивать свои параметры управления и лучше адаптироваться к окружению.
Наконец, третьим преимуществом IIoT является улучшение конструкции и упрощение производства изделий. Это иногда называют «IIoT for R&D» (промышленный «Интернет вещей» для НИОКР). Реальные данные, такие как сведения об использовании, возвращаются непосредственно в оборудование для улучшения следующего поколения продуктов. Однако для того, чтобы получить ценную информацию, нужно не только собирать данные, но и управлять ими. Например, компания Jaguar Land Rover имеет сотни инженеров, которые в совокупности генерируют более 500 Гб т. н. данных временного ряда в день. Раньше компания анализировала только 10% таких данных, но после внедрения IIoT-решения охват увеличился до 95%. Теперь она может решить больше конструктивных проблем в своих изделиях за существенно меньшее время.
Традиционная реализация взаимодействия
Чтобы реализовать преимущества IIoT, разработчики должны освоить и использовать несколько основных технологий. Независимо от того, создаются ли система онлайн-мониторинга (в режиме реального времени), интеллектуальная машина для производства или тестируется физическая электромеханическая система, ключевым моментом является необходимость наличия «умной» периферии. Чем сложнее в итоге получаются системы, тем больше решений нужно принимать в режиме реального времени. Например, возможность получать массивы всех данных в аналоговой форме или сигналы высокого разрешения для структурных испытаний устойчивости лопатки ветровой турбины очень важна для понимания ее реального поведения. В то же время всю эту информацию необходимо обрабатывать для ее ввода в систему управления, которая приводит в действие лопасти турбины, чтобы гарантировать, что испытание проводится в точно определенных условиях. Неудивительно, что эксперты компании IDC, которая занимается изучением мирового рынка информационных технологий и телекоммуникаций, считают, что по меньшей мере 40% всех данных, собранных в рамках IIoT, будет храниться, обрабатываться, анализироваться и использоваться для тех или иных действий непосредственно на уровне сетевой периферии.
Чтобы максимизировать производительность и сократить передачу ненужных данных, необходимо перенести решение к граничным узлам сети, развернутым непосредственно на «вещах» или в непосредственной близости от них. Однако при внедрении таких систем возникают новые проблемы, особенно когда они растут в физических размерах и в количестве датчиков. Продолжая пример со структурными испытаниями: чтобы получить полное представление о том, как будет работать лопасть ветровой турбины в тех или иных условиях, вся конструкция должна быть оснащена датчиками напряжения, давления, нагрузки и крутящего момента. Все эти датчики, как правило, генерируют аналоговые сигналы, а для максимальной информативности этого процесса необходимо проводить измерения с высокими скоростью и разрешением. Для таких крупных приложений, как в приведенном примере, вполне возможно, придется установить по всей системе сотни или даже тысячи датчиков.
Чтобы обеспечить заданные значения для всех исполнительных механизмов, управляющих системой, необходимо не только получить все нужные данные. Для формирования полной и достоверной картины происходящего требуется еще и обрабатывать их в реальном времени.
Таким образом, при попытке разработать такую IIoT-систему возникает сразу несколько проблем:
Эти вопросы становятся все сложнее по мере роста систем, когда добавляются дополнительные возможности для измерения и контроля. Сама по себе синхронизация одной измерительной системы с другой или одной системы управления с другой не является новой задачей. Как правило, этого можно достичь с помощью сигнальных методов, в которых для маршрутизации общей временной базы или сигнала на распределенные узлы используется физическое подключение. К сожалению, такой подход имеет ограничения по расстоянию и масштабируемости, а также влечет высокий риск воздействия шумов и помех на проводное подключение.
Альтернативный подход
Новая технология для решения проблемы синхронизации, выходящая сейчас на рынок, называется time-sensitive networking, или TSN (синхронизируемые по времени сети). TSN — это эволюция стандартного Ethernet, которая по-прежнему предоставляет открытость и совместимость, но добавляет ограничение по задержке и гарантированную пропускную способность, обеспечиваемую жесткой синхронизацией реального времени (рис. 1). В частности, TSN предоставляет три ключевых компонента: синхронизацию по времени, планирование трафика и конфигурацию системы. Возможности синхронизации основаны на профиле протокола IEEE 1588 с точным временем, обеспечивающим уровень микросинхронизации сети, в пределах микросекунды. Кроме того, два других компонента поддерживают детерминированную передачу данных, поэтому пользователи могут планировать и назначать по всей сети приоритеты критически важным по времени данным, таким как, например, сигналы управления.
Рис. 1. Возможности, которые дают синхронизируемые по времени сети
Значимым аспектом TSN является конвергенция критически важного трафика и остального трафика Ethernet (рис. 2). Поскольку TSN имеет все признаки стандарта Ethernet, новые возможности синхронизации времени и детерминированной коммуникации работают в рамках той же сети, что и остальная сетевая коммуникация. Это означает, что один порт в системе измерения или управления может осуществлять детерминированную связь, одновременно обновляя терминалы удаленного пользовательского интерфейса и поддерживая передачу файлов.
TSN — это ключевое усовершенствование для многих индустриальных приложений, таких как управление производственными и технологическими процессами и машинами. В подобных случаях низкая латентность связи и минимальный джиттер имеют решающее значение для удовлетворения требований к управлению с замкнутым циклом регулирования. Синхронизация по времени через Ethernet также минимизирует кабельную разводку, традиционно используемую при мониторинге и тестировании физических систем. В результате получается более простое и экономичное решение без ущерба для общей надежности.
Рис. 2. Важным аспектом синхронизируемых по времени сетей является конвергенция критически важного трафика и текущего трафика Ethernet
Внедрение TSN — это, безусловно, огромный шаг вперед в решении всех проблем, связанных с синхронизацией внутри систем. Еще одна причина, по которой разработчики все чаще склоняются к выбору TSN, — это снижение общей сложности системы при сохранении или повышении ее надежности. В нашем примере структурных испытаний ветровой турбины можно разработать приложение для использования систем измерения и контроля на основе TSN, но при этом все еще существует проблема программирования этих двух одновременно применяемых решений в соответствующих им средах и механизмах сбора данных.
Решение проблемы в будущем
Однако в последние несколько лет наблюдается медленная конвергенция систем измерения, управления и контроля. Новые возможности были добавлены к каждому из этих аспектов, так что все больше измерительных систем может выполнять функции управления, и наоборот. Такое сближение систем измерения и управления будет все в большей степени влиять на приложения IIoT в будущем. Необходимость развертывания обеих систем по отдельности будет исключена. Измерение и управление можно будет выполнить с использованием единой программной инструментальной цепочки, разработанной для получения, обработки, регистрации и соответствующего реагирования на поступающие данные.
Кроме того, наличие отдельных систем измерения и управления делает системы более сложными, поскольку необходимо создать две независимые системы, зачастую применяя разрозненные программные средства. Затем эти системы должны быть объединены, что приводит к дополнительным кабелям и связанным с ними проблемам.
Вместо этого следует рассмотреть возможность создания и использования полностью консолидированной платформы измерения, контроля и управления. Она должна предлагать широкий спектр измерения, точность, масштабируемость канала и обеспечивать синхронизацию ввода/вывода измерительной системы. Также должны быть доступны конфигурируемость и настройка системы управления под конкретные требования и решаемые ею задачи. Используя такую платформу, инженеры-испытатели, менеджеры по техническому обслуживанию и проектировщики машин и оборудования будут иметь в своем распоряжении все необходимые инструменты для того, чтобы в полной мере реализовать преимущества IIoT, одновременно уменьшив стоимость и сложность его развертывания.
TSN – будущее промышленных сетей
Тренд: переход на цифровые технологии
На сегодняшний день сложно представить современное производство, на котором не используется оцифровка всех данных с аналоговых датчиков и передача их в систему управления на верхний уровень. Такой подход получил название «Индустрия 4.0» или «Промышленный Интернет вещей» (IIoT). Продолжая развитие этого подхода, организации, которые занимаются развитием сетевых технологий и стандартов в этой области пришли к выводу, что огромное разнообразие протоколов и закрытых стандартов тормозит развитие и усложняет процесс внедрения решений по автоматизации. Также появляются новые требования к получению данных в реальном времени.
Переход к IIoT и Промышленности 4.0
Пирамида автоматизации
В текущей модели процессы промышленной автоматизации образуют пирамиду, в которой отдельные специализированные протоколы решают конкретные задачи на разных уровнях. Однако эта модель порождает ряд проблем инфраструктуры для современных промышленных сетей. Устройства в сети говорят на разных «языках», что затрудняет связь в реальном времени.
Автономная пирамида
С появлением чувствительных ко времени сетей (TSN) стандартные сети Ethernet смогут предоставлять детерминированные услуги и объединять «островки автоматизации», которые ранее были изолированы друг от друга многочисленными «проприетарными» протоколами.
Что такое TSN?
Time Sensitive Networks (TSN) представляет собой набор стандартов, которые обеспечивают обмен стандартизированными сообщениями в обычных сетях Ethernet. По определению Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE), TSN представляет собой форму управления сетевым трафиком, которая обеспечивает строго определенное время задержек при передаче. Следовательно, все устройства в сети TSN должны быть синхронизированы друг с другом от единого эталона времени для поддержания связи в реальном времени.
4 основных принципа сетей TSN
Синхронизация времени 802.1AS
Как следует из названия, все устройства в сети должны быть синхронизированы от общего эталона времени и образовывать единую и функционально совместимую инфраструктуру, которая составляет основу всей ее работы.
Фиксированная низкая задержка
Сети TSN обеспечивают гарантированную и своевременную доставку чувствительного к задержкам трафика.
Для реализации и поддержки всех аспектов детерминированной сетевой среды был определен набор компонентов для обеспечения оптимальной надежности и безопасности.
Когда сеть и приложения становятся более конвергентными и более масштабными, требуются дополнительные инструменты для обеспечения лучшей управляемости и видимости.
Часто задаваемые вопросы по TSN
Подходят ли обычные Ethernet коммутаторы для TSN или потребуются ли специальные коммутаторы?
Нужны специализированные коммутаторы, которые поддерживают технологии TSN на аппаратном уровне. Если в коммутаторе уже установлено железо, которое соответствует требованиям TSN, то теоретически можно обновить прошивку для поддержки TSN. В будущем все новые модели коммутаторов MOXA будут выходить с поддержкой TSN.
Какие кабели нужны для сетей TSN?
Прокладывать специальные кабели не требуется, подойдут стандартные кабели “витая пара”.
MOXA принимает участие в исследованиях и разработке TSN совместно с партнерами
Moxa является одним из первых членов консорциума OPC Foundation, и продолжает поддерживать инициативу по расширению OPC UA и технологии TSN. Организация OPC UA Foundation занимается развитием всех аспектов экосистемы OPC UA TSN, от полевых устройств до облачных технологий, что позволит создать действительно унифицированную сетевую инфраструктуру для задач автоматизации.
Совместные испытательные стенды
Компания MOXA стремится к созданию инновационных технологий и решений в области промышленной связи, и сотрудничает с другими лидерами отрасли для тщательной проверки функциональной совместимости своих TSN решений с оборудованием различных поставщиков, а также для обеспечения стабильности и надежности разрабатываемых решений перед выходом на рынок.
Ответственный подход MOXA
Компания MOXA всегда с энтузиазмом относилась к созданию инновационных технологий и решений в области промышленной связи. Ради развития технологии TSN, компания Moxa присоединилась к участию в четырех наиболее значимых в мире испытательных стендах TSN, чтобы обеспечить стабильность и надежность своих решений перед выходом на рынок. Moxa является одним из первых членов консорциума OPC Foundation, и продолжает поддерживать инициативу по расширению OPC UA, включая TSN, до полевого уровня.
Компания Moxa постоянно участвует в развитии технологий TSN, прокладывая путь к IIoT/Industry 4.0 с унифицированной, открытой, стандартной инфраструктурой Ethernet для наших клиентов.
СОДЕРЖАНИЕ
История
История ранних веков
Приобретение CTV, расширение
Приобретение Bell, TSN Radio
Утрата национальных прав в НХЛ, расширение в региональную службу
Критики сочли этот шаг Роджерса серьезным ударом по Bell и TSN, продемонстрировав обеспокоенность по поводу того, как сеть могла бы поддерживать себя без того, что считается ключевым свойством в канадском спортивном вещании. Тем не менее, они также признали сохраняющиеся права сети на хоккейные турниры ИИХФ (включая популярные чемпионаты мира по хоккею среди юниоров ), Канадскую футбольную лигу (которая продлила свой контракт с TSN, не допуская сторонних участников торгов в 2013 году, и чей текущий контракт действует до 2018 года), и растущий региональный портфель прав TSN на НХЛ, включая Maple Leafs, который, начиная с того же сезона, будет транслировать 26 игр на TSN за сезон. В серии сообщений в Твиттере Боба Маккензи из TSN он объяснил, что даже с потерей национальных прав в НХЛ цель TSN состояла в том, чтобы оставаться «источником всего хоккея» благодаря своим программам анализа и региональному охвату, и что это не было это первый раз, когда TSN потеряла свои права на кабельное телевидение на НХЛ (потеряв их на время CTV Sportsnet после запуска в 1998 году).
7 июня 2018 г. компания TSN объявила, что будет предлагать свои каналы в рамках услуги по подписке под торговой маркой «TSN Direct».
каналы
Текущие каналы TSN и любые программы, уникальные для каждого канала в соответствии с текущими телевизионными расписаниями TSN (с учетом преимущественного права ESPN или TSN из-за прямых трансляций), показаны ниже.
Бывшие каналы
Программирование
Студия программирования
Значительные права на внутреннее вещание
Хоккей
TSN продолжает заключать четыре региональных договора о правах на английском языке:
Эти игры подлежат отключению за пределами определенных домашних рынков команд.
Футбол
Баскетбол
TSN разделяет права на Национальную баскетбольную ассоциацию (NBA) и Toronto Raptors с Sportsnet в силу канадских медиа-прав лиги, находящихся под управлением MLSE, владельца Raptors.
TSN чередовал трансляцию финала НБА 2019 года со Sportsnet, в котором Toronto Raptors выиграли свой первый в истории чемпионат НБА. TSN транслировал решающий матч 6, который в среднем посмотрели 7,7 миллиона зрителей, что стало самой популярной телетрансляцией НБА в истории Канады.
Футбольный
В 2017 году TSN продлила на 5 лет свои права на трансляцию в Высшей футбольной лиге.
Другой
Значительные права на международное вещание
Помимо освещения событий в Канаде, TSN также транслирует международные спортивные мероприятия (в основном американские), часто одновременно транслируемые другими вещательными компаниями.
TSN совместно со Sportsnet владела канадскими правами на участие в Премьер-лиге до истечения срока действия контракта после сезона 2018–19.
В сезоне 2014–15 гг. TSN начала транслировать пакет хоккейных игр колледжей I дивизиона NCAA, включая игры регулярного сезона (в основном транслируемые одновременно региональными спортивными сетями ), а также турниры NCAA и Frozen Four (права которых принадлежат ESPN).
1 февраля 2011 года TSN объявили, что они приобрели права на Тур де Франс в рамках «многолетней» сделки, которая в конечном итоге продлилась три года; права были приобретены Sportsnet в 2014 году.
Профессиональная борьба
Tsn что это такое
Смотреть что такое «TSN» в других словарях:
TSN — est une chaîne de télévision sportive canadienne lancée le 1er septembre 1984. Sa version française et le Réseau des sports (RDS), fameuse pour diffuser les matchs de hockey sur glace au Québec. Lien externe Site officiel … Wikipédia en Français
TSN — steht für: den IATA Code des Flughafens von Tianjin Typschlüsselnummer Time since new (Betriebszeitangabe) den kanadischen Fernsehsender The Sports Network Diese Seite ist … Deutsch Wikipedia
tsn — ISO 639 3 Code of Language ISO 639 2/B Code : tsn ISO 639 2/T Code : tsn ISO 639 1 Code : tn Scope : Individual Language Type : Living Language Name : Tswana … Names of Languages ISO 639-3
TSN — trackline single unit non return; track supervision net … Military dictionary
TSN — The Sports Network (Community » Media) * Tyson Foods, Inc. (Business » NYSE Symbols) * Targeting Social Need (Community) * Toronto Sports Network (Community » Media) * Tswana (Regional » Language Codes (3 Letters)) * Total Sports Network… … Abbreviations dictionary
TSN — Tianjin, China internationale Flughafen Kennung … Acronyms
TSN — Tianjin, China internationale Fughafen Kennung … Acronyms von A bis Z
TSN — abbr. Theater Support Node … Dictionary of abbreviations
TSN — • track line search, non return … Maritime acronyms and abbreviations
TSN — agricult. abbr. Tryptone Sulphite Neomycin dairy abbr. Tryptone Sulphite Neomycin abbr. Task Sequence Number (BS2000) … United dictionary of abbreviations and acronyms
TSN: конвергентные сети для улучшения работы IIoT
Внедрение индустриального «Интернета вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT), безусловно, порождает определенную долю проблем, одной из которых является конвергенция сетей чисто информационных технологий (Information Technology, ИТ) и сетей операционных технологий (Operational Technology, OT), управляющих технологическими процессами на предприятии. В настоящее время эти сети зачастую существуют сами по себе и функционируют раздельно. При этом выделенные шлюзы обеспечивают им ограниченную связь в каждом направлении. Однако для использования киберфизических систем они должны тесно контактировать, работать в тандеме, как единое целое.
Как известно, текущая архитектура управления средствами промышленной автоматизации является иерархической. Здесь приложения, ответственные за планирование ресурсов предприятия (Enterprise Resource Planning, ERP), находятся на самом высоком уровне и обеспечивают интегрированное управление и автоматизацию бизнес-процессов, вплоть до автоматизированных систем управления производственными и технологическими процессами (Manufacturing Execution System, MES), которые контролируют непосредственно сам производственный процесс. Здесь задачи автоматизации выполняют программируемые логические контроллеры (ПЛК). Для этого они используют подключенные в сеть устройства, такие как электроприводы, различные датчики или устройства входа/выхода (I/O), которые находятся на самом низком уровне в иерархии. Эти уровни в целом часто называют «Пирамидой автоматизации» (рис. 1), представляющей все множество устройств нижних уровней и высокопроизводительные компьютерные системы в ее верхней части. Сами слои или, как их еще называют, уровни пирамиды иллюстрируют ступени в рамках этой сложной иерархии.
Рис. 1. Пирамида автоматизации иллюстрирует типичное предназначение сетей в рамках иерархии управления предприятием
Различные уровни в рассматриваемой пирамиде имеют и разные требования к сети. В то время как более высоким уровням требуется более высокая пропускная способность и гибкие сетевые топологии, нижние уровни нуждаются в детерминированном поведении и возможности передачи выборок данных в постоянные интервалы времени с низкой вариацией времени задержки передаваемых пакетов данных. Это и приводит к созданию нескольких отдельных сетей, которые работают бок о бок.
Рассматриваемая в данной статье конвергентная сеть будет решать сразу несколько проблем, которые в настоящее время присутствуют в имеющейся на текущий момент разрозненной сетевой архитектуре:
Эта конвергенция обеспечивается технологией Time Sensitive Networking (TSN), подразумевающей в своей основе времячувствительную сеть. TSN представляет собой развитие стандартов группы IEEE 802.1 и обеспечивает очень строгую синхронизацию и детерминированную связь по Ethernet между участниками распределенной сети без каких-либо дополнительных соединений, сохраняя тем самым в рамках одной и той же сети максимальные преимущества в части коммуникации. С этой целью TSN вводит разные классы трафика, которые используют одну и ту же линию связи. Конфигурация сети TSN резервирует ресурсы для потоков с детерминированными временными характеристиками. Таким образом, она позволяет реализовать одну общую сеть, поддерживающую несколько стандартов связи.
Такая сеть, по сравнению со стандартным Ethernet, открывает широкие возможности для целого ряда улучшений. Как известно, стандартная связь Ethernet по своей природе не зависит от времени. Здесь данные распределяются по всей ширине полосы пропускания канала связи пакетами, поставленными в очередь для их передачи. TSN согласовывает информацию о времени с запланированным трафиком при настроенных временных смещениях, организовывая передачу циклическими интервалами. Это реализуется расписанием (временным графиком) передач, сформированным контроллером сетевой конфигурации. Дальнейшие функции TSN включают фильтрацию и контроль объемов трафика в сети для потоков TSN, бесшовное сокращение (избыточность) и поддержку циклической передачи данных, а также обеспечивают приоритетное прерывание обслуживания при поступлении пакетов с более высоким назначенным приоритетом.
Как уже было сказано, технология TSN определяется набором стандартов IEEE 802.1, которые определяют ее имплементацию (табл.). По состоянию на сентябрь 2017 г. четыре из этих стандартов приняты, а остальные по-прежнему находятся на различных этапах реализации в группах по разработке технического задания и в рабочих группах.
Таблица. Стандарты IEEE TSN
Стандарты IEEE и проекты
Наименование
Преимущества для пользователя
IEEE 802.1AS (переход на P802.1ASrev)
Network Time Synchronization (Тактирование и синхронизация, протокол точного времени)
Все узлы сети обслуживаются одновременно.
Scheduled Traffic (Формирование временных меток)
Наличие графика раздачи Ethernet-кадров устраняет коллизии.
Filtering & Policing (Политика входа на основе временных меток)
Удаляет перегруженность и помехи в сети (повышение безопасности).
Seamless Reluctance (Бесшовное сокращение, копирование и ликвидация кадра для повышения надежности)
Переключение между протоколами без потерь данных.
Stream Reservation (Расширенный протокол резервирования потока)
Предоставление маршрута согласно правилам протоколов IEEE.
IEEE 802.1Qbu и IEEE 802.3br
Frame Pre-emption (Приоритетное прерывание кадра)
Максимальная полоса пропускания канала в реальном времени без компромиссов.
Протоколы указанных в таблице стандартов реализуются через физический уровень Ethernet (IEEE 802.3 Physical layer) и поддерживают звездообразные, цепные, кольцевые и смешанные топологии. При этом они не ограничиваются конкретной скоростью передачи данных. Индустриальные приложения будут использовать в основном скорость передачи данных 100 Мбит/с и 1 Гбит/с. Таким образом, TSN обеспечивает конвергенцию между ИT- и OT-сетями. Межсетевая конвергенция, как уже было сказано выше, сокращает общие затраты на реализацию сети, что значительно снижает также стоимость ее использования и текущего обслуживания.
Имплементация технологии TSN
Для правильной реализации всех преимуществ технологии TSN требуется решение, которое может обеспечить малую задержку и детерминированный ответ в конечных точках сети и мостах TSN. Эту задачу могут решать многие приложения. Как правило, применяется метод комбинирования процессора и программируемой логики архитектуры FPGA (Field Programmable Gate Array), которые подключены по высокоскоростному каналу, например PCIe. Однако такое двухчиповое решение не только увеличивает занимаемое пространство на плате, но и повышает энергопотребление, увеличивает время разработки и стоимость. Оно также не позволяет выполнить разработку целостного, полностью интегрированного решения. Кроме того, разделение решения между двумя устройствами увеличивает сложность его тестирования и конечной верификации.
Чтобы избежать этих проблем, разработчики таких сетей для реализации своих решений выбирают альтернативные варианты, а именно — использование FPGA Zynq-7000 и Zynq UltraScale+ MPSoC, которые представляют собой полностью программируемые системы на кристалле (SoC). Эти устройства объединяют в себе систему обработки (Processing System, PS) и программируемую логику (Programmable Logic, PL) и предназначены для реализации приложений сбора, управления и обработки данных. Они обеспечивают:
Устройства Zynq также поддерживают любое взаимодействие и возможность объединения PS и PL.
Если посмотреть более пристально на SoC, предлагаемые компанией Xilinx, то они включают в себя подсистему TSN 1G/100M LogiCORE IP, которая состоит из логики FPGA для MAC, мост и конечную точку TSN. Решение TSN с выделенными логическими ресурсами гарантирует, что временное поведение такой системы будет строго детерминировано.
Программное обеспечение, которое работает в области PS, предназначено для сетевой синхронизации, инициализации и взаимодействия с контроллерами сетевой конфигурации для целей резервирования потока. Программное обеспечение предназначено для работы на PetаLinux (дистрибутив Linux, поддерживаемый компанией Xilinx) и будет опубликовано для сборок Yocto.
LogiCORE IP также имеет дополнительный интегрированный коммутатор уровня 2 (L2-switch) с синхронизацией по времени, который без выделения другого порта на внешнем коммутаторе TSN создает цепочку или топологию дерева, требуемую во многих индустриальных приложениях. Для бесшовной избыточности (протокол P802.1CB) также может потребоваться еще и дополнительный порт. Перед синтезом, с полным IP (рис. 2), пользователь может свободно конфигурировать систему исходя из того, должен ли быть интегрирован коммутатор или нет.
Рис. 2. Синхронизирующийся по времени сети сетевой IP-интерфейс, интегрированный в систему на кристалле Zynq-7000 и Zynq UltraScale+ MPSoC компании Xilinx
После завершения разработки ядро TSN IP обеспечивает отдельные порты потоковой передачи AXI для каждого класса трафика, при этом поддерживаются плановый трафик, зарезервированный трафик и привилегированный трафик с максимальной поддержкой. Потоковые порты AXI подключаются к инфраструктуре, которая представлена в среде проектирования Vivado Design Suite от Xilinx. А для конфигурации блоков TSN используется интерфейс AXI Lite.
Полностью готовая к использованию и имплементации для целей оценки система включает в себя прямой доступ к памяти (DMA) отдельно для каждого из классов трафика. Система оценки, представленная на рис. 3, может использоваться для проверки поведения компонентов Xilinx как самостоятельно, так и в сочетании с оборудованием сторонних производителей или с анализаторами протоколов.
Рис. 3. Реализация TSN для целей оценки (с использованием Zynq UltraSCALE+ MPSoC)
Поскольку область PL является достаточно гибкой, она также предоставляет возможности обновлять ядро IP, как того требуют стандарты TSN, а также по результатам тестирования на соответствие специфическим требованиям конкретного сегмента рынка. В отличие от использованного подхода устройства с фиксированными аппаратными реализациями, например пользовательские ASIC (интегральная схема, специализированная для решения конкретной задачи) и стандартные приложения для конкретных приложений или ASSP (стандартная интегральная схема, ориентированная на конкретное приложение), не имеют возможности вводить функциональные изменения в эволюцию TSN.
Чтобы продемонстрировать возможности ядра TSN IP в действии, Xilinx создала демонстрационное приложение для обеих плат разработки ZCU102 и ZC702. Подключение двух этих плат (рис. 4) позволяет передавать и получать сетевой трафик, что дает возможность проверить функционирование и выполнить валидацию TSN-сети.
Рис. 4. Система оценки функционирования сети TSN
С целью облегчения проектирования и имплементации TSN консорциум промышленного Интернета (Industrial Internet Consortium, IIC), членом которого является Xilinx, предлагает специальный стенд. Данное оборудование предназначено для тестирования сетей технологии TSN, с его помощью компании могут проводить проверку ее совместимости с оборудованием от различных поставщиков, а также тестирование высокопроизводительных и критичных к задержкам передачи и обработки информации приложений. Это тестирование может происходить как в официальном порядке, так и на одном из двух постоянных испытательных стендов, расположенных в США или Европе.
Заключение
Для того чтобы имплементировать развертывание киберфизических систем в рамках «Индустрии 4.0» и IIoT, необходимо обеспечить конвергенцию между ИТ- и промышленными OT-сетями. В этом плане предлагаемая технология TSN позволяет сблизить эти сети, обеспечивая тем самым значительные преимущества в отношении сетевого подключения, масштабируемости, стоимости развертывания и обслуживания таких сетей.