Il TSN (Time-Sensitive Networking) è un’estensione Ethernet definita dall’IEEE e progettata per rendere più deterministiche le reti basate su Ethernet. Settori come l’automotive, l’industria e l’audio ad alte prestazioni, che utilizzano la comunicazione in tempo reale con più dispositivi di rete, potranno trarre vantaggio da questo standard.
Il mondo consumer ed enterprise della comunicazione Ethernet ed Ethernet wireless dipende dalla larghezza di banda. Ad esempio, durante la navigazione in Internet, è accettabile un ritardo variabile prima che inizi la riproduzione del video. Sebbene sia preferibile poter interagire rapidamente, per l’utente medio è accettabile se un clic su 100 presenta prestazioni di un ordine di grandezza inferiore, ma se un video risulta di cattiva qualità o addirittura viene interrotto, il consumatore tipico sarà frustrato dall’esperienza.
Ritardi non frequenti sono invece inaccettabili nei sistemi di controllo come quelli utilizzati su automobili, linee di produzione o sale da concerto. Gli aspetti più importanti per questi sistemi sono la latenza e il jitter o la variazione della latenza dei dati di controllo sulla rete. Il tempo massimo impiegato da un pacchetto per raggiungere la destinazione nel sistema definisce il ciclo di comunicazione o la frequenza di controllo nella rete.
Le dimensioni e la topologia della rete possono essere fisse (per una determinata applicazione) o variabili. Internet è l’esempio peggiore per quanto riguarda il numero di nodi e il percorso che un pacchetto segue sulla rete. La latenza è nell’ordine dei secondi, mentre il jitter è molto alto quando il trasferimento di un pacchetto su Internet viene ripetuto.
Al contrario, la comunicazione Ethernet deterministica in tempo reale limita in genere il numero di dispositivi connessi alla rete. Utilizzando una macchina utensile come esempio di un prodotto integrato, il numero di motori collegati con Ethernet a un singolo elemento hardware di controllo è inferiore a 100. I nuovi parametri di controllo dei motori vengono scambiati ogni 250 μs. Questa configurazione fissa e pre-ingegnerizzata richiede l’uso di una rete Ethernet deterministica in tempo reale con tempi di ciclo brevi e distribuzione di clock ad alta precisione. I sistemi di produzione in un moderno stabilimento sono completamente connessi tramite Ethernet in tempo reale.
Una rete sensibile al fattore tempo è una tecnologia chiave per la connessione di vari sistemi di controllo in tempo reale
Sebbene i requisiti dei sistemi di controllo siano diversi in termini di scala, tempo di ciclo e accuratezza, essi possono utilizzare la stessa interfaccia di comunicazione per trasferire i dati in modo deterministico. Molti sensori e attuatori sono distribuiti all’interno del sistema di controllo e possono connettersi direttamente a Ethernet in tempo reale oppure ad un concentratore sulla rete Ethernet in tempo reale tramite connessioni punto-punto seriali. Il TSN, con le sue prestazioni di rete deterministiche, rappresenta una buona scelta per l’uso «sul campo» negli spazi produttivi di una fabbrica.
L’elevato numero di sensori e attuatori collegati del sistema di controllo industriale costituisce una delle sfide chiave per la configurazione di una rete TSN.
Il TSN offre la capacità di classificare i flussi e taggarli con la consegna deterministica sulla rete. In un caso ideale, una rete convergente ospita classi di flusso diverse in un unico dominio TSN, ma per prima cosa è necessario comprendere le funzioni fondamentali del TSN prima di affrontare le questioni di ingegnerizzazione della rete.
I principi del TSN
L’Ethernet IEEE 802, combinata con Internet Protocol, ha rappresentato una storia di successo come pochi altri nel settore tecnologico. Gli unici sfidanti al suo dominio sono state le tecnologie più sofisticate nelle aree del determinismo e della qualità del servizio, come la modalità di trasferimento asincrona (ATM, Asynchronous transfer mode), la Token ring e RapidIO®. Il TSN è un set composto da circa 12 standard IEEE 802 il cui scopo è considerare il determinismo e la qualità del servizio senza compromettere i punti di forza di Ethernet, come l’interoperabilità.
Il TSN è una soluzione a livello di rete locale (LAN) che può funzionare con Ethernet non TSN, ma la tempestività è garantita solo all’interno della LAN TSN. È possibile raggruppare gli standard TSN in base al caso d’uso che essi affrontano: una visione comune del tempo, la massima latenza garantita o la coesistenza con il traffico in background o di altro tipo.
Come ogni standard diffuso, l’insieme di standard del TSN è in evoluzione; alcuni singoli standard, come 802.1AS-Revision (Rev), non sono ancora stati approvati, mentre sono in corso di introduzione nuovi shaper alternativi. A causa di questa continua evoluzione, al momento di scegliere una soluzione è importante considerare la capacità di aggiornamento della soluzione stessa al fine di supportare gli standard nuovi o modificati.
Come mostrato in Figura 2 alla pagina seguente, l’Ethernet IEEE 802, incluse le funzionalità TSN, è una tecnologia layer 2 o per livello di collegamento dati. Le applicazioni necessitano di un protocollo di livello superiore come UDP/IP o PROFINET al di sopra del TSN (Figura 4).
802.1AS-Revision – Temporizzazione e sincronizzazione per applicazioni time-sensitive
Tutti i dispositivi in una rete che prevedono la trasmissione di pacchetti deterministici necessitano di gestire la temporizzazione in modo condiviso. Il master o i master di clock distribuiscono la temporizzazione tramite pacchetti Ethernet a tutti i dispositivi nella rete che eseguono il Best Master Clock Algorithm (BCMA).
802.1AS-Rev è un sottoinsieme strettamente definito o un profilo di temporizzazione di precisione 1588v2 tramite pacchetti. Le aggiunte di 802.1AS-Rev a 802.1AS aggiungono il supporto per più di un dominio del tempo e il supporto per one-step in aggiunta al two-step. L’hardware sottostante deve supportare l’apposizione di marcatempo ai pacchetti trasmessi e ricevuti con la massima precisione possibile. Per la segnalazione di un ritardo one-step, l’hardware deve anche essere in grado di inserire un marcatempo nel pacchetto. Per la segnalazione di ritardo two-step, il marcatempo di trasmissione è incluso in un pacchetto successivo, in alcuni casi riducendo il carico di pacchetti creato dalla sincronizzazione tramite pacchetto.
802.1AS-Rev include la misurazione del ritardo della linea peer-to-peer e il calcolo del ritardo del bridge. Oltre al marcatempo, il resto della 802.1AS-Rev viene in genere implementato in software o firmware eseguiti su un core dedicato. L’implementazione di TSN per i processori Sitara di Texas Instruments (TI) supporta la 802.1AS. La 802.1AS-Rev e la segnalazione di ritardo one-step saranno supportate in una versione successiva dell’SDK del processore.
802.1Qbv – Miglioramenti per il traffico programmato
Il TAS (time-aware shaper) rende gli switch consapevoli del tempo di ciclo per il traffico in tempo reale. Un programmatore per ciascuna porta di uscita per pacchetti crea una finestra periodica durante la quale non vi è traffico interferente. L’implementazione del TSN di TI per i processori Sitara supporta il TAS, che è principalmente una funzionalità hardware, con uno stack software per la configurazione dello shaper hardware in ciascuna porta bridge e ciascun talker.
802.1Qbu – Prelazione dei frame e 802.3br – Interposizione del traffico espresso
Ethernet è una rete store-and-forward. Una volta che un pacchetto inizia a passare sul filo, impedisce ad altri pacchetti di passarvi sino al raggiungimento della fine del pacchetto. Ad esempio, una rete da 100 Mbps e una dimensione tipica del pacchetto MTU (Maximum Transmission Unit) di 1,5 kB creano un blocco all’inizio della linea di circa 120 ms (1,5 kB/100 Mbps), che è possibile ridurre in modo lineare con collegamenti ad alta velocità, sebbene anche le reti a 1 Gbps possano avere come risultato un jitter pari a decine di microsecondi.
Per ridurre i problemi di blocco all’inizio della linea, l’IEEE ha definito la prelazione dei frame (802.1Qbu) e il relativo standard per il layer fisico con interposizione del traffico espresso (802.3br). Solo il traffico espresso può effettuare la prelazione, fornendo una latenza garantita per il traffico espresso.
La commutazione «cut-through», TAS e la prelazione dei frame sono le tecnologie fondamentali per ridurre la latenza nel caso peggiore, anche in una rete con topologia a lunga daisy-chain. L’implementazione del TSN di TI per i processori Sitara supporta la commutazione cut-through, la prelazione dei frame e l’interposizione del traffico.
802.1Qch – Accodamento e inoltro ciclici
L’accodamento e l’inoltro ciclici definiscono ritardi completamente deterministici per tutti i flussi. L’implementazione del TSN di TI per i processori Sitara non supporta inizialmente 802.1Qch, ma propone invece l’utilizzo di 802.Qbv (TAS) e una rete completamente gestita per evitare il traffico interferente.
802.1CB – Replica ed eliminazione dei frame per l’affidabilità
Le tipiche reti Ethernet si basano su protocolli di livello superiore come la ritrasmissione TCP (Transmission Control Protocol) per il ripristino da frame Ethernet persi e l’STP (Spanning Tree Protocol) per la costruzione di nuovi percorsi attraverso la rete. Entrambi gli approcci portano a sacrificare una quantità di tempo non deterministica per consegnare il frame.
Il TSN sfrutta la ridondanza per garantire la latenza anche in presenza di guasti a punto singolo come cavi tagliati o interruttori interrotti. Per garantire in modo proattivo la consegna di frame all’interno di una topologia LAN con percorsi multipli, 802.1CB fornisce ridondanza duplicando selettivamente i frame per il mittente e, quindi, scartando il duplicato a destinazione. 802.1CB è compatibile con le reti industriali già esistenti in cui i protocolli di ridondanza precedenti come HSR (High-Availability Seamless Redundancy) e PRP (Parallel Redundancy Protocol) non fornivano alcun impatto sulla latenza in seguito ai guasti a punto singolo. TI supporta HSR e PRP sul sottosistema dell’unità programmabile in tempo reale e sul sottosistema di comunicazione industriale (PRU-ICSS) presenti sui processori Sitara. Il supporto per 802.1CB sarà disponibile in una versione successiva dell’SDK del processore.
802.1Qcc – Miglioramenti e prestazioni del protocollo di prenotazione del flusso
Il TSN utilizza tre etichette identificative: ID del flusso, indirizzo di destinazione del flusso e classe di traffico.
1. L’ID del flusso è l’indirizzo di origine MAC (Media Access Control) concatenato con un handle a 16 bit.
2. L’indirizzo di destinazione del flusso è l’indirizzo di destinazione MAC concatenato con l’ID della LAN virtuale (VLAN) (802.1Q – Supporto VLAN). Gli indirizzi sono di solito indirizzi gestiti localmente o indirizzi multicast.
3. I bit di priorità VLAN, che in genere utilizzano solo una o due classi, determinano la classe di traffico.
L’ID del flusso è l’identificativo univoco utilizzato dalla gestione delle risorse. L’indirizzo di destinazione del flusso e la classe di traffico identificano il percorso dei dati.
802.1Qcc supporta un modello di configurazione centralizzato con una configurazione utente centralizzata (CUC).
Una configurazione di rete centralizzata (CNC) calcola l’allocazione delle risorse e la disponibilità, e configura i bridge.
Sono possibili architetture alternative: talker e listener che dialogano direttamente con il CNC o addirittura un’architettura completamente distribuita. Un’architettura centralizzata e un protocollo di gestione della rete basato su YANG (YANG è un linguaggio di modellazione dei dati per la configurazione di rete sviluppata da IETF e definito in RFC 7950), come RESTCONF o NETCONF utilizzati su uno stack di rete sicuro standard come Transport Layer Security (TLS), sono soluzioni probabili.
L’impatto del TSN sull’Ethernet industriale
Il TSN aggiunge funzionalità in tempo reale alle funzionalità Ethernet IEEE standard, un tempo disponibili solo su bus di campo industriali specializzati (detti anche Ethernet industriale). Il TSN non elimina la necessità del protocollo utilizzato a livello superiore rispetto ad Ethernet né lo sostituisce. L’interfaccia con il software è un buon esempio. Per il protocollo TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), un socket BSD (Berkeley software distribution) è diventato l’interfaccia standard con TCP/IP e networking in generale, dimostrando la propria portabilità e scalabilità per un’ampia gamma di applicazioni.
Un’applicazione HTTP (Hypertext Transfer Protocol) funziona senza modifiche durante la lettura da un file locale o tramite Internet, ma questi socket non sono necessariamente interfacce rilevanti per un protocollo che dia la priorità a risolvere la latenza nel caso peggiore e ad esporre il concetto di tempo fino all’applicazione. Ad esempio, il protocollo Ethernet industriale PROFINET prevede che l’Ethernet abilitato per il TSN sia un solo livello di collegamento dati su cui eseguire il protocollo.
Il TSN IEEE definisce la funzionalità di livello 2 e la commutazione a livello LAN, compreso il concetto di tempo. Ciò che non definisce è l’interfaccia software con cui configurare queste funzionalità hardware. In pratica il software di gestione per uno switch del fornitore A dovrà utilizzare una API (Application Programming Interface) verso un’altra API per il fornitore B.
Una seconda area, forse ancora più unica nel suo genere, al di fuori delle specifiche IEEE si concentra sul concetto di latenza e sulla variazione o sul jitter della latenza nel software del percorso dati. Come già menzionato, i socket precedenti sono ottimi, ma non tentano nemmeno di affrontare le questioni del tempo reale o della latenza.
È molto probabile che l’architettura API e software intorno al percorso dati per le reti TSN si evolva con il passare del tempo. La soluzione TSN programmabile basata su PRU-ICSS affronta sia la parte di stack software della latenza sia la configurazione e la gestione in modo incrementale. La soluzione TSN è in grado di adattarsi a un’architettura software che richiede un meccanismo di buffer molto specifico per il tempo reale, supportando al tempo stesso il networking Linux mainline in parallelo. Pertanto, una volta che Linux sia in grado di sfruttare più funzionalità in tempo reale, una soluzione programmabile può adattarsi alla nuova architettura software. TI sta lavorando all’interno del gruppo Linaro per rendere possibile un maggiore determinismo e creare un’API di configurazione open-source per l’hardware TSN.
I protocolli Ethernet industriali come PROFINET ed EtherNet/IP presuppongono già l’uso del bridge di apprendimento Ethernet IEEE come tecnologia di commutazione sottostante. Questi protocolli possono ora accogliere l’estensione del TAS e la prelazione dei frame per utilizzare hardware TSN standard per Ethernet industriale. Sebbene EtherNet/IP utilizzino pacchetti UDP (User Datagram Protocol) per lo scambio di dati, PROFINET supporta un modello di buffer layer-2 diretto per dati consumer e dati provider. Sia PROFINET che EtherNet/IP sono compatibili con il livello di commutazione TSN e possono beneficiare dei miglioramenti per il tempo reale. La standardizzazione dell’IEEE dei protocolli di ridondanza non è ancora terminata e resta da vedere se 802.1CB sostituirà i protocolli di ridondanza di PROFINET ed EtherNet/IP, come i protocolli MRP (Media Redundancy Protocol) e DLR (Device Level Ring). La transizione dai protocolli di comunicazione industriale esistenti ai nuovi standard richiede in genere molti anni. Durante questa fase di transizione, i protocolli vecchi e nuovi vengono utilizzati contemporaneamente nei sistemi di produzione.
Le funzioni gateway che collegano i protocolli esistenti e quelli nuovi accelereranno l’introduzione dell’hardware TSN per le comunicazioni industriali. Le possibili applicazioni gateway includono:
• Bus di campo legacy (DeviceNet, PROFIBUS) per nuovi protocolli Ethernet (EtherNet/IP su TSN, PROFINET su TSN).
• Ethernet industriale, che non può funzionare con il TSN sulla stessa rete (EtherCAT, SERCOS III).
• Un gateway tra il livello di campo (controller) e il livello di controllo (dispositivo).
• Un gateway master IO-Link verso la rete TSN.
• Il collegamento e l’integrazione di oggetti per l’architettura unificata del controllo di processo (OPC UA) su interfacce da TSN a cloud utilizzando Ethernet cablata ed Ethernet wireless standard.
• Una combinazione di protocolli a livello di campo e di controllo con un uplink sul cloud.
I processori AM57x Sitara possono realizzare qualsiasi funzione gateway di questo elenco. Due insiemi di sottosistemi di comunicazione industriale (PRU-ICSS), uno switch gigabit aggiuntivo e la possibilità di interfacciarsi ad un modulo Wi-Fi significano la possibilità per il processore AM57x di supportare fino a sette canali di comunicazione da un singolo dispositivo. Ogni PRU-ICSS è in grado di implementare protocolli Ethernet industriali per il lato controller o per il lato dispositivo. I processori Sitara AM65x permettono di scalare questo supporto salendo alla velocità di trasmissione dati in gigabit per un massimo di tre set di PRU-ICSS.
La Figura mostra le possibili opzioni gateway da implementare a diversi livelli in un sistema di produzione. Il Kit di sviluppo industriale AM65x supporta sei porte Gigabit Ethernet in tempo reale, una porta Gigabit Ethernet aggiuntiva e un’interfaccia PCIe (Peripheral Component Interface Express) di 3ª generazione con supporto per la qualità del servizio con quattro canali virtuali.
 è un’estensione Ethernet definita dall’IEEE e progettata per rendere più deterministiche le reti basate su Ethernet.){kind=link}