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TSN技术-实现业务传输最小延迟的革新

光路科技 2023-08-26 11:12 次阅读

引言

时间敏感网络Time-Sensitive Networking,TSN)是国际IEEE 802.1工作组所孕育的一组协议标准。其革新性在于,在传统的非确定性以太网技术的基础上,实现了业务传输的极致最小延迟。这种协议族不仅为标准以太网增添了确定性和可靠性,也为工业网络的可用性和可控性提供了更深的增强。

TSN技术的背景与意义

过去十年中,工业以太网设备,尤其是工业以太网交换机,相较于普通商用交换机,在硬件特性上发生了明显变化,包括温度适应性、结构、安装和EMC抗扰度等方面。然而,对于未来工业通信的演进而言,TSN技术的融合将是关键一环。TSN技术能够精准同步和控制工业自动化系统的关键控制和数据传输,确保网络传输延迟和抖动的最小化,从而全面提升工业网络的稳定性和可靠性。作为下一代工业交换机的关键技术,TSN在严格区分普通交换机的同时,也是传统以太网功能的重要扩展子集之一。

TSN技术的革新

1、解决CSMA/CD技术问题

作为成熟通信技术,以太网通信已有几十年历史,其基石是CSMA/CD(载波侦听多路访问和冲突检测)技术,通过双绞线(UTP线缆)实现网络组网和通信。然而,串行传输方式导致多设备共享资源,这既是以太网的优点,也是劣势。由于缺乏基于时间的流量控制,数据流在不同设备之间的时间叠加会导致传输延迟升高,尤其在高负载时可能出现数据丢失问题。尽管有QoS优先级机制和缓冲区机制提供保障,但在高负荷情况下仍可能出现业务传输延迟升高的情况。

wKgaomTpbOmARGJ4AACTxi6VzV8237.png突破CSMA/CD技术的瓶颈

2、解决工业以太网的互操作性瓶颈

在传统的工业以太网领域,诸如EtherCAT、Profinet、CC-Link、ModBus等技术在提供确定性连接和延迟保证方面取得了显著的成就。这些技术在工业自动化、制造流程控制以及实时数据传输等方面发挥了重要作用,确保了关键任务的准确执行和高效运行。

然而,尽管这些技术各自在特定领域内表现出色,却存在一个共同的挑战,即互操作性的问题。由于这些技术是在不同的时间和环境下发展起来的,它们往往采用独特的通信协议和数据格式。这导致了在不同技术之间建立连接和进行数据交换时出现困难,因为它们无法直接沟通和理解对方的通信方式。

这种缺乏互操作性带来了一些不便和限制。首先,针对不同的应用需求,企业可能需要同时使用多种工业以太网技术。然而,由于缺乏互操作性,不同技术之间的整合变得复杂且耗时,增加了系统部署和维护的难度。其次,当企业需要扩展其网络或引入新的设备时,选择合适的技术可能会受到限制,因为需要考虑到现有技术的兼容性问题。

正是基于这些考虑,TSN技术的出现成为了一个重要的里程碑。作为一个具有高度通用性和开放性的技术,TSN旨在解决工业以太网领域的互操作性问题。它不仅提供了通用的通信标准,还允许不同技术之间进行连接和数据交换,从而消除了以往技术之间的壁垒。

TSN的互操作性特点为工业网络带来了更大的灵活性。企业可以更自由地选择适合其需求的技术,而无需担心不同技术之间的兼容性。这使得网络的设计、部署和维护变得更加简化和高效。此外,TSN还能够为不同技术之间的数据交换提供统一的时间同步,确保数据的准确性和一致性。

wKgZomTpbQKAVgf3AAC8ri3IJwg913.pngTSN交换机解决工业以太网的互操作性瓶颈

TSN技术的优势与特点

TSN技术涵盖多种协议标准,如IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv等,是传统以太网功能的前沿拓展。其通用性和操作性强,同时满足了网络连接的确定性和延迟保证要求。

首先,IEEE 802.1AS(时钟同步协议)是TSN技术中的一个核心协议,它使网络中的各个设备能够在全局范围内实现高度精确的时钟同步。通过在网络中定义主从时钟关系,该协议确保了数据在不同设备之间以协调一致的时间戳进行传输,从而实现了分布式系统的高度同步性。这种时钟同步的机制为实时应用提供了一个均衡的时钟基准,有助于避免数据的不同步和传输延迟的积累。

其次,IEEE 802.1Qbv(排队和转发增强协议)是TSN中用于流量调度和控制的关键协议之一。在传统以太网中,多个数据流可能会在网络中产生竞争,导致延迟增加和不确定性。通过引入802.1Qbv,网络可以根据优先级和时间窗口对不同流量进行调度,确保高优先级数据获得及时传输,从而降低了关键应用的传输延迟,提高了网络的可靠性。

这些协议的集成使TSN技术成为传统以太网的重要扩展子集。其通用性体现在它们适用于各种网络拓扑和应用场景,无论是工业自动化、智能制造还是实时通信。而协议的操作性强调了TSN的实际可应用性,无论是在新的网络部署还是在现有基础设施的升级过程中,TSN都能够灵活而无缝地融入。

最重要的是,这些协议的引入确保了网络连接的确定性和延迟的保证性。TSN技术通过协调时钟同步和流量调度,使得关键应用能够按时、稳定地传输数据,从而满足了对实时性要求非常严格的应用领域,如工业控制机器人控制以及音视频传输等。通过这些协议的整合,TSN技术在传统以太网的基础上赋予了网络更高级别的性能和可靠性,从而推动了工业和实时通信领域的创新发展。

光路科技的TSN解决方案

光路科技FR-TSN系列时钟敏感网络交换机集成了TSN协议栈技术。这些交换机具有确定性和微秒级交互特性,提供多样网络接口,包括10GBase-X SFP+接口、100/1000Base-X SFP接口和10/100/1000Base-TX电口。支持IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv等协议,并提供RSTP/MSTP、VLAN、组播、QoS等丰富的二层软件特性。

FR-TSN系列工业以太网交换机设计为导轨式IP40铝合金外壳,适应恶劣环境下的稳定工作,并具备优异的EMC电磁兼容抗扰性。作为下一代工业网络的先锋产品,这些交换机在无人驾驶、边缘计算、虚拟现实等领域的技术落地中发挥着关键作用。它们为工业通信的数字化转型和智能制造升级提供了有力支持。光路科技在电力、交通、5G融合网、工业精密制造、汽车无人驾驶和军工船载等领域,为客户提供了高稳定性、可操作性要求的多种网络的可靠解决方案,推动了技术的创新与进步。

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