2020年11月24日 | 结合Congatec与Intel，谈谈时间敏感网络

本文作者：Markus Gruber，是Congatec的研发经理和TSN专家

今天的工厂与过去不同的是，连接的工业设备有望直接与企业应用程序通信。

为了获得对自己的生产操作的详细数据和差异化见解，一些公司甚至直接在工业终端设备上运行这些应用程序。

无论目的是实时分析还是套用成熟的AI算法，如果它们的组件没有得到最佳匹配，这些应用程序的完整性就会迅速被破坏。

重要的是要确保设备和系统可以继续实时执行其核心功能。因此，现代工业需要一个允许将IT和OT技术集成在单个设备中的概念。这样的解决方案平台在确定性，安全性和可靠性的同时，应该理想地利用标准IT网络和数据处理的优势。

在工业物联网（IIoT）中实现此类实时数据通信网络的重要组件是时间敏感网络（TSN）。TSN技术包括许多标准，例如用于通过以太网的虚拟LAN的IEEE 802.1q，在IEEE 802.1Qbv中标准化以确保最小传输延迟的时间感知整形（TAS），或者在IEEE 1588中定义的通过精确时间协议（PTP）进行的实时同步。

PTP负责节点之间的时间同步，主机设置时间，各个从机以十余纳秒的精度同步其时钟。基于这些同步时钟，可以对数据包进行时间戳和发送。这意味着PTP网络可以以十余纳秒的精度进行自我同步，从而IP数据包的传输时间自然也会影响应用程序的最终实时行为。

在I219 Intel以太网接口的情况下，时钟同步满足标准，因此具有双重优势：可以在硬件中进行转换，而无需任何其他专有应用程序或专用硬件。

工作量合并

同时，需要工业设备来集成企业功能，例如实时边缘分析。传统上基于明确定义的功能单元的工业系统，现在在“边缘的工作负载平衡”要求下与多核处理器分在一起，这增加了在工业实时系统中使用虚拟机监控程序技术的重要性。

虚拟化技术允许一些处理器内核执行数据分析，而其他一些则可以保留用于数据采集或控制任务。因此，实时任务（例如机器人控制或基于视觉的AI）也是协作机器人的理想选择，它们可以在服务器平台内完全独立的虚拟机（VM）上运行，而对时间要求不那么严格的应用程序（例如远程管理）也可以运行或云连接。

一年前，Congatec，Intel和Real-Time Systems在Embedded World的现场演示中首次提出了这种具有TSN功能且具有工业实时控制功能的RTOS系统的概念证明（PoC）。此PoC的工业应用服务器平台基于工作负载合并并利用以太网的TSN技术。

上图：RTS Hypervisor使多个实时和通用操作系统能够在多核X86处理器的虚拟机上运行

实践中的实时应用服务器

演示平台的核心是COM Express Type 6模块（Conga-TS370）。配备英特尔至强E2处理器，它最多可以提供六个CPU内核用于多任务处理。依靠Real-Time Systems的RTS Hypervisor，该处理器被划分为多台计算机，每台计算机都有自己的操作系统，从而为每个虚拟机分配了一个或多个CPU内核和所需的IO。

PoC平台使用三个并行且实时的虚拟机来控制真实的机器和设备。第一个虚拟机使用四个CPU内核，并使用Linux操作系统控制通过PCIe连接的Basler视觉摄像机和Arria 10 FPGA板。FPGA板执行使用英特尔OpenVINO工具包创建的AI算法，用于基于视觉的对象检测，结果，相机图像以极高的帧速率被捕获和验证。

第二个独立的虚拟机运行实时Linux，并控制将倒立摆保持在直立位置的伺服电机。当摆锤的平衡受到干扰（例如通过触摸它）时，系统会实时做出反应，并将摆锤转向其初始位置。该系统完全独立于其他正在运行或并行引导的操作系统。

第三台虚拟机运行一个操作系统来执行安全任务，并作为边缘OS，向云提供上行链路。为了证明这些应用程序的独立性以及它们在具有多台机器的单个服务器平台上的实时行为，可以重新启动各个操作系统以进行测试，而此过程不会影响其他系统。即使是摆锤控制的关键实时行为也不会受到影响。

尽管所有这些应用程序都在相同的硬件平台上并行运行，但是管理程序可以轻松地重新启动非实时虚拟机，而实时虚拟机继续不间断运行。这样就可以将软件更新部署到单个应用程序，而不必中断整个系统的控制任务。它甚至可以有效隔离单个企业虚拟机上的安全漏洞，因为它们不会影响整个嵌入式系统。

实时控制

Conga-TS370主板的另一个重要功能是Intel i219-LM GbE LAN控制器，因为它本身支持IEEE 1588 PTP时间同步。在用于工业应用服务器的PoC平台中，i219-LM使用集成计时器协调PTP数据包的源和目的地。控制器还与操作系统一起工作，以在定义的时间范围内排列用于TSN传输的数据包。

自Linux Kernel 4.20发行以来，还提供了对时间感知优先级整形器（TAPRIO）和根据IEEE 802.1Qbv的最早传输时间优先（ETF）的附加支持。这些模块允许开发人员方便配置系统，以便可以对以太网TSN数据包进行优先级排序，而不管它们在传输队列中的位置如何。

反过来，RTS Hypervisor提供了一种特权模式，该模式允许客户机操作系统在几微秒内访问系统网络资源。这样就可以以所需的优先级和最低的延迟处理来宾VM中的TSN数据包。

因此，使用这些功能强大，灵活的基于虚拟机管理程序的IIoT系统可以降低业务成本，最小化潜在的错误源并延长产品生命周期，而无需企业级软件升级即可破坏硬实时系统。

上图：Congatec与Intel和Real-Time Systems合作，已在6核Xeon CPU上虚拟化了多个操作系统，操作系统可以物理访问以太网控制器

TSN作为未来的行业标准

如今，实时通信仍基于各种专有的确定性传输和传统的现场总线协议，这些协议通常需要昂贵的组件和驱动程序才能匹配。此外，由于这些高度专业化的传输系统的制造商和匹配产品组合的选择受到限制，因此规划和实施工业实时平台的能力受到限制。

只要网络组件支持所需的标准（例如IEEE 1588 PTP或IEEE 802.1Qbv TAS），TSN以太网就可以为常规网络流量和优先的TSN流量使用同一根以太网电缆。

在标准工业网络组件中一致地实施这些IEEE TSN标准将对许可的专有实时传输协议的普及产生影响。至少这些迄今封闭的系统将不得不越来越多地开放。为此，他们将需要选择TSN和虚拟机监控程序技术才能继续利用现有资源。