如何實作時效性網路以確保確定性通訊

確定性通訊在各種應用中都非常重要，例如自主機器人和其他工業 4.0 系統、5G 通訊、汽車先進駕駛輔助系統 (ADAS) 以及即時串流服務。規範時效性網路 (TSN) 的 IEEE 802 乙太網路標準已經過增修，納入確定性通訊的支援。在正確實作的情況下，TSN 能與非 TSN 裝置互通，但只有支援 TSN 的裝置之間才能提供確定性通訊。實作 TSN 時需要協調許多 IEEE 802 標準，更要確保 TSN 提供確定性通訊及互通性，因此從頭開始將 TSN 設計到網路裝置中既複雜又耗時。

網路設備的設計人員可改用內建 TSN 功能的微處理器單元 (MPU)，讓產品更快上市並降低開發風險。本文會探討 TSN 運作與實作的基本原則、介紹一些用於實作 TSN 的 IEEE 802.1 標準、細探 IEC/IEEE 60802 與 TSN 的關係，並將 TSN 與其他協定 (如 EtherCAT、ProfiNet 及 EtherNet/IP) 進行比較。接著會介紹 Texas Instruments、NXP 和 Renesas 推出且內建 TSN 功能的 MPU，以及能將確定性網路整合到工業 4.0 裝置中的開發平台。

過去尚未開發 TSN 前，只有專門的工業現場匯流排才有提供即時網路。現場匯流排通常稱為「工業乙太網路」。802.1 TSN 標準定義了 Layer 2 功能和本機區域網路 (LAN) 層級交換，並且新增時間與同步的概念。TSN 並未取代 Layer 2 以上層級的協定，也未定義軟體介面或硬體配置與特點，因此可相容於多種應用程式開發介面 (API) (圖 1)。

圖 1：TSN 標準定義了 Layer 2 功能，並能與多種 API 共存。(圖片來源：Texas Instruments)

現有的 TSN 流量塑形演算法，能讓即時流量與一般盡力服務 (best effort) 流量在標準乙太網路中共存。可針對時間關鍵型通訊，確保確定性及低延遲性。這有助於在工業和汽車環境中部署安全相關系統。一些關鍵的 IEEE 802.1 TSN 子標準包括 (表 1)：

• IEEE 802.1 AS – 時序與同步
• IEEE 802.1Qbv – 時間感知塑形器
• IEEE 802.3Qbr – 散佈快速流量
• IEEE 802.1Qbu – 訊框搶佔
• IEEE 802.1Qca – 路徑控制與保留
• IEEE 802.1CB – 備援
• IEEE 802.1 Qcc – 串流保留的增強與改善
• IEEE 802.1 Qch – 迴圈佇列與轉送
• IEEE 802.1Qci – 逐一串流過濾與監管
• IEEE 802.1CM – 前傳網路的時效性網路

表 1：TSN 倚賴許多子標準，以模組化方式提供確定性效能、備援和其他特點。(圖片：Texas Instruments)

IEEE TSN 能分成四類子標準，這些子標準是確保 TSN 運作的要件。時間同步是確保網路時脈達到同步的基礎。802.1AS 又稱為 802.1ASrev，是同步方面的主要子標準。

還有另外一組與限制低延遲有關的子標準。支援限制低延遲是數據傳輸達到確定性的必要條件，以下列五種子標準來定義：802.1Qat (信用型塑形器)、802.3Qbr (散佈快速流量)、802.1Qbu (訊框搶佔)、802.1Qbv (時間感知塑形器 (TAS))、802.1Qav (迴圈佇列與轉送) 及 802.1Qcr (非同步流量塑形)。

為了處理故障和錯誤，以及提供備援和相關功能，因此需具備超高可靠性。相關子標準包括：802.1CB (訊框複製與消除)、802.1Qca (路徑控制與保留)、802.1qci (逐一串流過濾與監管)，也包括 802.1AS 和 802.1AVB 的一部分 (TSN 與 IEEE 音訊橋接標準之時序和同步部分的時間同步可靠性)。

還有一組一般性的子標準涉及專用資源、API 與其他必要的「經常性」特點，包括高層級規劃與配置，以及異質網路的互通性。這些一般子標準的範例包括：802.1Qat (串流保留協定)、P802.1Acc (TSN 配置)、與 YANG (Yet Another Next Generation) 資料塑模語言的相容性，以及 802.1Qdd (資源分配協定)。

TSN 的模組化設計，能讓 TSN 針對特定應用及使用案例進行最佳化。部分特點有時並不需要。例如，802.1AS、時序和同步化在所有 TSN 工廠自動化用途中就特別重要，但備援能力可能只有一部分自動化使用案例才需要。

IEC/IEEE 60802 與 TSN 有何關聯？

本文撰寫之時，IEC/IEEE 60802 的 1.4 草擬版工業自動化 TSN 設定檔正在徵求各方意見，預計將於 2023 年間批准。此 IEC SC65C/WG18 與 IEEE 802 專案將會定義工業自動化的 TSN 設定檔。這項聯合工作將包含設定檔挑選功能、選項、配置、預設值、協定，以及用於建立工業自動化網路的橋接器、終端站和 LAN 程序。IEEE 60802 和現有的 IEEE 802 TSN 標準一樣，將具有彈性且採用模組化設計，可因應多種網路情境。

IEC/IEEE 60802 將會超越 IEEE 802 標準，在開發上也體認到，針對工業自動化用的可互通橋接時效性網路，使用者和廠商需要一套準則來挑選與使用 TSN 相關標準及特點，以有效部署能同時支援運作技術流量和其他流量的聚合網路。IEC/IEEE 60802 工業自動化 TSN 設定檔發佈後可能會引起混亂，至少初期會如此，因為有太多現場匯流排常被稱為「工業乙太網路」。

TSN 與現場匯流排

TSN 與現場匯流排並非只能二選一。兩者彼此相容，通常會一起使用，也都採用與時間同步有關的概念。然而，PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT 等現場匯流排，則採取不同的方法實作同步化。PROFINET 採用高精度時間控制協定 (PTCP)。EtherCAT 採用分散式時脈，這些時脈使用專用和相關暫存器來進行同步。

PROFINET 和 EtherNet/IP 中納入了 IEEE 乙太網路學習橋接器作為底層交換技術。因此，這些協定現在能適應 TAS 和訊框搶佔的擴充功能，以使用標準的 TSN 硬體。EtherNet/IP 使用 UDP 封包進行數據交換，並可相容於 TSN 交換層。PROFINET 支援直接 Layer 2 緩衝模型，可用於可編程即時單元工業通訊子系統 (PRU-ICSS) TSN 解決方案所支援的資料。

TSN 支援的週期時間，至少與 EtherCAT、PROFINET 及其他工業乙太網路協定一樣短。升級至 Gigabit 乙太網路後，TSN 的效能有望超過其他協定。EtherCAT 對確定性流量的支援，僅限於特殊類型的數據封包。將 EtherCAT 和 TSN 搭配使用就可提高靈活性。例如在同步方面，TSN 還增添了多重主控功能。這三種協定皆以不同的方式提供備援。TSN 利用類似並行備援協定 (PRP) 的技術，以及 IEC 62439-3 中定義的高可用性無縫備援 (HSR) 協定，來實作零損耗備援 (表 2)。

表 2：EtherCAT、PROFINET 和 TSN 具有類似的特點，但實作這些特點的方式不同。(圖片來源：Texas Instruments)

TSN 未納入應用層，也不會查問應用層級的現場匯流排。例如，將機器與交換器互連並繼續在機器層級使用 EtherCAT，就可建立含有 TSN 功能的工業乙太網路。TSN-EtherCAT 整合式網路不會混用這些技術，但可定義無縫整合性，以使用這兩種技術，讓其各自發揮最佳效能層面。

多達 6 個 TSN 連接埠的 MCU

在設計需要 TSN 連接性的工業 4.0 內嵌式裝置時，設計人員可改用 Texas Instruments 的 AM652x Sitara 處理器，像是 AM6528BACDXEA。這些 MCU 結合兩個 Arm Cortex-A53 核心、一個雙核心 Cortex-R5F、三個可編程即時單元，以及工業通訊子系統 Gigabit (PRU_ICSSG) 子系統；這些子系統可用於提供多達六個工業乙太網路連接埠，包括 TSN、PROFINET、EtherCAT 和其他協定，或用於標準 Gigabit 乙太網路連線 (圖 2)。

圖 2：AM652x Sitara 處理器含有六個連接埠，可用於 TSN 和其他工業乙太網路協定。(圖片來源：Texas Instruments)

AM652x 系列 MCU 除了具備由裝置管理與安全性控制 (DMSC) 子系統所管理的精細防火牆之外，還含有安全啟動與加密加速功能。此外，雙核心 Cortex-R5F MCU 子系統可作為兩個單獨的核心用於一般用途，兩個核心也能在功能安全應用中同步使用。

具有 CC-Link IE TSN 堆疊的 MCU

NXP 的 i.MX RT1170 跨界 MCU (例如 MIMXRT1176DVMAA)，具有雙核心架構，搭載執行速度高達 1 GHz 的高效能 Cortex-M7 核心，和高達 400 MHz 的節能型 Cortex-M4 核心。這種雙核心架構有助於應用並行運作，並支援在必要時關閉個別核心，以達到功耗最佳化。這些 MCU 提供完整的 CC-Link IE TSN 通訊堆疊，並經過最佳化以支援即時作業，並可在 12 ns 內對中斷作出回應。

圖 3：NXP 的 i.MX RT1170 MCU 內含一個專用的 TSN 功能區塊 (位於黑色橢圓形內)。(圖片來源：NXP)

為了加速開發機器學習 (ML) 應用、即時馬達控制、臉部辨識等進階人機介面 (HMI)，以及其他工業 4.0 應用，NXP 也提供 MIMXRT1170-EVK 評估套件 (圖 4)。這款評估套件以 6 層印刷電路板 (PCB) 為基礎，採用通孔式設計，可提高電磁相容性 (EMC) 效能，並含有兩個乙太網路連接埠，可開發 TSN 網路連接性。

圖 4：NXP 的 MIMXRT1170-EVK 評估套件。(圖片來源：NXP)

用於 TSN 的 MCU 和入門套件

Renesas 的 RZ/N2L 系列 MCU (例如 R9A07G084M04GBG#AC0)，可簡化在工業 4.0 應用中實作工業乙太網路及 TSN 的作業。可透過 3 埠 Gigabit 乙太網路交換器達到確定性通訊，可支援 TSN、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 和 OPC UA。Renesas 也為 RZ/N2L MCU 提供 RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+。這款入門套件具有許多適用於工業應用的周邊功能，並支援工業乙太網路和 TSN 的評估 (圖 7)。此套件包含所有需要的軟硬體：

• 硬體
  • 含 RZ/N2L MCU 及板載模擬器的 CPU 電路板
  • 電源供應器 USB 纜線 (Type C 對 Type C)
  • 板載模擬器連接 USB 纜線 (Type A 對 Type Micro B)
  • PC 終端除錯 USB 纜線 (Type A 對 Type Mini B)
• 軟體
  • 網路上有提供開發環境、範例程式碼與應用說明，亦提供軟體支援套裝，含有周邊裝置驅動程式，以及許多有助於快速評估及原型開發的應用範例。

圖 5：RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ 含有必備的軟硬體以及應用範例，可支援開發確定性網路。(圖片來源：Renesas)

結論

IEEE 802.1 乙太網路標準中已納入 TSN，以支援開發確定性通訊。TSN 定義了 Layer 2 通訊功能，並相容於更高層級的協定，例如 EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 等等。TSN 很快就會納入 IEC/IEEE 60802 這項國際標準的「工業自動化 TSN 設定檔」。供應商已開始將 TSN 整合到 MCU 及相關開發平台中，協助設計人員迅速將確定性通訊整合到下一代工業 4.0 裝置。