כיצד לממש רישות רגיש לזמן (TSN) כדי להבטיח תקשורת דטרמיניסטית

תקשורת דטרמיניסטית היא חיונית ביישומים שונים כגון רובוטיקה אוטונומית ומערכות Industry 4.0‏ אחרות, תקשורת 5G, מערכות עזר מתקדמות לנהג (ADAS‏) של כלי-רכב ושירותי סטרימינג זמן-אמת. סט תקני ה-IEEE 802 Ethernet,‏ שנקרא רישות רגיש לזמן (TSN), הורחב לתמוך בתקשורת דטרמיניסטית. אם ממומש כהלכה, TSN יכול להיות ניתן-להפעלה-בינית (interoperable) עם התקנים שאינם TSN, אך תקשורת דטרמינסטית קיימת רק בין התקנים מאופשרי-TSN. כשמממשים TSN ורוצים להבטיח שהוא מספק תקשורת דטרמינסטית כמו גם יכולת-הפעלה-בינית (Interoperability), יש לתאם בין מספר רב של תקני IEEE 802,‏ דבר העושה את התכנון מאפס של TSN בתוך ציוד רישות למורכב וגוזל-זמן.

במקום זה, מתכננים של ציוד רישות יכולים לפנות אל יחידות מיקרו-מעבד (MPUs) עם פונקציונליות TSN מובנית כדי להאיץ זמן יציאה לשוק ולהפחית סיכוני פיתוח. מאמר זה סוקר את היסודות של פעולת TSN ומימושו, מציג חלק מתקני IEEE 802.1 הרבים עבור מימוש TSN, שוקל כיצד IEC/IEEE 60802 מתייחס ל-TSN ומשווה TSN לפרוטוקולים אחרים כמו EtherCAT‏, ProfiNet‏ ו-EtherNet/IP‏. אחר כך, המאמר מציג מעבדי MPU מבית Texas Instruments,‏ NXP‏ ו-Renesas הכוללים יכולת TSN, יחד עם פלטפורמות פיתוח התומכות באינטגרציה של רישות דטרמינסטי בהתקני Industry 4.0‏.

לפני הפיתוח של TSN, רישות זמן-אמת היה קיים רק על אפיקי שדה תעשייתיים מתוכננים במיוחד למטרה זו. אפיקי שדה נקראים לעיתים קרובות "Ethernet תעשייתי". תקני ה-802.1‎ TSN מגדירים פונקציות layer-2 ומיתוג ברמה של רשת תקשורת מקומיות (LAN‏), ומוסיפים את מושגי הזמן והסנכרון. TSN אינו מחליף פרוטוקולים ברמות מעל layer-2 ואינו מגדיר את ממשק התוכנה או קונפיגורציות החומרה ומאפיינים, דבר העושה אותו תואם עם ממשקי תכנות יישום (APIs) שונים (איור 1‏).

איור 1‏: תקני TSN מגדירים פונקציות layer-2 ויכולים להתקיים לצד ממשקי תכנות יישום (APIs) שונים. (מקור תמונה: Texas Instruments)

אלגוריתמים מעצבי תנועת נתוני TSN קיימים מאפשרים את הדו-קיום של תנועת נתונים זמן-אמת עם תנועת נתונים מאמץ-מיטבי (best-effort) רגילה ברשתות Ethernet‏ סטנדרטיות. דטרמיניזם ושיהוי נמוך (low latency) ניתנים להבטחה עבור תקשורת קריטית-בזמן. תקשורת זו יכולה לתמוך בפרישה של מערכות קשורות-בטיחות בסביבות תעשייה ורכב. חלק מתת-תקני ה-IEEE 802.1 TSN העיקריים כוללים (טבלה 1):

• IEEE 802.1 AS – תזמון וסנכרון (timing & synchronization)
• IEEE 802.1Qbv – מעצב מודע-זמן (time-aware shaper)
• IEEE 802.3Qbr – תנועה מהירה מופצת (interspersed express traffic)
• IEEE 802.1Qbu – עדיפות מסגרת (frame preemption)
• IEEE 802.1Qca – בקרת נתיב ושמירה (path control & reservation)
• IEEE 802.1CB – יתירות (Redundancy)
• IEEE 802.1 Qcc – הגדלה ושיפור עבור שמירת תזרים (enhancements and improvements for stream reservation)
• IEEE 802.1 Qch – העמדה בתור מחזורית ומסונכרנת ותהליכי ריקון תור (cyclic queuing & forwarding)
• IEEE 802.1Qci – ספירת מסגרות, סינון ופיקוח (per-stream filtering and policing)
• IEEE 802.1CM – רשת רגישה-לזמן עבור fronthaul‏ (time-sensitive network for fronthaul)

טבלה 1: ‏TSN מסתמך על מספר רב של תת--תקנים כדי לספק ביצועים דטרמינסטיים, יתירות ומאפיינים אחרים באופן מודולרי. (תמונה: Texas Instruments)

IEEE TSN ניתן לחלק לארבע קטגוריות של תת--תקנים הדרושים כדי להבטיח את הפעולה של TSN. סנכרון זמן הוא היסוד כדי להבטיח סנכרון שעונים לרוחב רשת. 802.1AS, הנקרא גם 802.1ASrev, הוא תת-התקן העיקרי הקשור לסנכרון.

קבוצה אחרת של תת-תקנים קשורה לשיהוי נמוך תחום (bounded low latency). תמיכה בשיהוי נמוך תחום (bounded low latency) היא תנאי הכרחי עבור השגת דטרמיניזם בתקשורת נתונים ומוגדרת על ידי חמישה תת-תקנים: 802.1Qat‏ (מעצב מבוסס-קרדיט),‏ 802.3Qbr‏ (תנועה מהירה מופצת),‏ 802.1Qbu‏ (עדיפות מסגרת),‏ 802.1Qbv‏ (מעצב מודע זמן‏ (TAS)),‏ 802.1Qav‏ (העמדה בתור מחזורית ותהליכי ריקון תור) ו-802.1Qcr‏ (עיצוב תנועה אסינכרונית).

דרושה אולטרה-אמינות כדי לטפל בתקלות, שגיאות וכדי לספק יתירות ופונקציות קשורות. תת-תקנים קשורים כוללים: 802.1CB (שיעתוק והסרת מסגרת), 802.1Qca (בקרת ושמירת נתיב), 802.1qci (סינון ופיקוח לתזרים), וחלקים של 802.1AS ו-802.1AVB (אמינות עבור סנכרון זמן מחלקי התזמון והסינכרון של TSN ותקן הגישור אודיו IEEE).

קיימת קבוצה של תת-תקנים כלליים המתיחסת למשאבים יעודיים, ממשקי API ומאפיינים נחוצים "עקיפים" אחרים, כולל תכנון והגדרת תצורה ברמה גבוהה יותר ויכולת-הפעלה-בינית (Interoperability) ברשתות הטרוגניות. דוגמאות של תת-תקנים כלליים אלה כוללות: 802.1Qat (פרוטוקול שימור תזרים), P802.1Acc (תצורת TSN), תאימות עם שפת מידול נתונים YANG‏ (Yet Another Next Generation), ו-802.1Qdd (פרוטוקול הקצאת משאב).

התכנון המודולרי של TSN מאפשר לו להיות ממוטב עבור יישומים ספציפיים ומקרי שימוש. אין צורך בכל המאפיינים בכל פעם. לדוגמה, 802.1AS, תזמון וסנכרון חשובים במיוחד בכל שימושי TSN באוטומציה של מפעל בעוד יתכן שיהיה צורך ביתירות רק בתת-קבוצה של מקרי שימוש באוטומציה.

כיצד IEC/IEEE 60802 קשור ל-TSN?

בעת כתיבת מאמר זה, ה-IEC/IEEE 60802, טיוטה‏ 1.4‏, פרופיל TSN עבור אוטומציה תעשייתית, מופץ לקבלת הערות וצפוי להיות מאושר מתי שהוא בשנת 2023. ה-IEC SC65C/WG18 הזה ופרויקט IEEE 802‏ יגדירו פרופילים TSN עבור אוטומציה תעשייתית. מאמץ משותף זה יכלול מאפייני בחירת פרופיל, אפשרויות, תצורות, בררות מחדל, פרוטוקולים ונהלים של גשרים, תחנות קצה ורשתות LAN כדי לבנות רשתות אוטומציה תעשייתית. בדומה לתקני IEEE 802 TSN הקיימים, 60802 יהיה גמיש ומודולרי ויתמודד עם‏ מגוון של תרחישי רשתות.

IEC/IEEE 60802 ילך מעבר לתקני IEEE 802‏ והוא מפותח תוך הכרה בעובדה שמשתמשים ויצרנים של רשתות רגישות-לזמן, מגושרות, ניתנות-להפעלה-בינית, עבור אוטומציה תעשייתית, זקוקים להנחיות עבור הבחירה והשימוש של תקנים ומאפיינים קשורים ל-TSN, כדי לפרוש ביעילות רשתות מאוחדות התומכות בו-זמנית בתנועת נתונים של טכנולוגיית תפעול ותנועה אחרת. השחרור של פרופיל ה-IEC/IEEE 60802 TSN עבור אוטומציה תעשייתית יכול להוות מקור לבלבול, לפחות בהתחלה, כי לעתים קרובות מתיחסים לאפיקי שדה שונים כאל "Ethernet תעשייתי".

TSN ואפיקי שדה

השימוש ב-TSN ובאפיקי שדה איננו מהווה הצעה להשתמש באחד או בשני. הם תואמים, לעתים משמשים ביחד ושניהם כוללים תפיסות המתיחסות לסנכרון זמן. עם זאת אפיקי שדה, בדומה ל-PROFINET‏, EtherNet/IP‏ ו-EtherCAT‏, מממשים סנכרון בדרכים שונות. PROFINET‏ משתמש בפרוטוקול בקרת זמן מדויקת (PTCP). EtherCAT‏ משתמש בשעונים מבוזרים הכוללים אוגרים (registers) יעודיים ומקושרים עבור סנכרון.

PROFINET ו-EtherNet/IP כוללים את גשר הלימוד IEEE Ethernet כטכנולוגיית המיתוג הבסיסית. כתוצאה מכך, פרוטוקולים אלה יכולים כעת להתאים את ההרחבה של TAS ותיעדוף מסגרת (frame preemption‏) לשימוש בחומרת TSN סטנדרטית. EtherNet/IP‏ משתמש במנות (Packets‏) UDP עבור חילופי נתונים והוא תואם עם שכבת המיתוג TSN. PROFINET‏ תומך במודל חוצץ (buffer model)‏ layer-2 ישיר עבור נתונים נתמכים על ידי פתרון TSN תת-מערכת תקשורת תעשייתית יחידת זמן-אמת הניתנת לתכנות (PRU-ICSS).

ה-TSN מתוכנן לתמוך בזמני מחזור נמוכים לפחות כמו אלה של EtherCAT‏ ו-PROFINET‏ ובפרוטוקולים אחרים של Ethernet תעשייתי. כשמשודרג ל-Gigabit Ethernet,‏ TSN צפוי לעלות על הביצועים של הפרוטוקולים האחרים. תמיכה עבור תנועת נתונים דטרמיניסטית ב-EtherCAT‏ מוגבלת לסוגים מיוחדים של מנות נתונים (data packets). שימוש משולב ב-EtherCAT‏ ו-TSN יכול לשפר גמישות. לדוגמה, סביב סנכרון, TSN מוסיף יכולות Multi-Master. כל שלושת הפרוטוקולים מספקים יתירות (Redundancy) בדרכים שונות. TSN משתמש‏ בטכניקה דומה לפרוטוקול היתירות המקבילית (PRP) ופרוטוקול היתירות הרציפה זמינות-גבוהה (HSR) כפי שמוגדרים ב-IEC 62439-3 מימוש יתירות אפס-הפסדים (טבלה 2‏).

טבלה 2‏: EtherCAT‏, PROFINET‏ ו-TSN הם בעלי מאפיינים דומים, אך מממשים אותם בדרכים שונות. (מקור תמונה: Texas Instruments)

TSN אינו כולל שכבת יישום ואינו מאתגר אפיקי שדה ברמת היישום. לדוגמה, חברור מכונות עם מתגים בעוד עדיין משתמשים ב-EtherCAT‏ ברמת המכונה יכול ליצור רשת Ethernet תעשייתי הכולל פונקציות TSN. רשת משולבת TSN-EtherCAT‏ אינה מערבבת את הטכנולוגיות אך מגדירה אינטגרציה חלקה‏ להשתמש בשתי הטכנולוגיות ולממש את היבטי הביצועים הטובים ביותר של כל אחד.

MCU עם עד 6 נקודות חיבור TSN

מתכננים של התקנים משובצים Industry 4.0‏ הזקוקים לחיבוריות TSN יכולים לפנות אל מעבד ה-AM652x Sitara מבית Texas Instruments, כמו ה-AM6528BACDXEA. מיקרו-בקרים אלה משלבים שתי ליבות Arm Cortex-A53 עם Cortex-R5F כפול ושלוש יחידות זמן-אמת ניתנות-לתכנות עבור תת-מערכת תקשורת תעשייתית Gigabit‏ (PRU_ICSSG) הניתנת לשימוש כך שתספק עד שש נקודות חיבור של Ethernet תעשייתי כולל TSN,‏ PROFINET‏, EtherCAT‏, ופרוטוקולים אחרים, או היא ניתנת לשימוש עבור חיבוריות Gigabit Ethernet סטנדרטית (איור 2‏).

איור 2‏: מעבדי ה-AM652x Sitara כוללים שש נקודות חיבור שניתנות לשימוש עבור TSN ופרוטוקולים של Ethernet תעשייתי אחרים. (מקור תמונה: Texas Instruments)

משפחת המיקרו-בקרים AM652x כוללת אתחול (Boot‏) מאובטח והאצה קריפטוגרפית בנוסף לחומות אש (Firewalls) גרנולריות‏ מנוהלות על ידי תת-מערכת ניהול התקן ובקרת אבטחה (DMSC). נוסף לכך, תת-מערכת ה-MCU ‏Cortex-R5F כפול זמינה לשימוש עבור מטרה כללית כשתי ליבות פרטניות, או ניתן להשתמש בליבות בזו אחר זו (lockstep) עבור יישומי בטיחות פונקציונלית.

MCU עם מחסנית CC-Link IE TSN

ליחידות i.MX RT1170 crossover MCU של NXP, כמו ה-MIMXRT1176DVMAA, יש ארכיטקטורת שתי-ליבות, ‏עם ליבת Cortex-M7‏ ביצועים-עיליים (רצה בתדר עד GHz‏ 1‏) וליבה נצילה הספקית ‏Cortex-M4 (רצה בתדר עד MHz‏ 400‏). ארכיטקטורת שתי-ליבות זו עוזרת לאפשר ליישומים לרוץ במקביל ותומכת במיטוב צריכה על ידי השבתת ליבות פרטניות כנדרש. יחידות MCU אלו מספקות מחסנית תקשורת CC-Link IE TSN מלאה והן ממוטבות לתמוך בפעולות זמן-אמת ולספק זמן תגובת פסק (Interrupt‏) של ‎12 ns.

איור 3‏: יחידות ה-i.MX RT1170 MCU מבית NXP‏ כוללות‏ בלוק פונקציונלי TSN ייעודי (במסגרת האובלית השחורה). (מקור תמונה: NXP)

כדי לזרז את הפיתוח של יישומי לימוד מכונה (ML), בקרת מנוע זמן-אמת, ממשקי אדם מכונה (HMI) מתקדמים כמו זיהוי פנים ויישומי Industry 4.0‏ אחרים, NXP‏ מציעה את ערכת ההערכה MIMXRT1170-EVK (איור 4‏). ערכת ההערכה בנויה על לוח מעגל מודפס (PCB) ‏6-שכבות עם תכן חור-עובר עבור ביצועי תאימות אלקטרומגנטית (EMC‏) טובים יותר והיא כוללת שתי נקודות חיבור Ethernet‏ עבור פיתוח חיבוריות TSN.

איור 4‏: ערכת הערכה MIMXRT1170-EVK של NXP. (מקור תמונה: NXP)

MCU וערכת אתחול עבור TSN

משפחת ה-RZ/N2L של יחידות MCU, כמו ה-R9A07G084M04GBG#AC0 מבית Renesas מתוכננת עבור פישוט המימוש של Ethernet תעשייתי ו-TSN ביישומי Industry 4.0‏. יחידות ה-MCU מאפשרות תקשורת דטרמינסטית דרך 3 נקודות-חיבור של מתג‏ Gigabit Ethernet התומך ב-TSN,‏ EtherCAT‏, PROFINET‏, EtherNet/IP‏, ו-OPC UA. חברת Renesas מציעה גם את ערכת האתחול+ RTK9RZN2L0S00000BE עבור יחידות MCU‏ RZ/N2L . ערכת אתחול זו כוללת פונקציות היקפיות נרחבות המתאימות עבור יישומים תעשייתיים ותומכת בהערכה של Ethernet תעשייתי ו-TSN (איור 7‏). הערכה כוללת את כל החומרה והתוכנה הדרושות:

• חומרה
  • לוח CPU עם RZ/N2L MCU ואמולטור על-הלוח
  • כבל ספק-כוח USB ‏‏(Type C ל-Type C)
  • כבל USB לחיבור האמולטור שעל-הלוח (Type A ל-Type Micro B)
  • כבל USB לחיבור ל-PC עבור ניפוי שגיאות (Type A ל-Type Mini B)
• תוכנה
  • סביבת הפיתוח, קוד דוגמה ודפי יישום זמינים באינטרנט, שכולל‏ גם חבילה של תוכנת תמיכה עם מנהלי-התקן היקפיים ומספר רב של דוגמאות יישום עבור הערכה ובנייה מהירה של אב-טיפוס.

איור 5‏: ערכת ההערכה+ RTK9RZN2L0S00000BE כוללת את החומרה והתוכנה הדרושות, ועוד דוגמאות יישום, כדי לתמוך בפיתוח של רישות דטרמינסטית. (מקור תמונה: Renesas)

סיכום

TSN הוסף אל תקני ה-Ethernet‏ IEEE 802.1‏ כדי לתמוך בפיתוח של תקשורת דטרמינסטית. TSN מגדיר פונקציות תקשורת layer-2 והוא תואם עם פרוטוקולים ברמות גבוהות יותר כגון EtherCAT‏, PROFINET‏, EtherNet/IP‏ ואחרים. הוא יכלל בקרוב בתקן‏ בינלאומי, IEC/IEEE 60802, פרופיל TSN עבור אוטומציה תעשייתית. ספקים כבר התחילו לשלב TSN בתוך יחידות MCU ופלטפורמות פיתוח קשורות כדי לעזור למתכננים לשלב במהירות תקשורת דטרמינסטית בתוך הדור הבא של התקני Industry 4.0.