Промышленный Ethernet следующего поколения

Промышленная сеть Ethernet всё более часто находит применение в сложных и многофункциональных технологических решениях, к примеру в проектах связанных с многоуровневым подходом IIoT, концепции цифровой подстанции. Сегодня требуются технологии, которые обеспечивают сетевую связь в реальном времени для промышленной автоматизации, сетей 5G NR, Industry 4.0, потокового видео 4K/8K и игровой индустрии VR/AR.

Для эффективности распределенных вычислений необходимо обеспечить малую задержку, высокую доступность, взаимодействие между сетевыми устройствами и широкую полосу пропускания. Проблема традиционно возникает из-за широкого использования Ethernet для работы в сети. Несмотря на дешевизну и повсеместность, он, как правило, недетерминирован по своей природе - полезен для надежности, но далеко не идеален для критически важных систем, требующих передачи данных в реальном времени.

Стандартные функции Ethernet отправляют пакеты данных способом, который в значительной степени зависит от нагрузки сети, что не подходит для сетевых устройств, которым требуется высокая степень синхронизации. Фактически это означает, что Ethernet-сеть должна обеспечить прогнозируемый уровень задержки фрейма и отклонения от расчётных величин, низкий уровень потери пакетов, а также возможность установки гарантированной полосы пропускания. С появлением новых стандартов, таких как IEC 62439-3 (HSR/PRP) и TSN Time-Sensitive Networking - (набор стандартов, разрабатываемых целевой группой Time-Sensitive Networking рабочей группы IEEE 802.1), стало возможно удовлетворить эти критически важные сетевые потребности. Эти стандарты, наряду с развитием в этом технологическом пространстве, стимулируют инновации в промышленных сетях. 

Компания DIGICOM является экспертом в решениях Ethernet, которые обеспечивают сетевую связь в реальном времени и тесно сотрудничает с участниками многих ведущих отраслевых и академических групп, которые принимали активное участие в определении и разработке новых протоколов на базе детерминированного Ethernet, таких как бесшовное резервирование с высокой доступностью (HSR), протокол параллельного резервирования (PRP) и чувствительные ко времени сети (TSN).  Кроме того, компания работает над проектированием и разработкой собственных устройств и системных решений, чтобы предложить полный ассортимент продуктов TSN для промышленной автоматизации.

Технология PRP

Протокол PRP работает путем создания параллельных путей в избыточных сетях для прохождения дублирующихся пакетов данных. Узлы с двойным подключением (DAN) подключены к двум независимым и стандартным локальным сетям Ethernet (LAN A и LAN B) с идентичными кадрами, отправляемыми по обеим сетям.

Основные принципы работы HSR:

В протоколе PRP определены следующие типы устройств:

DAN (Double Attached Node for PRP) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, может напрямую подключаться к двум параллельным сетям, работающим в системе PRP. Кроме того, DAN должны уметь взаимодействовать с дублированными пакетами (создавать и отбрасывать копии пакетов).
SAN (Single Attached Node) – конечное оборудование с одним сетевым интерфейсом. Для подключения SAN-устройств к PRP-сетям необходимо использовать RedBox.
RedBox (Redundancy Box) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, служит для подключения SAN-устройств к PRP-сетям.

Технология PRP обеспечивает получение всей информации, даже если одна из сетей выходит из строя.

Узлы без PRP могут игнорировать кадры, что снижает требования к обработке, а протокол PRP совместим со стандартным оборудованием Ethernet.

Технология HSR

HSR - один из двух протоколов, стандартизированных в IEC 62439-3, наряду с PRP. Ключевое различие между этими двумя протоколами заключается в том, что HSR фокусируется на обеспечении бесшовного резервирования в сетях с ограничениями по времени, в то время как PRP может обеспечивать бесшовное резервирование через две независимые стандартные сети Ethernet. PRP обеспечивает резервирование узлов.

Основные принципы работы HSR:

Узлы HSR могут иметь только кольцевую топологию, при этом HSR обеспечивает избыточность, отправляя пакеты в обоих направлениях. Простая сеть HSR состоит из дважды подключенных узлов моста, каждый из которых имеет два порта Ethernet. Оба порта отправляют один и тот же фрейм данных, так что в безотказном сценарии узлы получают два идентичных фрейма. Это означает, что даже если соединение разорвано, потери кадров не происходит, и связь между всеми сетевыми узлами продолжается.

Однако требование кольцевой топологии может ограничивать реализацию HSR в периферийных промышленных вычислениях. Точно так же HSR требует, чтобы все узлы либо обрабатывали, либо передавали все пакеты данных, что может увеличить требования к обработке и увеличить задержку в сети.

Технология TSN

Технология, которая кажется наиболее многообещающей в промышленных и критически важных сетях, - это TSN, которая находится на канальном уровне (второй уровень) в модели взаимодействия открытых систем (OSI). TSN определяется группой стандартов IEEE 802 и обеспечивает детерминизм для применения расширенных политик качества обслуживания, а также поддерживает объединение в реальном времени, зарезервированного и оптимального трафика в одной сети. TSN также уникален тем, что его потоки доставляются с гарантированной пропускной способностью и детерминированной задержкой.

Полностью централизованная модель TSN

Основные принципы работы TSN:

Синхронизация времени:

• Все устройства в сети TSN должны быть синхронизированы с точностью до микросекунд.
• Это достигается с помощью протокола точного времени (PTP, Precision Time Protocol), который обеспечивает единую временную базу для всей сети.
• Также на данный момент разрабатывается стандарт IEEE 802.1AS, который будет отвечать за синхронизацию точного времени для чувствительных ко времени задач и приложений в TSN сети.

Планирование трафика:

• TSN использует различные методы планирования трафика для обеспечения детерминированной доставки данных.
• Это означает, что для каждого потока данных заранее определяется временной интервал, в течение которого он будет передаваться.
• Механизмы планирования TSN гарантируют, что критичные данные будут иметь приоритет над менее важными, и что все данные будут доставлены в заданное время.
• Планировщик трафика TSN объединяет в себе ряд механизмов, описанных в протоколах 802.1Qch (циклическая организация очередей фреймов и их пересылка), 802.1Qbu (механизм вытеснения фреймов), 802.1br (дробление фреймов и их пересылка).

Управление потоком данных:

• TSN использует различные механизмы управления потоком данных для предотвращения перегрузки сети.
• Эти механизмы гарантируют, что устройства не будут передавать данные быстрее, чем сеть может их обработать.

Резервирование:

• TSN обеспечивает резервирование каналов связи и устройств для повышения надежности сети.
• Это означает, что если один канал связи или устройство выйдет из строя, данные будут автоматически перенаправлены по резервному каналу или устройству.
• За резервирование и конфигурацию канала передачи данных отвечают стандарты 802.1Qci (фильтрация и контроль потока), 802.1Qca (контроль пути передачи трафика и резервирование) и 802.1CB (копирование и удаление фреймов)

Совместимость с Ethernet:

• TSN основана на стандартах Ethernet, что делает ее совместимой с существующими сетями Ethernet.
• Это означает, что устройства TSN могут работать в тех же сетях, что и традиционные устройства Ethernet.

Благодаря этим принципам TSN обеспечивает детерминированную передачу данных с минимальной задержкой, что делает ее идеальной для приложений, где критична временная чувствительность данных.

В настоящее время разрабатывается несколько стандартов IEEE, которые описывают определенные функции TSN, включая синхронизацию (802.1AS), запланированный трафик (802.1Qbv), зарезервированный трафик (802.1Qav), бесшовное резервирование (802.1CB) и приоритет кадра (802.1Qbu) и (802.3br). Хотя не все стандарты требуются для поддержки TSN, сети и коммутаторы, которые могут соответствовать этим стандартам, дают явное преимущество в промышленной сфере. Вышеупомянутые подстандарты являются одними из наиболее актуальных для промышленных сетей.

TSN позволяет проектировать сети реального времени и критически важные сети на основе технологий Ethernet. Помимо предоставления необходимых инструментов для детерминированного планирования, TSN поставляется с дополнительными функциями для настройки, безопасности и надежности.

В группу стандартов TSN входят:

IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination (FRER) является единственным протоколом в наборе инструментов TSN для добавления отказоустойчивости посредством отправки тех же пакетов по избыточным путям. Хотя его основные функции определены стандартом, его эффективное использование в основном зависит от фактического сценария развертывания и стратегии выбора пути.

Технология FRER

Описание стандарта IEEE 802.1CB

Для многих систем реального времени на базе Ethernet и особенно в промышленной автоматизации, отказоустойчивость стала необходимым требованием для обеспечения безотказной работы. В результате был опубликован стандарт IEEE 802.1CB-2017 - Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER). В настоящее время это единственный доступный стандарт, для синхронизированных сетей, предлагающий защиту от ошибок передачи. Он является ключевым компонентом сетей TSN и обеспечивает повышение надежности передачи данных в реальном времени за счет репликации и последующего удаления дубликатов кадров. Это позволяет гарантировать доставку критически важных данных даже в случае отказов или ошибок в сети.

Управление избыточностью (резервированием) в FRER имеет аналогичную схему реализации с протоколами HSR и PRP. Используя IEEE 802.1Qca и 802.1Qcc, FRER может устанавливать и управлять назначенными непересекающимися путями, тем самым сохраняя полный контроль над дублированными потоками.

Репликация пакетов может использовать информацию о классе трафика и пути для минимизации перегрузки сети. Каждый реплицированный кадр имеет идентификационный номер последовательности, используемый для переупорядочивания и объединения кадров, а также для удаления дубликатов.

Принцип работы FRER

• Репликация кадров: Критические кадры дублируются и отправляются по нескольким путям в сети. Это гарантирует, что хотя бы один экземпляр кадра достигнет получателя даже при наличии ошибок или сбоев в сети.
• Удаление дубликатов: На стороне получателя происходит проверка и удаление дубликатов кадров. Это предотвращает обработку одного и того же кадра несколько раз, что может привести к ошибкам или задержкам

Схема работы FRER

Схема работы FRER можно представить следующим образом:

Эта схема показывает, как FRER обеспечивает надежную передачу данных, реплицируя критические кадры и удаляя дубликаты на стороне получателя, что позволяет поддерживать высокий уровень надежности и точности в сетях TSN.

Применение FRER в сетях TSN

Технология FRER используется в сетях TSN для обеспечения бесперебойной работы критически важных приложений, таких как промышленная автоматизация, системы управления в реальном времени и другие области, где надежность передачи данных имеет первостепенное значение. Устройства, поддерживающие FRER обеспечивают реализацию этой технологии для повышения надежности сетей. 

Продукты TSN для промышленной автоматизации

ZIRCON3828SMP
Модульная платформа L3/L2 до 28 портов, 4 фиксированных 10 Гбит uplink порта, 6 слотов для интерфейсных модулей, поддержка 1588v2 (PTP), MRP, МЭК 61850-3, МЭК 61850-8-1 (MMS), поддержка IEEE 802.1CB (FRER) на каждом порту, PoE (IEEE802.3af/at/bt класс 5), слоты PS1 и PS2 для БП с возможностью горячей замены.