TSN er den nyeste udbygning af Ethernet-standarden, men hvad består den af, og hvordan kan den bruges til synkronisering af enheder på et netværk?
Introduktion til TSN
Ethernet er en vidt anvendt kommunikationsstandard, der udgør rygraden i internettet. Den er standardiseret i IEEE 802.3 og bruges til at kommunikere et væld af data med. Den har dog den ulempe, at den ikke er deterministisk. Det vil sige, at der ikke er en garanteret svartid på forespørgsler over Ethernet. For almindelig internettrafik er determinisme ikke et krav, men for højtydende software og reguleringsprocesser er det afgørende, at data når frem til tiden.
Der er lavet forskellige løsninger for at indføre determinisme, blandt andet EtherCAT, der er et lukket netværk med en fast dataramme, som transmitteres ved en høj repetitionsrate. EtherCAT kan dog ikke udvides til et åbent netværk, og tillader ikke anden data end det, der på forhånd er defineret.
TSN er en generel løsning, der tillader deterministisk kommunikation på åbne ethernet-netværk. Den forudsætter hardware, der understøtter TSN, men er bagud-kompatibel, så almindelig ethernetdata kan transmitteres over TSN-aktiverede netværk.
Synkronisering
For at kunne levere deterministisk kommunikation kræves der et fælles tidskoncept, hvilket er fraværende i standard Ethernet. Dette involverer, at man kan synkronisere forskellige enheder over TSN, hvilket er kernen i dette indlæg. Synkronisering er standardiseret i TSN under IEEE 802.1AS, som er en udvidelse af en tidligere standard, IEEE 1588, der også er kendt som Precision Time Protocol (PTP). Derfor er TSN kompatibel med PTP – men hvor PTP arbejder på niveau 3 i OSI-modellen, så er TSN en niveau 2 teknologi, hvilket betyder, at den er upåvirket af netværkstrafik.
Synkroniseringen i TSN tager udgangspunkt i et master-ur, som alle de andre enheder refererer til. Master-uret vælges automatisk på det lokale netværk ud fra, hvilke der er tilgængelige og deres specifikationer. Hvis master-uret bliver utilgængeligt, bliver der automatisk valgt en ny master, som de andre enheder refererer til.
Ud fra master-uret bliver der nu sendt synkroniseringspakker til de andre enheder på netværket. Disse pakker måler afstanden fra masteren til alle slaver, og denne information bliver brugt til at korrigere slavernes ure, når de skal synkroniseres til master-uret. På denne måde kan TSN tage højde for forskellig kabellængde, forskellige svartider og andre imperfektioner i netværket for at få et synkront netværk.
Hvorfor TSN?
Kvaliteten af synkronisering i TSN er mindre end 1 µs som standard, men den kan ofte blive bedre, hvis man optimerer netværket. Det betyder, at TSN er en ideel teknik til distribuerede dataopsamlingssystemer med høj samplingsrate, hvor der transporteres stores datamængder over netværket. Det gør TSN egnet til for eksempel strukturelle tests, hvor store emner måles med mange strain gauges ved samplingsrater, der kan passere 100 kHz.
Deterministisk kommunikation via TSN åbner op for at bruge Ethernet i systemer, der styres af realtids-operativsystemer (RT-OS), så som maskinkontrol og hardware-in-the-loop (HIL). Her kræves der streng determinisme, hvilket gør almindelig ethernet uegnet. For at læse mere om dette, og hvordan NI’s produkter understøtter TSN, se her.
