TSN: конвергентные сети для улучшения работы IIoT

Внедрение индустриального «Интернета вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT), безусловно, порождает определенную долю проблем, одной из которых является конвергенция сетей чисто информационных технологий (Information Technology, ИТ) и сетей операционных технологий (Operational Technology, OT), управляющих технологическими процессами на предприятии. В настоящее время эти сети зачастую существуют сами по себе и функционируют раздельно. При этом выделенные шлюзы обеспечивают им ограниченную связь в каждом направлении. Однако для использования киберфизических систем они должны тесно контактировать, работать в тандеме, как единое целое.

Как известно, текущая архитектура управления средствами промышленной автоматизации является иерархической. Здесь приложения, ответственные за планирование ресурсов предприятия (Enterprise Resource Planning, ERP), находятся на самом высоком уровне и обеспечивают интегрированное управление и автоматизацию бизнес-процессов, вплоть до автоматизированных систем управления производственными и технологическими процессами (Manufacturing Execution System, MES), которые контролируют непосредственно сам производственный процесс. Здесь задачи автоматизации выполняют программируемые логические контроллеры (ПЛК). Для этого они используют подключенные в сеть устройства, такие как электроприводы, различные датчики или устройства входа/выхода (I/O), которые находятся на самом низком уровне в иерархии. Эти уровни в целом часто называют «Пирамидой автоматизации» (рис. 1), представляющей все множество устройств нижних уровней и высокопроизводительные компьютерные системы в ее верхней части. Сами слои или, как их еще называют, уровни пирамиды иллюстрируют ступени в рамках этой сложной иерархии.

Рис. 1. Пирамида автоматизации иллюстрирует типичное предназначение сетей в рамках иерархии управления предприятием

Различные уровни в рассматриваемой пирамиде имеют и разные требования к сети. В то время как более высоким уровням требуется более высокая пропускная способность и гибкие сетевые топологии, нижние уровни нуждаются в детерминированном поведении и возможности передачи выборок данных в постоянные интервалы времени с низкой вариацией времени задержки передаваемых пакетов данных. Это и приводит к созданию нескольких отдельных сетей, которые работают бок о бок.

Рассматриваемая в данной статье конвергентная сеть будет решать сразу несколько проблем, которые в настоящее время присутствуют в имеющейся на текущий момент разрозненной сетевой архитектуре:

• Достижение большей прозрачности: все данные из всех ступеней в иерархии могут быть доступны для каждого элемента на предприятии.
• Сокращение и упрощение сетевого планирования: более гибкие топологии позволяют упростить внесение изменений.
• Снижение капитальных затрат: сокращение числа кабелей; уменьшение количества шлюзов между сетями с различными протоколами.
• Уменьшение эксплуатационных расходов: сокращение затрат на обслуживание и администрирование сети.
• Более широкая полоса пропускания: благодаря устранению ограничения на скорость передачи данных сети.
• Оптимизация для M2M (межмашинного взаимодействия): сеть уже готова для взаимодействия между машинами с общей моделью данных, например OPC UA, в рамках всего предприятия.

Эта конвергенция обеспечивается технологией Time Sensitive Networking (TSN), подразумевающей в своей основе времячувствительную сеть. TSN представляет собой развитие стандартов группы IEEE 802.1 и обеспечивает очень строгую синхронизацию и детерминированную связь по Ethernet между участниками распределенной сети без каких-либо дополнительных соединений, сохраняя тем самым в рамках одной и той же сети максимальные преимущества в части коммуникации. С этой целью TSN вводит разные классы трафика, которые используют одну и ту же линию связи. Конфигурация сети TSN резервирует ресурсы для потоков с детерминированными временными характеристиками. Таким образом, она позволяет реализовать одну общую сеть, поддерживающую несколько стандартов связи.

Такая сеть, по сравнению со стандартным Ethernet, открывает широкие возможности для целого ряда улучшений. Как известно, стандартная связь Ethernet по своей природе не зависит от времени. Здесь данные распределяются по всей ширине полосы пропускания канала связи пакетами, поставленными в очередь для их передачи. TSN согласовывает информацию о времени с запланированным трафиком при настроенных временных смещениях, организовывая передачу циклическими интервалами. Это реализуется расписанием (временным графиком) передач, сформированным контроллером сетевой конфигурации. Дальнейшие функции TSN включают фильтрацию и контроль объемов трафика в сети для потоков TSN, бесшовное сокращение (избыточность) и поддержку циклической передачи данных, а также обеспечивают приоритетное прерывание обслуживания при поступлении пакетов с более высоким назначенным приоритетом.

Как уже было сказано, технология TSN определяется набором стандартов IEEE 802.1, которые определяют ее имплементацию (табл.). По состоянию на сентябрь 2017 г. четыре из этих стандартов приняты, а остальные по-прежнему находятся на различных этапах реализации в группах по разработке технического задания и в рабочих группах.

Протоколы указанных в таблице стандартов реализуются через физический уровень Ethernet (IEEE 802.3 Physical layer) и поддерживают звездообразные, цепные, кольцевые и смешанные топологии. При этом они не ограничиваются конкретной скоростью передачи данных. Индустриальные приложения будут использовать в основном скорость передачи данных 100 Мбит/с и 1 Гбит/с. Таким образом, TSN обеспечивает конвергенцию между ИT- и OT-сетями. Межсетевая конвергенция, как уже было сказано выше, сокращает общие затраты на реализацию сети, что значительно снижает также стоимость ее использования и текущего обслуживания.

Имплементация технологии TSN

Для правильной реализации всех преимуществ технологии TSN требуется решение, которое может обеспечить малую задержку и детерминированный ответ в конечных точках сети и мостах TSN. Эту задачу могут решать многие приложения. Как правило, применяется метод комбинирования процессора и программируемой логики архитектуры FPGA (Field Programmable Gate Array), которые подключены по высокоскоростному каналу, например PCIe. Однако такое двухчиповое решение не только увеличивает занимаемое пространство на плате, но и повышает энерго­потребление, увеличивает время разработки и стоимость. Оно также не позволяет выполнить разработку целостного, полностью интегрированного решения. Кроме того, разделение решения между двумя устройствами увеличивает сложность его тестирования и конечной верификации.

Чтобы избежать этих проблем, разработчики таких сетей для реализации своих решений выбирают альтернативные варианты, а именно — использование FPGA Zynq-7000 и Zynq UltraScale+ MPSoC, которые представляют собой полностью программируемые системы на кристалле (SoC). Эти устройства объединяют в себе систему обработки (Processing System, PS) и программируемую логику (Programmable Logic, PL) и предназначены для реализации приложений сбора, управления и обработки данных. Они обеспечивают:

• возможность взаимодействия и управления широким спектром датчиков, исполнительных механизмов, двигателей и других интерфейсов конкретного приложения;
• возможность реализации комплексной обработки на границе сети, например машинного обучения, слияние данных датчиков (объединения данных с множества датчиков с целью снижения неопределенности по сравнению с индивидуальным использованием данных каждого датчика), обработку изображений и аналитику в реальном времени;
• масштабируемость в отношении числа сетевых интерфейсов;
• обеспечение безопасности и способности устройства и системы быть надежными с точки зрения обеспечения передачи и обмена информацией, защиты от несанкционированного доступа и достоверности.

Устройства Zynq также поддерживают любое взаимодействие и возможность объединения PS и PL.

Если посмотреть более пристально на SoC, предлагаемые компанией Xilinx, то они включают в себя подсистему TSN 1G/100M LogiCORE IP, которая состоит из логики FPGA для MAC, мост и конечную точку TSN. Решение TSN с выделенными логическими ресурсами гарантирует, что временное поведение такой системы будет строго детерминировано.

Программное обеспечение, которое работает в области PS, предназначено для сетевой синхронизации, инициализации и взаимодействия с контроллерами сетевой конфигурации для целей резервирования потока. Программное обеспечение предназначено для работы на PetаLinux (дистрибутив Linux, поддерживаемый компанией Xilinx) и будет опубликовано для сборок Yocto.

LogiCORE IP также имеет дополнительный интегрированный коммутатор уровня 2 (L2-switch) с синхронизацией по времени, который без выделения другого порта на внешнем коммутаторе TSN создает цепочку или топологию дерева, требуемую во многих индустриальных приложениях. Для бесшовной избыточности (протокол P802.1CB) также может потребоваться еще и дополнительный порт. Перед синтезом, с полным IP (рис. 2), пользователь может свободно конфигурировать систему исходя из того, должен ли быть интегрирован коммутатор или нет.

Рис. 2. Синхронизирующийся по времени сети сетевой IP-интерфейс, интегрированный в систему на кристалле Zynq-7000 и Zynq UltraScale+ MPSoC компании Xilinx

После завершения разработки ядро TSN IP обеспечивает отдельные порты потоковой передачи AXI для каждого класса трафика, при этом поддерживаются плановый трафик, зарезервированный трафик и привилегированный трафик с максимальной поддержкой. Потоковые порты AXI подключаются к инфраструктуре, которая представлена в среде проектирования Vivado Design Suite от Xilinx. А для конфигурации блоков TSN используется интерфейс AXI Lite.

Полностью готовая к использованию и имплементации для целей оценки система включает в себя прямой доступ к памяти (DMA) отдельно для каждого из классов трафика. Система оценки, представленная на рис. 3, может использоваться для проверки поведения компонентов Xilinx как самостоятельно, так и в сочетании с оборудованием сторонних производителей или с анализаторами протоколов.

Рис. 3. Реализация TSN для целей оценки (с использованием Zynq UltraSCALE+ MPSoC)

Поскольку область PL является достаточно гибкой, она также предоставляет возможности обновлять ядро IP, как того требуют стандарты TSN, а также по результатам тестирования на соответствие специфическим требованиям конкретного сегмента рынка. В отличие от использованного подхода устройства с фиксированными аппаратными реализациями, например пользовательские ASIC (интегральная схема, специализированная для решения конкретной задачи) и стандартные приложения для конкретных приложений или ASSP (стандартная интегральная схема, ориентированная на конкретное приложение), не имеют возможности вводить функциональные изменения в эволюцию TSN.

Чтобы продемонстрировать возможности ядра TSN IP в действии, Xilinx создала демонстрационное приложение для обеих плат разработки ZCU102 и ZC702. Подключение двух этих плат (рис. 4) позволяет передавать и получать сетевой трафик, что дает возможность проверить функционирование и выполнить валидацию TSN-сети.

Рис. 4. Система оценки функционирования сети TSN

С целью облегчения проектирования и имплементации TSN консорциум промышленного Интернета (Industrial Internet Consortium, IIC), членом которого является Xilinx, предлагает специальный стенд. Данное оборудование предназначено для тестирования сетей технологии TSN, с его помощью компании могут проводить проверку ее совместимости с оборудованием от различных поставщиков, а также тестирование высокопроизводительных и критичных к задержкам передачи и обработки информации приложений. Это тестирование может происходить как в официальном порядке, так и на одном из двух постоянных испытательных стендов, расположенных в США или Европе.

Заключение

Для того чтобы имплементировать развертывание киберфизических систем в рамках «Индустрии 4.0» и IIoT, необходимо обеспечить конвергенцию между ИТ- и промышленными OT-сетями. В этом плане предлагаемая технология TSN позволяет сблизить эти сети, обеспечивая тем самым значительные преимущества в отношении сетевого подключения, масштабируемости, стоимости развертывания и обслуживания таких сетей.