Les principes de base des réseaux sensibles au temps

Découvrez les avantages des réseaux sensibles au temps (TSN) et comment les ingénieurs l'utilisent pour s'assurer qu'un système industriel est prêt pour l'avenir. Cet article se concentre sur trois membres de l'ensemble des normes TSN.

Différents domaines technologiques ont leur propre ensemble d'exigences uniques en matière de prévisibilité et de sensibilité au temps, ce qui peut présenter des défis pour les concepteurs de systèmes cherchant à transmettre des données sur une connexion partagée. Une faible latence et des délais réduits doivent être pris en compte lors de l'utilisation d'un réseau partagé. Heureusement, il existe une solution à ce défi :la mise en réseau sensible au temps (TSN). TSN repose sur l'Ethernet standard et définit un ensemble de normes permettant aux concepteurs de systèmes d'utiliser un réseau Ethernet pour transmettre des données IT et OT sur une connexion partagée.

Dans cet article, découvrez les avantages des réseaux sensibles au facteur temps et comment les ingénieurs l'utilisent pour s'assurer qu'un système industriel est prêt pour l'avenir. Cet article se concentre sur trois membres de l'ensemble des normes TSN, les explique en détail et mentionne quelques appareils qui intègrent des fonctionnalités de mise en réseau urgentes dans leur matériel.

Qu'est-ce qu'un réseau sensible au temps ?

Dans les systèmes distribués avec de nombreux appareils, comme une usine moderne, les appareils connectés peuvent avoir des besoins très différents et des objectifs potentiellement conflictuels pour communiquer avec d'autres composants d'un réseau. Une façon d'examiner les données transmises est de les considérer dans le contexte des domaines de la technologie de l'information (TI) et de la technologie opérationnelle (OT).

Le trafic technologique opérationnel, tel que les données de contrôle des machines et les valeurs des capteurs, nécessite généralement que le réseau se comporte de manière prévisible. La communication dans ce domaine nécessite des délais fixes, une faible latence et une faible gigue. D'autre part, le trafic informatique est constitué de données telles que le trafic de courrier électronique et les mises à jour de firmware, par exemple. Ici, les contraintes de temps ne sont pas de la plus haute importance et la communication se fait généralement au mieux.

Alors que le trafic informatique nécessite généralement plus de bande passante, les données n'ont pas besoin d'atteindre la destination dans un délai donné. Au lieu de cela, le débit global est généralement ce qui compte. Pour OT, d'autre part, des données manquantes à un certain moment peuvent conduire à des échecs, et donc les données doivent atteindre leur destination dans certaines contraintes de temps réel.

Parfois, les ingénieurs résolvent ce problème en maintenant deux réseaux distincts, l'un pour le trafic OT et l'autre pour l'infrastructure informatique. TSN (réseau sensible au temps) est un ensemble de normes qui s'appuient sur l'Ethernet standard, permettant au trafic OT et informatique de partager le même réseau en respectant les besoins individuels de chaque domaine. TSN ajoute du déterminisme à Ethernet en réduisant les retards du réseau et la latence entre les points de terminaison, garantissant que les paquets individuels peuvent atteindre leur destination à temps.

Normes TSN

Comme mentionné, TSN est un ensemble de normes reposant sur Ethernet. Chaque norme décrit une fonctionnalité différente, et les concepteurs de systèmes peuvent choisir de combiner des normes pour adapter davantage le réseau à leurs besoins. Le tableau suivant donne un aperçu des normes TSN (Cet article traite de 802.1AS, 802.1CB et 802.1Qbv) :

Figure 1. Certaines des normes TSN ont des cas d'utilisation industriels.

Calendrier et synchronisation pour les applications sensibles au temps avec 802.1AS

Les normes TSN sont issues du protocole de précision de l'heure (PTP, IEEE1588®). L'idée principale derrière PTP est de synchroniser les horloges des machines distribuées au sein d'un réseau. PTP utilise un arbre de distribution d'horloge, et généralement il y a aussi un grand maître, qui est la source de tout le timing. Ce grand maître reçoit l'heure d'une source de haute précision - par exemple, une horloge GPS de haute précision. Les nœuds esclaves au sein du réseau synchronisent leur heure locale avec l'heure d'un nœud maître d'une manière point à point.

PTP a servi de base aux normes TSN et gPTP fait partie de la norme 802.1AS. PTP et gPTP partagent de nombreuses terminologies communes, mais il existe également quelques différences clés. L'une de ces différences est que PTP se trouve sur la couche de transport du modèle de couche OSI et, par conséquent, permet de nombreuses méthodes de transport sous-jacentes différentes. D'autres différences entre gPTP et PTP sont résumées dans le diagramme ci-dessous. Les nouvelles révisions de gPTP ramènent la possibilité d'utiliser des horodatages en une étape. Enfin, gPTP nécessite des mécanismes de retard d'égal à égal et s'attend à ce que tous les appareils soient syntonisés, ce qui signifie qu'ils ont une base de fréquence standard et que toutes les horloges fonctionnent au même rythme.

Figure 2. Les différences entre PTP et gPTP.

Les ingénieurs peuvent utiliser la norme 802.1AS pour synchroniser les tâches dans une machine ou sur un réseau industriel. Cet article présente plus tard un exemple de contrôle de moteur synchronisé qui utilise 802.1AS.

Création de réseaux redondants avec 802.1CB

La norme 802.1CB permet aux concepteurs de systèmes de créer des flux de communication redondants sur un réseau. Une application typique est dans un réseau à topologie en anneau avec plusieurs appareils. La communication entre les appareils est répliquée et envoyée dans chaque direction de l'anneau. S'il y a une rupture dans l'anneau à un moment donné, tous les appareils pourront toujours communiquer entre eux sans perte de paquets et sans aucun retard encouru par un algorithme de retransmission.

Figure 3. Un diagramme de topologie en anneau avec redondance des messages.

Chaque fois qu'un appareil (l'orateur) veut communiquer avec un autre appareil (l'auditeur) dans l'anneau, il enverra des messages en double dans différentes directions. Cette fonctionnalité est implémentée dans le matériel afin que le commutateur activé TSN duplique le paquet et insère une étiquette de redondance qui inclut un en-tête qui identifie le flux répliqué et inclut un ID de séquence pour permettre au récepteur d'éliminer les doublons qu'il reçoit. Le matériel compatible TSN dans l'écouteur reçoit les paquets des deux directions sur l'anneau et détecte le premier paquet unique. Il rejette ensuite automatiquement tous les paquets en double arrivant plus tard qui utilisent le même ID de séquence.

Le déchargement de ces tâches sur le matériel compatible TSN simplifie le développement logiciel car il supprime le besoin d'algorithmes de retransmission compliqués.

Pour utiliser 802.1CB, les concepteurs du système doivent identifier les flux de trafic à répliquer via les commutateurs compatibles TSN. Il existe quelques méthodes différentes, mais au cœur de chacune d'entre elles, le commutateur réseau réplique les messages qui correspondent à un modèle prédéterminé (par exemple, tous les messages allant à un périphérique avec une certaine adresse MAC).

Combiner le trafic OT et IT sur un seul réseau avec 802.1Qbv

La norme 802.1Qbv utilise un module de mise en forme sensible au temps, qui est implémenté sur le port de sortie (port sortant) d'un commutateur Ethernet ou d'un contrôleur Ethernet autonome au sein d'un SoC. Le shaper conscient du temps détermine quand le trafic peut sortir vers le fil. La norme définit huit files d'attente pour différents flux de trafic et le logiciel configure ces files d'attente à l'aide d'une liste de contrôle de porte.

Figure 4. Un exemple schématique d'un programme 802.1Qbv. Le calendrier contient deux régions temporelles distinctes (gris et bleu) pour transmettre séparément les données OT et IT.

La liste de contrôle des portes définit le calendrier auquel les portes s'ouvrent pour drainer le trafic hors des files d'attente. Ces listes sont polyvalentes et permettent d'ouvrir ou de fermer plusieurs portes simultanément. Il est également possible de définir un intervalle de temps unique pour chaque étape du programme.

Chaque application logicielle exécutée sur l'appareil affecte le trafic à une file d'attente différente, en fonction du niveau de priorité de cette application ou des données qu'elle transmet. Le mappage peut se produire par protocole, port de destination et certains types de trafic (par exemple, PTP sur UDP). Tous les appareils d'un réseau sont synchronisés et gérés, garantissant que les flux de données critiques n'entreront pas en collision sur le réseau et qu'ils répondent à leurs exigences en temps réel.

Le matériel TSN applique également automatiquement une bande de garde avant chaque intervalle de temps. Cela garantit que la transmission d'un gros paquet ne démarre pas juste avant une transition de porte. Sinon, une transmission de paquets de faible priorité peut s'exécuter sur un intervalle de temps de priorité plus élevée. Le matériel inspecte chaque paquet avant la transmission, et s'il ne peut pas terminer un paquet pendant l'intervalle de temps actuel, le matériel le conservera jusqu'à ce que l'intervalle de temps suivant pour cette classe de trafic soit disponible.

Activation logicielle pour la mise en réseau urgente

NXP fournit plusieurs outils logiciels pour utiliser les fonctionnalités TSN dans le Layerscape® LS1028A et d'autres microprocesseurs.

Logiciel Open Source

Pour ceux qui préfèrent les plates-formes de développement open source, NXP propose tsntool pour configurer toutes les fonctionnalités TSN du LS1028A, ou bien, les développeurs peuvent utiliser la commande tc qui fait partie de la suite d'utilitaires Linux iproute2. Tc peut configurer les shapers sensibles au temps et diriger le trafic des applications vers les différentes files d'attente de trafic. gPTP est pris en charge via le package ptp4l.

Pile de pont audio-vidéo (AVB) et de mise en réseau sensible au temps (TSN)

NXP propose également une pile AVB/TSN portable qui peut fonctionner à la fois sur des microprocesseurs et des microcontrôleurs, offrant une option aux développeurs qui ont besoin de déployer TSN sur un ensemble évolutif de plates-formes.

La discussion 802.1Qbv ci-dessus mentionnait le kit de développement logiciel (SDK) Layerscape LS1028A comme un moyen de télécharger une liste de contrôle de porte vers un contrôleur Ethernet compatible TSN. Le LS1028A est un processeur d'applications basé sur deux cœurs Arm® Cortex®-A72 qui exécutent généralement le système d'exploitation Linux® ou un autre système d'exploitation de haut niveau ou un système d'exploitation en temps réel.

Le LS1028A comprend un contrôleur Ethernet compatible TSN ainsi qu'un commutateur réseau intégré prenant en charge TSN. De plus, le processeur d'applications LS1028A prend en charge diverses fonctionnalités de sécurité telles que les moteurs cryptographiques et une architecture de confiance. En outre, l'appareil intègre également l'accélération graphique 3D et la prise en charge du moniteur via DisplayPort (DP).

Le LS1028A peut exécuter un Linux industriel ouvert, spécialisé dans les cas d'utilisation industriels. Cela permet à l'appareil de fonctionner dans des environnements en temps réel et d'exécuter un traitement à faible latence (avec xenomai Linux). De plus, l'appareil peut exécuter du code bare-metal sur un cœur et Linux, par exemple, sur l'autre.

De plus, NXP fournit un support open source pour TSN ainsi que des outils pour le configurer. Au sein du Linux industriel ouvert, NXP fournit une prise en charge des pilotes open source pour PTP. Ces pilotes permettent aux utilisateurs de contrôler l'horloge matérielle PTP et l'horodatage.

Une partie de l'exemple de commande de moteur synchrone à venir utilise la pile commerciale NXP AVB, qui est l'itération précédente de certaines des normes discutées. NXP ajoutera la prise en charge de TSN à l'avenir.

En alternative au Layerscape LS1028A, le MCU croisé i.MX RT1170 est un autre périphérique NXP qui prend en charge TSN. Ce MCU croisé à double cœur comprend un cœur Cortex-M7 capable de fonctionner jusqu'à 1 GHz, ainsi qu'un cœur Arm Cortex-M4 intégré cadencé à 400 MHz.

Ce MCU croisé associe de nombreuses E/S MPU typiques à des cœurs de microcontrôleur hautes performances, des capacités d'affichage, une sécurité avancée et dispose d'un contrôleur Ethernet compatible TSN.

Un exemple pratique :commande de moteur synchrone avec TSN

Dans l'exemple pratique suivant, deux moteurs ont des disques en plastique avec des fentes qui leur sont attachées, qui doivent fonctionner ensemble de manière synchrone afin que les disques ne se bloquent pas l'un dans l'autre. Pour ce faire, un MCU i.MX RT1170 exécute la tâche de coordination de l'ensemble du système en utilisant son contrôleur Ethernet compatible 802.1AS.

Figure 5. Un aperçu de haut niveau de l'exemple de commande de moteur synchrone. Le MCU i.MX RT1170 assure le fonctionnement synchrone des moteurs, les ponts réseau alimentés par le LS1028A garantissent que les données à temps critique sont transmises dans un laps de temps différent.

Les moteurs sont connectés à des contrôleurs séparés qui reçoivent des paquets du coordinateur principal. Ces données indiquent aux moteurs quand se déplacer.

Les ponts réseau transfèrent le trafic entre les composants. Dans cet exemple, les ponts utilisent des processeurs d'application Layerscape LS1028A. Ces appareils sont capables de combiner le trafic OT et IT en utilisant la norme TSN 802.1Qbv. Avec cette approche, les données de commande du moteur sont transmises dans un laps de temps différent par rapport aux données informatiques, qui sont des données générées de manière aléatoire dans cet exemple.

Comme mentionné précédemment, il est possible de combiner les normes TSN pour répondre aux exigences d'une application spécifique. Cet exemple montre exactement cela. Le contrôleur principal utilise 802.1AS pour établir une base de temps synchronisée, tandis que les commutateurs implémentent 802.1Qbv pour façonner le trafic réseau afin de garantir que les données urgentes soient transmises dans les limites données. Cela garantit que les moteurs peuvent fonctionner de manière synchrone et aussi rapidement que possible.

Mise en réseau sensible au temps pour les connexions partagées

Les données informatiques et OT ont des exigences contradictoires :le trafic informatique se compose généralement de plus de données que le trafic OT, et la communication au mieux suffit généralement. Le trafic OT, en revanche, est critique en termes de temps. En règle générale, des contraintes strictes de synchronisation, de délai et de latence s'appliquent. Avec TSN, les concepteurs de systèmes peuvent utiliser un réseau Ethernet pour transmettre des données IT et OT sur une connexion partagée.

802.1AS synchronise plusieurs appareils au sein d'un réseau avec une précision de quelques nanosecondes. Cette fonctionnalité est disponible sur de nombreux MCU croisés Layerscape, i.MX et i.MX RT et des logiciels commerciaux open source et clé en main sont facilement disponibles pour prendre en charge TSN.

Avec 802.1CB, les concepteurs de systèmes peuvent introduire une tolérance aux pannes dans leurs systèmes en ajoutant de la redondance à un réseau Ethernet. Avec un matériel compatible TSN, les fonctionnalités de redondance sont déchargées sur le matériel. Cela entraîne moins de surcharge dans le logiciel d'application. Cette fonctionnalité est disponible sur le Layerscape LS1028A, et des logiciels et pilotes open source sont également disponibles.

802.1Qbv introduit la mise en forme temporelle dans les réseaux Ethernet standard. Il fournit un transport à faible latence et à faible gigue pour les flux de trafic Ethernet sensibles au temps, et il réserve de la bande passante pour des applications spécifiques. Les trafics OT et IT partagent un même réseau. Cette fonctionnalité est également disponible sur plusieurs processeurs NXP, et un logiciel commercial open source et clé en main est disponible.

Comme le montre l'exemple de commande de moteur, les différentes normes peuvent être combinées pour répondre aux besoins d'une application particulière.

La page de la communauté NXP fournit une multitude de forums, d'exemples, de notes d'application et d'autres informations sur les processeurs NXP qui peuvent activer la mise en réseau urgente pour permettre des connexions de données partagées.

Les articles de l'industrie sont une forme de contenu qui permet aux partenaires de l'industrie de partager des nouvelles, des messages et des technologies utiles avec les lecteurs d'All About Circuits d'une manière qui ne convient pas au contenu éditorial. Tous les articles de l'industrie sont soumis à des directives éditoriales strictes dans le but d'offrir aux lecteurs des informations utiles, une expertise technique ou des histoires. Les points de vue et opinions exprimés dans les articles de l'industrie sont ceux du partenaire et pas nécessairement ceux d'All About Circuits ou de ses rédacteurs.