Os fundamentos de redes sensíveis ao tempo

Aprenda sobre os benefícios da rede sensível ao tempo (TSN) e como os engenheiros a usam para garantir que um sistema industrial esteja pronto para o futuro. Este artigo enfoca três membros do conjunto de padrões TSN.

Diferentes domínios de tecnologia têm seu próprio conjunto de requisitos exclusivos quando se trata de previsibilidade e sensibilidade ao tempo, o que pode apresentar desafios para projetistas de sistemas que procuram transmitir dados em uma conexão compartilhada. Baixa latência e atrasos de tempo reduzidos devem ser levados em consideração ao utilizar uma rede compartilhada. Felizmente, existe uma solução para esse desafio - redes sensíveis ao tempo (TSN). O TSN se apóia na Ethernet padrão e define um conjunto de padrões para permitir que os projetistas de sistemas usem uma rede Ethernet para transmitir dados de TI e OT em uma conexão compartilhada.

Neste artigo, aprenda sobre os benefícios da rede sensível ao tempo e como os engenheiros a usam para garantir que um sistema industrial esteja pronto para o futuro. Este artigo concentra-se em três membros do conjunto de padrões TSN, explica-os em detalhes e menciona alguns dispositivos que incorporam recursos de rede sensíveis ao tempo em seu hardware.

O que é rede sensível ao tempo?

Em sistemas distribuídos com muitos dispositivos, como um chão de fábrica moderno, os dispositivos conectados podem ter necessidades muito diferentes e objetivos potencialmente conflitantes para a comunicação com outros componentes em uma rede. Uma maneira de ver os dados transmitidos é visualizá-los no contexto dos domínios da tecnologia da informação (TI) e da tecnologia operacional (OT).

O tráfego de tecnologia operacional, como dados de controle da máquina e valores de sensor, normalmente requer que a rede se comporte de maneira previsível. A comunicação neste domínio requer atrasos de tempo fixos, baixa latência e baixo jitter. Já o tráfego de tecnologia da informação são dados como tráfego de e-mail e atualizações de firmware, por exemplo. Aqui, as restrições de tempo não são de extrema importância e a comunicação normalmente é feita de melhor esforço.

Embora o tráfego de TI normalmente exija mais largura de banda, os dados não precisam chegar ao destino em um determinado período de tempo. Em vez disso, o rendimento geral é o que normalmente importa. Para OT, por outro lado, dados ausentes em um determinado ponto no tempo podem levar a falhas e, portanto, os dados devem chegar ao seu destino dentro de certas restrições rígidas de tempo real.

Às vezes, os engenheiros resolvem esse problema mantendo duas redes separadas - uma para tráfego OT e outra para infraestrutura de TI. TSN (rede sensível ao tempo) é um conjunto de padrões baseados na Ethernet padrão, permitindo que o tráfego de OT e TI compartilhe a mesma rede, respeitando as necessidades individuais de cada domínio. O TSN adiciona determinismo à Ethernet, reduzindo os atrasos da rede e diminuindo a latência entre os terminais, garantindo que os pacotes individuais possam chegar ao seu destino a tempo.

Padrões TSN

Conforme mencionado, o TSN é um conjunto de padrões que se baseia na Ethernet. Cada padrão descreve uma funcionalidade diferente, e os projetistas do sistema podem escolher combinar padrões para adaptar a rede mais aos seus requisitos. A tabela a seguir fornece uma visão geral dos padrões TSN (este artigo discute 802.1AS, 802.1CB e 802.1Qbv):

Figura 1. Alguns dos padrões TSN têm casos de uso industriais.

Tempo e sincronização para aplicativos sensíveis ao tempo com 802.1AS

Os padrões TSN originaram-se do protocolo de precisão do tempo (PTP, IEEE1588®). A ideia principal por trás do PTP é sincronizar os relógios das máquinas distribuídas em uma rede. O PTP utiliza uma árvore de distribuição de relógio e, normalmente, também há um grande mestre, que é a fonte de todo o tempo. Este grande mestre recebe a hora de uma fonte de alta precisão - por exemplo, um relógio GPS de alta precisão. Os nós escravos dentro da rede sincronizam sua hora local com a hora de um nó mestre de forma ponto a ponto.

O PTP serviu de base para os padrões TSN e o gPTP faz parte do padrão 802.1AS. O PTP e o gPTP compartilham muitas terminologias comuns, mas também existem algumas diferenças importantes. Uma dessas diferenças é que o PTP fica na camada de transporte do modelo de camada OSI e, portanto, permite muitos métodos de transporte subjacentes diferentes. Outras diferenças entre gPTP e PTP estão resumidas no diagrama abaixo. As revisões mais recentes do gPTP trazem de volta a capacidade de usar carimbos de data / hora de uma etapa. Por último, o gPTP requer mecanismos de atraso ponto a ponto e espera que todos os dispositivos sejam sintonizados, o que significa que eles têm uma base de frequência padrão e que todos os relógios estão funcionando na mesma taxa.

Figura 2. As diferenças entre PTP e gPTP.

Os engenheiros podem empregar o padrão 802.1AS para sincronizar tarefas em uma máquina ou em uma rede industrial. Este artigo apresenta posteriormente um exemplo de controle de motor sincronizado que faz uso do 802.1AS.

Criando redes redundantes com 802.1CB

O padrão 802.1CB permite que os designers do sistema criem fluxos de comunicação redundantes em uma rede. Um aplicativo típico está em uma rede de topologia em anel com vários dispositivos. A comunicação entre os dispositivos é replicada e enviada em cada direção do anel. Se houver uma quebra no anel em qualquer ponto, todos os dispositivos ainda serão capazes de se comunicar uns com os outros sem pacotes perdidos e sem qualquer atraso incorrido por um algoritmo de retransmissão.

Figura 3. Um diagrama de topologia em anel com redundância de mensagem.

Sempre que um dispositivo (o locutor) deseja se comunicar com outro dispositivo (o ouvinte) no anel, ele enviará mensagens duplicadas em diferentes direções. Esse recurso é implementado no hardware de forma que o switch habilitado para TSN duplique o pacote e insira uma etiqueta de redundância que inclui um cabeçalho que identifica o fluxo replicado e inclui uma ID de sequência para permitir que o receptor descarte as duplicatas que recebe. O hardware compatível com TSN no ouvinte recebe os pacotes de ambas as direções no anel e detecta o primeiro pacote exclusivo. Em seguida, ele descarta automaticamente quaisquer pacotes duplicados que cheguem posteriormente e que usem o mesmo ID de sequência.

Transferir essas tarefas para o hardware compatível com TSN simplifica o desenvolvimento de software, pois elimina a necessidade de algoritmos de retransmissão complicados.

Para usar o 802.1CB, os projetistas do sistema devem identificar quais fluxos de tráfego devem ser replicados por meio dos switches compatíveis com TSN. Existem alguns métodos diferentes, mas no núcleo de cada um deles, o switch de rede replica mensagens que correspondem a um padrão predeterminado (por exemplo, todas as mensagens que vão para um dispositivo com um determinado endereço MAC).

Combinação de tráfego de OT e TI em uma única rede com 802.1Qbv

O padrão 802.1Qbv utiliza um modelador com reconhecimento de tempo, que é implementado na porta de saída (porta de saída) de um switch Ethernet ou controlador Ethernet independente em um SoC. O modelador ciente do tempo determina quando o tráfego pode sair para o fio. O padrão define oito filas para diferentes fluxos de tráfego e o software configura essas filas usando uma lista de controle de porta.

Figura 4. Um exemplo esquemático de uma programação 802.1Qbv. A programação contém duas regiões de tempo separadas (cinza e azul) para transmitir dados de OT e TI separadamente.

A lista de controle de portão define a programação em que os portões se abrem para drenar o tráfego das filas. Essas listas são versáteis e permitem que vários portões sejam abertos ou fechados simultaneamente. Também é possível definir um intervalo de tempo exclusivo para cada etapa da programação.

Cada aplicativo de software em execução no dispositivo atribui tráfego a uma fila diferente, dependendo do nível de prioridade desse aplicativo ou dos dados que ele está transmitindo. O mapeamento pode acontecer por protocolo, porta de destino e certos tipos de tráfego (por exemplo, PTP sobre UDP). Todos os dispositivos em uma rede são sincronizados e gerenciados, garantindo que os fluxos de dados críticos não colidam na rede e que atendem aos requisitos de tempo real.

O hardware TSN também impõe automaticamente uma banda de guarda antes de cada intervalo de tempo. Isso garante que a transmissão de um pacote grande não seja iniciada logo antes de uma transição de porta. Caso contrário, uma transmissão de pacote de baixa prioridade pode ser executada em um timeslot de alta prioridade. O hardware inspeciona cada pacote antes de transmitir e, se não puder completar um pacote durante o timeslot atual, o hardware o manterá até que o próximo timeslot para esta classe de tráfego esteja disponível.

Ativação de software para rede sensível ao tempo

O NXP fornece várias ferramentas de software para utilizar os recursos do TSN no Layerscape® LS1028A e em outros microprocessadores.

Software de código aberto

Para aqueles que preferem plataformas de desenvolvimento de código aberto, o NXP oferece tsntool para configurar todos os recursos do TSN no LS1028A ou, alternativamente, os desenvolvedores podem usar o comando tc que faz parte do conjunto de utilitários Linux iproute2. O Tc pode configurar os shapers sensíveis ao tempo e direcionar o tráfego do aplicativo para as diferentes filas de tráfego. O gPTP é compatível com o pacote ptp4l.

Ponte de áudio e vídeo (AVB) e pilha de rede sensível ao tempo (TSN)

O NXP também oferece uma pilha AVB / TSN portátil que pode ser executada em microprocessadores e microcontroladores, oferecendo uma opção para desenvolvedores que precisam implantar o TSN em um conjunto escalonável de plataformas.

A discussão 802.1Qbv acima mencionou o kit de desenvolvimento de software (SDK) Layerscape LS1028A como uma forma de carregar uma lista de controle de porta para um controlador Ethernet compatível com TSN. O LS1028A é um processador de aplicativos baseado em dois núcleos Arm® Cortex®-A72 que normalmente executam o sistema operacional Linux® ou um sistema operacional de alto nível ou sistema operacional em tempo real diferente.

O LS1028A inclui um controlador Ethernet compatível com TSN, bem como um switch de rede integrado que suporta TSN. Além disso, o processador de aplicativos LS1028A oferece suporte a vários recursos de segurança, como mecanismos criptográficos e uma arquitetura confiável. Além disso, o dispositivo também incorpora aceleração de gráficos 3D e suporte para monitor via DisplayPort (DP).

O LS1028A pode executar Linux industrial aberto, que é especializado para casos de uso industrial. Isso permite que o dispositivo funcione em ambientes de tempo real e execute o processamento de baixa latência (com o xenomai Linux). Além disso, o dispositivo pode executar código bare-metal em um núcleo e Linux, por exemplo, no outro.

Além disso, o NXP fornece suporte de código aberto para TSN, bem como ferramentas para configurá-lo. No Linux industrial aberto, o NXP fornece suporte de driver de código aberto para PTP. Esses drivers permitem que os usuários controlem o relógio do hardware PTP e a marcação de tempo.

Parte do próximo exemplo de controle de motor síncrono utiliza a pilha NXP AVB comercial, que é a iteração anterior de alguns dos padrões discutidos. O NXP adicionará suporte a TSN no futuro.

Como alternativa ao Layerscape LS1028A, o crossover MCU i.MX RT1170 é outro dispositivo NXP compatível com TSN. Este MCU crossover dual-core apresenta um núcleo Cortex-M7 que é capaz de operar até 1 GHz, bem como um núcleo Arm Cortex-M4 integrado com clock de 400 MHz.

Este crossover MCU emparelha muitos IOs MPU típicos com núcleos de microcontroladores de alto desempenho, recursos de exibição, segurança avançada e possui um controlador Ethernet habilitado para TSN.

Um exemplo prático:controle de motor síncrono com TSN

No exemplo prático a seguir, dois motores têm discos de plástico com ranhuras recortadas anexadas a eles, que devem trabalhar juntos de forma síncrona para que os discos não colidam uns com os outros. Para conseguir isso, um MCU i.MX RT1170 executa a tarefa de coordenar todo o sistema, empregando seu controlador Ethernet compatível com 802.1AS.

Figura 5. Uma visão geral de alto nível do exemplo de controle de motor síncrono. O MCU i.MX RT1170 garante a operação síncrona dos motores, as pontes de rede alimentadas pelo LS1028A garantem que dados críticos sejam transmitidos em um intervalo de tempo diferente.

Os motores são ligados a controladores separados que recebem pacotes do coordenador principal. Esses dados informam aos motores quando se mover.

As pontes de rede encaminham o tráfego entre os componentes. Neste exemplo, as pontes usam processadores de aplicativos Layerscape LS1028A. Esses dispositivos são capazes de combinar tráfego de OT e TI usando o padrão TSN 802.1Qbv. Com esta abordagem, os dados de controle do motor são transmitidos em um intervalo de tempo diferente em comparação com os dados de TI, que são dados gerados aleatoriamente neste exemplo.

Conforme mencionado anteriormente, é possível combinar os padrões TSN para atender aos requisitos de uma aplicação específica. Este exemplo mostra exatamente isso. O controlador principal usa 802.1AS para estabelecer uma base de tempo sincronizada, enquanto os switches implementam 802.1Qbv para moldar o tráfego de rede para garantir que os dados críticos de tempo sejam transmitidos dentro das restrições fornecidas. Isso garante que os motores possam operar de forma síncrona e o mais rápido possível.

Rede sensível ao tempo para conexões compartilhadas

Os dados de TI e OT têm requisitos conflitantes - o tráfego de TI normalmente consiste em mais dados do que o tráfego de OT e a comunicação de melhor esforço geralmente é suficiente. O tráfego OT, por outro lado, é crítico em termos de tempo. Normalmente, aplicam-se restrições estritas de tempo, atraso e latência. Com o TSN, os projetistas do sistema podem usar uma rede Ethernet para transmitir dados de TI e OT em uma conexão compartilhada.

O 802.1AS sincroniza vários dispositivos em uma rede com uma precisão de nanossegundos. Esse recurso está disponível em muitos MCUs de crossover Layerscape, i.MX e i.MX RT e software comercial de código aberto e pronto para uso para oferecer suporte ao TSN.

Com o 802.1CB, os projetistas do sistema podem introduzir tolerância a falhas em seus sistemas adicionando redundância a uma rede Ethernet. Com o hardware compatível com TSN, os recursos de redundância são transferidos para o hardware. Isso resulta em menos sobrecarga no software do aplicativo. Este recurso está disponível no Layerscape LS1028A e software e drivers de código-fonte aberto também estão disponíveis.

802.1Qbv introduz modelagem com reconhecimento de tempo para redes Ethernet padrão. Ele fornece baixa latência e transporte de baixo jitter para fluxos de tráfego Ethernet sensíveis ao tempo e reserva largura de banda para aplicativos específicos. O tráfego de OT e TI compartilha uma única rede. Esse recurso também está disponível em vários processadores NXP e software comercial de código-fonte aberto e pronto para uso.

Conforme mostrado no exemplo de controle do motor, os diferentes padrões podem ser combinados para atender às necessidades de uma aplicação particular.

A página da comunidade do NXP fornece uma série de fóruns, exemplos, notas de aplicação e outras informações sobre os processadores NXP que podem habilitar a rede sensível ao tempo para permitir conexões de dados compartilhados.

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