Los fundamentos de las redes sensibles al tiempo

Conozca los beneficios de las redes sensibles al tiempo (TSN) y cómo las usan los ingenieros para garantizar que un sistema industrial esté listo para el futuro. Este artículo se centra en tres miembros del conjunto de estándares TSN.

Los diferentes dominios tecnológicos tienen su propio conjunto de requisitos únicos en lo que respecta a la previsibilidad y la sensibilidad al tiempo, lo que puede presentar desafíos para los diseñadores de sistemas que buscan transmitir datos en una conexión compartida. Se deben tener en cuenta la baja latencia y los retrasos de tiempo reducidos cuando se utiliza una red compartida. Afortunadamente, existe una solución para este desafío:las redes sensibles al tiempo (TSN). TSN se asienta sobre Ethernet estándar y define un conjunto de estándares para permitir que los diseñadores de sistemas utilicen una red Ethernet para transmitir datos de TI y OT en una conexión compartida.

En este artículo, conozca los beneficios de las redes sensibles al tiempo y cómo las usan los ingenieros para asegurarse de que un sistema industrial esté listo para el futuro. Este artículo se centra en tres miembros del conjunto de estándares TSN, los explica en detalle y menciona algunos dispositivos que incorporan funciones de red sensibles al tiempo en su hardware.

¿Qué son las redes sensibles al tiempo?

En sistemas distribuidos con muchos dispositivos, como una fábrica moderna, los dispositivos conectados pueden tener necesidades muy diferentes y objetivos potencialmente conflictivos para comunicarse con otros componentes de una red. Una forma de ver los datos transmitidos es verlos en el contexto de los dominios de tecnología de la información (TI) y tecnología operativa (OT).

El tráfico de tecnología operativa, como los datos de control de la máquina y los valores de los sensores, generalmente requiere que la red se comporte de manera predecible. La comunicación en este dominio requiere retrasos de tiempo fijos, baja latencia y baja fluctuación. Por otro lado, el tráfico de tecnología de la información son datos como el tráfico de correo electrónico y actualizaciones de firmware, por ejemplo. Aquí, las limitaciones de tiempo no son de suma importancia, y la comunicación suele ser el mejor esfuerzo.

Si bien el tráfico de TI generalmente requiere más ancho de banda, los datos no necesitan llegar al destino dentro de un período de tiempo determinado. En cambio, el rendimiento general es lo que normalmente importa. Para OT, por otro lado, los datos que faltan en un momento determinado pueden provocar fallas y, por lo tanto, los datos deben llegar a su destino dentro de ciertas restricciones estrictas en tiempo real.

A veces, los ingenieros resuelven este problema manteniendo dos redes separadas, una para el tráfico OT y la otra para la infraestructura de TI. TSN (redes sensibles al tiempo) es un conjunto de estándares que se basan en Ethernet estándar, lo que permite que el tráfico de TI y OT comparta la misma red respetando las necesidades individuales de cada dominio. TSN agrega determinismo a Ethernet al reducir los retrasos de la red y la latencia entre los puntos finales, lo que garantiza que los paquetes individuales puedan llegar a su destino a tiempo.

Estándares de TSN

Como se mencionó, TSN es un conjunto de estándares que se encuentran en la parte superior de Ethernet. Cada estándar describe una funcionalidad diferente, y los diseñadores de sistemas pueden optar por combinar estándares para adaptar la red más a sus requisitos. La siguiente tabla ofrece una descripción general de los estándares TSN (este artículo analiza 802.1AS, 802.1CB y 802.1Qbv):

Figura 1. Algunos de los estándares de TSN tienen casos de uso industrial.

Temporización y sincronización para aplicaciones sensibles al tiempo con 802.1AS

Los estándares TSN se originaron a partir del protocolo de tiempo de precisión (PTP, IEEE1588®). La idea principal detrás de PTP es sincronizar los relojes de las máquinas distribuidas dentro de una red. PTP utiliza un árbol de distribución de reloj y, por lo general, también hay un gran maestro, que es la fuente de todos los tiempos. Este gran maestro recibe la hora de una fuente de alta precisión, por ejemplo, un reloj GPS de alta precisión. Los nodos esclavos dentro de la red sincronizan su hora local con la hora de un nodo maestro de forma punto a punto.

PTP sirvió como base para los estándares TSN y gPTP es parte del estándar 802.1AS. PTP y gPTP comparten muchas terminologías comunes, pero también existen algunas diferencias clave. Una de esas diferencias es que PTP se encuentra en la capa de transporte del modelo de capa OSI y, por lo tanto, permite muchos métodos de transporte subyacentes diferentes. Otras diferencias entre gPTP y PTP se resumen en el siguiente diagrama. Las revisiones más recientes de gPTP recuperan la capacidad de usar marcas de tiempo de un solo paso. Por último, gPTP requiere mecanismos de retardo de igual a igual y espera que todos los dispositivos estén sintonizados, lo que significa que tienen una base de frecuencia estándar y que todos los relojes funcionan a la misma velocidad.

Figura 2. Las diferencias entre PTP y gPTP.

Los ingenieros pueden emplear el estándar 802.1AS para sincronizar tareas en una máquina o en una red industrial. Este artículo presenta más adelante un ejemplo de control de motor sincronizado que utiliza 802.1AS.

Creación de redes redundantes con 802.1CB

El estándar 802.1CB permite a los diseñadores de sistemas crear flujos de comunicación redundantes a través de una red. Una aplicación típica se encuentra en una red de topología en anillo con varios dispositivos. La comunicación entre dispositivos se replica y envía en todas las direcciones del anillo. Si hay una ruptura en el anillo en cualquier punto, todos los dispositivos aún podrán comunicarse entre sí sin pérdida de paquetes y sin ningún retraso incurrido por un algoritmo de retransmisión.

Figura 3. Un diagrama de topología en anillo con redundancia de mensajes.

Siempre que un dispositivo (el hablante) quiera comunicarse con otro dispositivo (el oyente) en el anillo, enviará mensajes duplicados en diferentes direcciones. Esta función se implementa en el hardware para que el conmutador habilitado para TSN duplique el paquete e inserte una etiqueta de redundancia que incluye un encabezado que identifica el flujo replicado e incluye una ID de secuencia para permitir que el receptor descarte los duplicados que recibe. El hardware compatible con TSN en el oyente recibe los paquetes de ambas direcciones en el anillo y detecta el primer paquete único. Luego, descarta automáticamente cualquier paquete duplicado que llegue más tarde y que use el mismo ID de secuencia.

Descargar estas tareas al hardware con capacidad TSN simplifica el desarrollo de software, ya que elimina la necesidad de complicados algoritmos de retransmisión.

Para utilizar 802.1CB, los diseñadores del sistema deben identificar qué flujos de tráfico replicar a través de los conmutadores compatibles con TSN. Existen algunos métodos diferentes, pero en el núcleo de cada uno de ellos, el conmutador de red replica los mensajes que coinciden con un patrón predeterminado (por ejemplo, todos los mensajes que van a un dispositivo con una determinada dirección MAC).

Combinando tráfico OT y de TI en una sola red con 802.1Qbv

El estándar 802.1Qbv utiliza un modelador de tiempo, que se implementa en el puerto de salida (puerto de salida) de un conmutador Ethernet o controlador Ethernet independiente dentro de un SoC. El modelador consciente del tiempo determina cuándo el tráfico puede salir al cable. El estándar define ocho colas para diferentes flujos de tráfico y el software configura estas colas usando una lista de control de puertas.

Figura 4. Un ejemplo esquemático de una programación 802.1Qbv. El horario contiene dos regiones de tiempo separadas (gris y azul) para transmitir por separado datos de OT y de TI.

La lista de control de puertas establece el horario en el que se abren las puertas para drenar el tráfico de las colas. Estas listas son versátiles y permiten que varias puertas se abran o cierren simultáneamente. También es posible establecer un intervalo de tiempo único para cada paso del programa.

Cada aplicación de software que se ejecuta en el dispositivo asigna tráfico a una cola diferente, según el nivel de prioridad de esa aplicación o los datos que está transmitiendo. El mapeo puede ocurrir por protocolo, puerto de destino y ciertos tipos de tráfico (por ejemplo, PTP sobre UDP). Todos los dispositivos de una red están sincronizados y administrados, lo que garantiza que los flujos de datos críticos no colisionen en la red y que cumplan con sus requisitos en tiempo real.

El hardware de TSN también aplica automáticamente una banda de guarda antes de cada intervalo de tiempo. Esto asegura que la transmisión de un paquete grande no se inicie justo antes de una transición de puerta. De lo contrario, una transmisión de paquetes de baja prioridad podría ejecutarse en un intervalo de tiempo de mayor prioridad. El hardware inspecciona cada paquete antes de transmitirlo, y si no puede completar un paquete durante el intervalo de tiempo actual, el hardware lo retendrá hasta que esté disponible el siguiente intervalo de tiempo para esta clase de tráfico.

Habilitación de software para redes sensibles al tiempo

NXP proporciona varias herramientas de software para utilizar las funciones de TSN en Layerscape® LS1028A y otros microprocesadores.

Software de código abierto

Para aquellos que prefieren las plataformas de desarrollo de código abierto, NXP ofrece tsntool para configurar todas las características de TSN en el LS1028A, o alternativamente, los desarrolladores pueden usar el comando tc que es parte del conjunto de utilidades iproute2 de Linux. Tc puede configurar los modeladores conscientes del tiempo y dirigir el tráfico de la aplicación a las diferentes colas de tráfico. gPTP es compatible con el paquete ptp4l.

Pila de puente de audio y vídeo (AVB) y redes sensibles al tiempo (TSN)

NXP también ofrece una pila AVB / TSN portátil que se puede ejecutar tanto en microprocesadores como en microcontroladores, lo que brinda una opción para los desarrolladores que necesitan implementar TSN en un conjunto escalable de plataformas.

La discusión sobre 802.1Qbv anterior mencionó el kit de desarrollo de software (SDK) Layerscape LS1028A como una forma de cargar una lista de control de puerta a un controlador Ethernet compatible con TSN. El LS1028A es un procesador de aplicaciones basado en dos núcleos Arm® Cortex®-A72 que normalmente ejecutan el sistema operativo Linux® o un sistema operativo diferente de alto nivel o sistema operativo en tiempo real.

El LS1028A incluye un controlador Ethernet compatible con TSN, así como un conmutador de red integrado que admite TSN. Además, el procesador de aplicaciones LS1028A admite varias funciones de seguridad, como motores criptográficos y una arquitectura de confianza. Además, el dispositivo también incorpora aceleración de gráficos 3D y soporte de monitor a través de DisplayPort (DP).

El LS1028A puede ejecutar Linux industrial abierto, que está especializado para casos de uso industriales. Esto permite que el dispositivo funcione en entornos en tiempo real y ejecute un procesamiento de baja latencia (con xenomai Linux). Además, el dispositivo puede ejecutar código bare-metal en un núcleo y Linux, por ejemplo, en el otro.

Además, NXP proporciona soporte de código abierto para TSN, así como herramientas para configurarlo. Dentro del Linux industrial abierto, NXP proporciona compatibilidad con controladores de código abierto para PTP. Estos controladores permiten a los usuarios controlar el reloj del hardware PTP y la marca de tiempo.

Parte del próximo ejemplo de control de motor síncrono utiliza la pila comercial NXP AVB, que es la iteración anterior de algunos de los estándares discutidos. NXP agregará compatibilidad con TSN en el futuro.

Como alternativa al Layerscape LS1028A, el MCU cruzado i.MX RT1170 es otro dispositivo NXP que admite TSN. Esta MCU cruzada de doble núcleo presenta un núcleo Cortex-M7 que es capaz de funcionar hasta 1 GHz, así como un núcleo Arm Cortex-M4 integrado con una frecuencia de 400 MHz.

Esta MCU cruzada combina muchas E / S de MPU típicas con núcleos de microcontroladores de alto rendimiento, capacidades de visualización, seguridad avanzada y cuenta con un controlador Ethernet habilitado para TSN.

Un ejemplo práctico:control de motor síncrono con TSN

En el siguiente ejemplo práctico, dos motores tienen discos de plástico con ranuras recortadas adheridas a ellos, que deben trabajar juntos sincrónicamente para que los discos no choquen entre sí. Para lograr esto, una MCU i.MX RT1170 ejecuta la tarea de coordinar todo el sistema empleando su controlador Ethernet con capacidad 802.1AS.

Figura 5. Una descripción general de alto nivel del ejemplo de control de motor síncrono. El MCU i.MX RT1170 garantiza el funcionamiento síncrono de los motores, los puentes de red alimentados por LS1028A garantizan que los datos críticos en el tiempo se transmitan en un marco de tiempo diferente.

Los motores están conectados a controladores separados que reciben paquetes del coordinador principal. Estos datos le dicen a los motores cuándo moverse.

Los puentes de red envían el tráfico entre los componentes. En este ejemplo, los puentes utilizan procesadores de aplicaciones Layerscape LS1028A. Estos dispositivos son capaces de combinar tráfico OT e IT utilizando el estándar TSN 802.1Qbv. Con este enfoque, los datos de control del motor se transmiten en un marco de tiempo diferente en comparación con los datos de TI, que son datos generados aleatoriamente en este ejemplo.

Como se mencionó anteriormente, es posible combinar los estándares de TSN para cumplir con los requisitos de una aplicación específica. Este ejemplo muestra exactamente eso. El controlador principal usa 802.1AS para establecer una base de tiempo sincronizada, mientras que los conmutadores implementan 802.1Qbv para dar forma al tráfico de la red y garantizar que los datos críticos en el tiempo se transmitan dentro de las restricciones dadas. Esto asegura que los motores puedan funcionar sincrónicamente y lo más rápido posible.

Redes sensibles al tiempo para conexiones compartidas

Los datos de TI y OT tienen requisitos contradictorios:el tráfico de TI generalmente consta de más datos que el tráfico de OT, y la comunicación con el mejor esfuerzo suele ser suficiente. El tráfico de OT, por otro lado, es crítico en el tiempo. Normalmente, se aplican restricciones estrictas de tiempo, retardo y latencia. Con TSN, los diseñadores de sistemas pueden usar una red Ethernet para transmitir datos de TI y OT en una conexión compartida.

802.1AS sincroniza varios dispositivos dentro de una red con una precisión de nanosegundos. Esta función está disponible en muchas MCU cruzadas Layerscape, i.MX e i.MX RT y el software comercial de código abierto y llave en mano está disponible para admitir TSN.

Con 802.1CB, los diseñadores de sistemas pueden introducir tolerancia a fallas en sus sistemas agregando redundancia a una red Ethernet. Con hardware compatible con TSN, las funciones de redundancia se descargan en el hardware. Hacerlo da como resultado menos gastos generales en el software de la aplicación. Esta función está disponible en Layerscape LS1028A, y también se encuentran disponibles controladores y software de código abierto.

802.1Qbv introduce la configuración en función del tiempo en las redes Ethernet estándar. Proporciona baja latencia y transporte de baja fluctuación para flujos de tráfico Ethernet sensibles al tiempo, y reserva ancho de banda para aplicaciones específicas. El tráfico de OT y TI comparten una sola red. Esta función también está disponible en varios procesadores NXP, y hay disponible software comercial llave en mano y de código abierto.

Como se muestra en el ejemplo de control de motores, los diferentes estándares se pueden combinar para adaptarse a las necesidades de una aplicación en particular.

La página de la comunidad de NXP proporciona una gran cantidad de foros, ejemplos, notas de aplicación y otra información sobre los procesadores NXP que pueden habilitar las redes sensibles al tiempo para permitir conexiones de datos compartidas.

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