作 者：
EtherCAT技术协会Karl Weber博士
摘 要：
EtherCAT 是现场总线领域的主流技术，而IEEE802.1Q标准是交换机技术在办公应用的基础。TSN为IEEE 802网络提供实时能力。现在可以在机器层使用EtherCAT，并通过交换机连接多台机器。复杂的机器要求内置更多的通讯设施。将EtherCAT网段集成到一个TSN网络中可以结合这两种技术。这无需改变EtherCAT的从站设备。两种技术的适配通过在EtherCAT的主站端的更新及对连接EtherCAT的交换机的适度扩展来实现。
目标
自工作组建立以来，TSN就成为人们所熟知的“时间敏感网络”的缩写。TSN TG的组合用于为IEEE 802网络提供确定性服务。TSN技术可以应用于多种应用场合。其设计初始是用于一个只有少数几个终端站点的、需要传输大量的视频/音频（A/V）高速数据流的系统中。TSN通过引入“高速通道”(streaming)概念扩展了IEEE 802的best effort网络模型。此模型提供一系列用于提升高速通道实时性的特征。
对TSN的理解 TSN工作组
TSN工作组设置在IEEE802.1工作组中，负责桥接网络。“桥接”一词用于标准的规范中，但更为大众的说法是“交换”。TSN改善了帧在IEEE 802部分网络传输中的延迟性，并且没有因堵塞产生的损失。
这意味着交换机世界的改变。然而，这并不会改变以太网网络的基本特征，例如每节点小数据量传输时效率低下，以及灵活却耗时而复杂的转发机制。
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在终端站点间用TSN的桥接传输是通过“高速通道”（stream）实现的。IEEE 802.1 标准中使用术语“talker”表示高速通道的发起者，术语“listener”表示高速通道接收者。高速通道使用单向的数据传输，数据可以从一个talker单向传输到一个或多个listener。为了在IEEE 802.1网络中使用高速通道，需要一个高速通道标识。目标MAC地址和以太网帧的VLAN可用于标识高速通道。
TSN标准
TSN工作组启动了多项与提升工业以太网解决方案相关的标准化项目。这些项目包括：
提高同步性能（IEEE 802.1AS-REV）
基于IEEE 1588标准，IEEE 802.1AS的早期版本已经为分布式时钟的计时定义了同步协议。这样有利于更好地集成到标准以太网环境中。然而却丢失了与其他的1588以太网行规的兼容性。新的版本将包含公认的one-step透明时钟。现阶段急需改善的是对错误情况的响应。新版本能够处理终端节点中不同时间域的问题。
数据帧抢占优先（IEEE 802.1Qbu）
时间关键信息的确定性传输的一个主要问题是同一网段上还有延时数据传输，其中单个数据帧长度可超过1500字节。采用帧的中断机制可以降低由于上述超长帧导致的延迟（IEEE工作组在以太网项目P802.3br中定义）。最终，这种机制不仅需要新的网络组件，还需要终端站点集成新的以太网MAC（或者NIC，网络接口控制器）。
提升规划的通信（IEEE 802.1Qbv和IEEE 802.1Qch）
发送操作的时间控制在TSN中至关重要。就像在实际道路上一样，在信息高速路上也可能会发生交通堵塞，即使是在有高优先级、实时数据和抢占优先权时，传输时间可能仍有一些偏差。由于时间敏感高速通道是周期性传输，所以在周期性通信之前，大部分不受干扰的通信可以通过阻塞对时间要求较低的数据来实现。周期性的规划（IEEE 802.1Qch）在每个循环周期中将时间关键信息仅转发给相邻设备。如果级联深度较浅或者在单个路径中循环调度的节点数目较少，则更加有效。该功能的实施无需配置工作。
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无缝冗余（IEEE 802.1CB）
虽然国际标准已经提供了无缝冗余特定协议，比如高可用性、无缝冗余（HSR）或并行冗余协议（PRP），他们要求站间全部的数据交换专为冗余设计。IEEE 802网络中的无缝冗余适用于单个关键数据高速通道。这将减少管理方面的开销。。
高速通道带宽预留（IEEE 802.1Qcc）
在IEEE 802.1（MSRP）中定义了受限于规划通信的“高速通道”预留协议。IEEE 802.1Qcc 被设计为对现有预留协议的扩展。因此清晰可见，仅扩展现有预留协议不能使TSN满足所有的扩展需求。在草案标准中建议的不同的方法可以达到特定程度的性能。这包括从不能提供优化性能但可以提供更好的系统灵活性的分布式模型，到对高速通道的集中型配置（该方式可能会使一个优化的系统的灵活性受限，但是可会对自动化系统的配置有明显改善）。
每个高速通道的过滤和管制（IEEE802.1Qci）
专家们讨论的另外一个方面是如何减少错误响应节点带来的影响。为此，节点的进入侧（入口）必须监视每个高速通道上的链路通信量。如果消耗的带宽超过允许范围，将采取特定措施。
用于工业自动化的TSN设备行规（Joint WG IEC/IEEEE60802）
该工业自动化行规选择了特性、选项、配置、默认、协议，以及对桥接、末端站点和LAN的程序，从而建立一个工业自动化网络。
EtherCAT与IEEE802.1网络的结合
将TSN与经优化的以太网现场总线（如EtherCAT）比较并不合适，因为TSN是附加于best effort方式的交换机技术，它实现了IT数据流量和过程数据交换并满足中和的性能要求。但是，复杂机器对更高的带宽和控制系统的规模性的需求可能使其采用TSN作为主干技术的同时，与EtherCAT网段相结合。
I/O层的结构和性能与典型的交换式环境截然不同。最主要的不同之处在于通讯的主从EtherCAT技术协会 3
3. IT
方式，即一个控制单元（主站）和多个价格敏感的现场设备（如从站），每个设备的低数据量的实时数据通讯，以及菊花链型（总线型）拓扑结构。在主站和从站网段之间增加一个网络设施，它将物理上分离的网络转变为逻辑上分离的网络。这将使得主站设备具有更高的灵活性，同时它将保持确定的延迟和可预测的丢帧率。
4. TSN
EtherCAT
工作原理
EtherCAT与TSN集成的方式并不是简单地将两个技术混合，而是定义了一个无缝的适配，因此可以应用两种技术各自的优势。EtherCAT基于TSN的高速通道概念，利用TSN中talker和listener之间一对一的关系。
在主站和一个EtherCAT网段间至少要建立两个高速通道用于过程数据及其他重要信息的交换。一个从主站到从站网段及相反的方向；而另一对高速通道可以用于对一组EtherCAT从站进行控制来传输服务数据。这种通信可以有不同的传输特性并采用更低的优先级。更多的通信需求可要求另一对高速通道，如用于状态监控的数据采集。
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EtherCAT的TSN行规描述了如何在桥接网络中采用TSN高速通道传输完整的EtherCAT帧。对于桥接的配置和其他桥接相关的服务功能可按照TSN的规定使用。对主站中的虚拟EtherCAT通道的基本要求包括有一个相对应EtherCAT从站网段的专用标识符，发送间隔和偏移量以及数据量。这些是主站上发送高速通道时需要定义的参数。从站网段的最大的延迟必须完成规划。
结构视图如左图：EherCAT网段的标识符将在IEEE 802.1网络中逻辑上独立的部分唯一定义（可以是一台机器或一组机器）。识别符是一个12位的值，它可以由位于高速通道中的或紧邻高速通道的EtherCAT设备设置。在交换机连接EtherCAT网段的端口进行识别符的识别。更值得推荐的是在
4.
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IEEE 802网络中采用VLAN识别符作为网段识别。
对高速通道的适配通过采用标识符来设置TSN所需的唯一高速通道目标地址。该寻址是从网段的标识符和高速通道选择器以及EtherCAT帧标识推演而来。
映射原理很简单：EtherCAT网段不会被TSN更改，TSN网段也不会用于EtherCAT的数据处理。
在这样的网络中也可以进行同步的操作，通过从IEEE 802.1的网络中向EtherCAT从站网段按照固定的时间间隔发送帧来实现。向EtherCAT网段发送的时间由最差的延迟确定。TSN允许分布在多个网段的同步操作，而无需在EtherCAT从站中附加特定功能。同步操作的质量取决于TSN时钟（IEEE 802.1AS）。在EtherCAT主站和第一个从站之间推荐采用可以提供100 ns级精确时间的桥接，从而保持具有高度精确度的网络。
EtherCAT 和TSN：完美的结合
在TSN中增加EtherCAT网段作为结构元素可以降低主干网络的复杂性，因为采用了共享帧对一组从站设备
进行数据交换，并且它还可以实现机器内部的配置。TSN在增加EtherCAT/TSN系统的效率的同时，应该保护EtherCAT网段与不需要的数据流隔离。EtherCAT与TSN的结合可以在
TSN的定位
TSN并不提供应用层，且不会对现场层的EtherCAT设备协议构成挑战。 TSN将影响现有的和未来的解决方案，如: EtherCAT Automation Protocol（EAP），EtherCAT拓扑拓展，OPC pub/sub模式。
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实现所有各种自动化控制任务的同时，提升自动化壳层的灵活性。
总之，EtehrCAT可以支持与TSN的完美集成，而无需改变EtherCAT技术的基础本身。
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