連載2：從以太網到TSN的(de)技術變革
2020-12-17新聞
從最早應用(yòng)于音(yīn)視頻(pín)流的(de)傳送，直到近年随著(zhe)工業4.0的(de)不斷發展，它開始被工控人(rén)所熟知。那麽，TSN是如何開始與工控自動化(huà)領域有所交集和(hé)被關注的(de)呢(ne)？他(tā)們相互的(de)關聯又是什(shén)麽？這(zhè)一期，我們就來(lái)聊聊從以太網到TSN的(de)技術變革。以太網是上個(gè)世紀80年代開始走入辦公領域的(de)，當時(shí)的(de)以太網因其具備大(dà)容量、高(gāo)速率等特點，在所有協議(yì)中脫穎而出大(dà)放異彩。以太網最顯著的(de)特點就是使用(yòng)了(le)CSMA/CD協議(yì)來(lái)進行介質訪問控制，在早期通(tōng)常使用(yòng)雙絞線的(de)以太網中，由于介質（在雙絞線網絡中就是網線）是共享的(de)，連接在同一個(gè)網絡上的(de)各個(gè)設備在發送數據時(shí)勢必會出現沖突，這(zhè)時(shí)，我們就必須要規定一種方式，來(lái)防止這(zhè)種數據沖突，而這(zhè)種方法就是CSMA/CD。如果要了(le)解以太網和(hé)TSN之間的(de)關系，那麽了(le)解以上提到的(de)這(zhè)個(gè)CSMA/CD就是一個(gè)關鍵。CSMA/CD中文叫做(zuò)帶沖突檢測的(de)載波偵聽(tīng)多(duō)路訪問技術，它是規定多(duō)台計算(suàn)機共享一個(gè)通(tōng)道的(de)協議(yì)，用(yòng)一句話(huà)概括就是——先聽(tīng)後發，邊發邊聽(tīng)，不發不聽(tīng)。簡單來(lái)說，就是每個(gè)節點在發送數據前先監聽(tīng)信道，如果空閑就發送，如果繁忙就等待；在發送後繼續監聽(tīng)信道，如果在傳送過程中發生沖突，也(yě)會繼續等待一個(gè)随機時(shí)間重新發送。形象一點來(lái)說，就好像一群人(rén)在一間黑(hēi)屋子裏開會，沒有主持人(rén)，但是每個(gè)人(rén)都能随時(shí)發言，便是你并不知道别人(rén)會不會發言、可(kě)能什(shén)麽時(shí)候發言。這(zhè)時(shí)候如果有人(rén)想發言，他(tā)就會先聽(tīng)聽(tīng)屋子裏是不是有人(rén)說話(huà)，如果沒人(rén)說話(huà)他(tā)就直接發言。但是如果恰好在他(tā)發言的(de)同時(shí)，也(yě)有人(rén)說話(huà)了(le)，這(zhè)時(shí)候，他(tā)就大(dà)吼一聲，告訴所有人(rén)，發言發生沖突了(le)，然後所有要發言的(de)人(rén)就停止說話(huà)，各自安靜的(de)等待一段時(shí)間後再次發言。當每個(gè)人(rén)等待的(de)時(shí)間都不相等時(shí)，發言才能成功，同時(shí)，我們給每個(gè)嘗試發言的(de)人(rén)都規定了(le)嘗試的(de)次數是16次，如果他(tā)每次嘗試發言都和(hé)他(tā)人(rén)發生了(le)沖突，且達到了(le)上限16次，則他(tā)本次發言即宣告失敗。有些小夥伴可(kě)能被繞暈了(le)（
壞笑(xiào)）。莫急，我們技術小哥(gē)哥(gē)利用(yòng)計算(suàn)機語言技術，畫(huà)了(le)下(xià)面這(zhè)個(gè)更适合技術宅的(de)流程圖來(lái)表達。在大(dà)緻了(le)解了(le)CSMA/CD和(hé)以太網之後，我相信讀者們一定已經從這(zhè)裏面看出點門道來(lái)了(le)，這(zhè)個(gè)CSMA/CD在執行的(de)時(shí)候由于要避免沖突，會給數據傳輸的(de)延時(shí)帶來(lái)非常多(duō)的(de)“不确定性”。日常我們發個(gè)郵件，微信聊個(gè)天，看看小視頻(pín)，這(zhè)點比毫秒級别還(hái)小的(de)延時(shí)可(kě)能沒什(shén)麽影(yǐng)響，但是要用(yòng)在工業網絡中，那可(kě)能就有點問題了(le)。如果控制器發出了(le)指令，依次開啓A、B、C三個(gè)開關，每個(gè)開關間間隔1毫秒，但是，但是，由于網絡延時(shí)，極有可(kě)能C先收到了(le)信号，這(zhè)樣，開關就不能按照(zhào)預定的(de)計劃依次開啓了(le)，我們的(de)控制就出問題了(le)。随著(zhe)網絡技術的(de)不斷發展，以太網技術也(yě)由之前的(de)共享式半雙工技術發展到了(le)交換式全雙工技術。在交換式全雙工以太網中，網絡被交換機分(fēn)割成了(le)各自獨立的(de)沖突域，節點之間（交換機與交換機之間，交換機與設備之間）發送和(hé)接受的(de)傳輸線路也(yě)被完全分(fēn)開，數據通(tōng)過交換機緩存并轉發，這(zhè)樣，發生沖突的(de)問題就基本得(de)到解決了(le)。這(zhè)就好比以前我們在一條窄路上運送物(wù)資，來(lái)來(lái)往往的(de)所有人(rén)都要在這(zhè)條窄路上走，大(dà)家難免會發生碰撞。于是，我們隻能規定這(zhè)條路在有人(rén)走的(de)時(shí)候隻能單向通(tōng)行，這(zhè)樣的(de)話(huà)，沖突就避免了(le)，但是如此一來(lái)，道路的(de)使用(yòng)率卻大(dà)幅度下(xià)降。現在我們有了(le)交換式全雙工以太網，相當于我們把道路拓寬了(le)，把之前的(de)單車道變成了(le)雙向二車道，這(zhè)樣來(lái)往的(de)人(rén)流就不會碰撞了(le)。同時(shí)，我們還(hái)在道路上的(de)每個(gè)路口都設置了(le)一個(gè)驿站，所有人(rén)隻要把貨物(wù)都送到驿站，然後再由驿站集中把貨物(wù)送出去。送貨的(de)方式由之前每個(gè)人(rén)親自上路去送，變成了(le)快(kuài)遞公司提供送貨服務的(de)方式，大(dà)大(dà)降低了(le)道路上來(lái)來(lái)往往的(de)人(rén)流，也(yě)大(dà)大(dà)提高(gāo)了(le)貨物(wù)的(de)運送效率。這(zhè)種方法極有效的(de)解決了(le)網絡的(de)傳輸效率和(hé)延時(shí)。然而，在某些特殊條件下(xià)，它也(yě)引入了(le)新的(de)網絡延時(shí)，也(yě)就是當交換機連接了(le)大(dà)量設備，設備發送數據太快(kuài)、太多(duō)的(de)時(shí)候，交換機的(de)緩存會溢出。這(zhè)時(shí)，交換機會進行流量控制，發出PAUSE幀，要求設備停止發送數據，待延時(shí)結束後再繼續發送。這(zhè)就有點類似于雙十一時(shí)快(kuài)遞爆倉，快(kuài)遞公司可(kě)能會暫緩接單甚至停止接單，我們發送和(hé)接收快(kuài)遞的(de)時(shí)效性也(yě)都會大(dà)打折扣。因此，在交換式全雙工網絡中，依然存在很難解決的(de)時(shí)效性問題。爲了(le)解決我們之前所提到的(de)各種網絡延時(shí)問題，網絡工程師們提出了(le)一個(gè)新的(de)網絡概念，那就是TSN——時(shí)效性網絡或者叫時(shí)間敏感網絡。時(shí)間敏感網絡通(tōng)過對(duì)實時(shí)數據和(hé)非實時(shí)數據進行流量整形，在解決傳統以太網時(shí)效性的(de)基礎上保證了(le)數據傳輸的(de)實時(shí)性，同時(shí)還(hái)大(dà)大(dà)提高(gāo)了(le)網絡傳輸的(de)利用(yòng)率。而CC-Link IE TSN則是有效利用(yòng)了(le)TSN網絡的(de)這(zhè)一特點，通(tōng)過采用(yòng)時(shí)間分(fēn)割的(de)方式使不同的(de)網絡數據混合傳送，即使有非實時(shí)性信息通(tōng)信混合傳輸，也(yě)可(kě)保證控制通(tōng)信的(de)實時(shí)性。好啦，這(zhè)一期TSN系列連載就到這(zhè)，小夥伴們有想啥疑問，可(kě)以給我們留言。下(xià)一期，我們将會詳細介紹TSN的(de)時(shí)間分(fēn)割技術，同時(shí)技術小哥(gē)哥(gē)們也(yě)将帶大(dà)家進一步了(le)解CC-Link IE TSN網絡的(de)領先技術。
