DDS与时间敏感网络TSN

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#分布式 #网络通信 #中间件 #网络

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自上世纪70年代以太网诞生以来，其速度已大幅提高，但时延和带宽优化问题仍然存在。为解决这些问题，IEEE802委员会制定了时间敏感网络(TSN)子标准，旨在使各类网络流量能共享公共链路，同时确保高精确度与确定性的时序应用。实现TSN需要结合微处理器的决策功能与FPGA的专用电路，赛灵思在2016年演示了TSN与关键工业协议的结合，并于2017年发布了TSN解决方案的基础版本。

关键词：数据分发服务，DDS，时间敏感网络，TSN

上世纪 70 年代晚期，以太网之父在施乐帕洛阿尔托研究中心 (PARC) 制作出以太网的雏形 (3Mb/s)。当时他们的研究重点是连接功能，对网络时延或吞吐量关注不多。当时的网络节点是工作站上的工作人员和激光打印机，没人关心数据包在传输过程中是否相互干扰，是否会在抵达目的地前被多次重复发送。在网络中，长短数据包混合传输会给短数据包造成长时延，因为它们需要等待长数据包通过。这个过程就像汽车要在公路的铁路道口等待列车通过，才能穿过道口。

快进到今天，以太网速度与过去相比已有天渊之别。更快的速度能大幅度提升容量，但对降低时延或优化带宽而言意义不大。在重负载情况下，掉线和再发送数据包仍然是常事。意识到这种情况会限制以太网在要求高精确度与确定性时序应用上的效用，负责以太网规格的 IEEE 802 委员会制定了一套总体上被称为“时间敏感网络 (TSN)”的子标准，便于各类网络流量共享公共链路。

但要把 TSN 变为现实，是一个无比艰巨的技术难题。在传统以太网中，一旦某一节点开始发送数据包“A”，那么它必须在发送完成后才能开始发送另一个数据包。但如果队列头突然遭遇延迟，导致数据包“B”错过截止发送时限，会发生什么情况呢？发送方要么必须等待第一个数据包发送完毕，要么中止发送，转而发送数据包“B”，然后再从头完整地重新发送数据包“A”，牺牲带宽来最大限度降低时延。在具备 TSN 功能的网络中，发送节点可以在中途暂停发送数据包“A”，先发送完数据包“B”，然后从中断点恢复发送数据包“A”。在相对速度较慢的网络 (100Mb/s) 中，控制器有不到 82 微秒 (µs) 的时间评估排队选项，然后做出决策。在千兆位速度下，这个时间甚至缩短到 8 微秒。
在这里插入图片描述

实现 TSN 需要将微处理器的决策制定功能与 FPGA 的专用电路相结合。在 2016 年德国纽伦堡工业自动化展会上，赛灵思演示了运行在 TSN 顶层的 OPC UA、DDS 和 EtherCAT 等关键工业协议。在 2017 年，发布了 TSN 解决方案的基础版本，名称“朗朗上口”，叫“1G/100M TSN 子系统 LogiCORE IP”。它能与 Zynq-7000 或 Zynq UltraScale+ MPSoC 器件配合使用，为多种应用提供单芯片解决方案。在德国纽伦堡工业自动化展会上，展示了 Acutronic Robotics 的 MARA 协作机器人 (Cobot)。这类机器人严重依赖于实时运动控制来实现速度、精度和安全。基于赛灵思 Zynq 的 TSN 解决方案负责管理多轴机器人使用的基于以太网的确定性通信功能。