DDS和TSN：实时数据交换的未来？

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本文探讨了DDS（数据分发服务）和TSN（时间敏感网络）如何协同工作，以满足实时系统的需求。TSN通过以太网提供确定性的数据传输，而DDS则提供高级别的QoS策略和应用集成。两者结合可以简化复杂性，降低成本，并确保实时服务质量。目前，OMG正在为带有TSN的DDS开发新标准，这将促进硬实时应用的标准化和互操作性。

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最近，我的一位同事参加了在奥地利林茨开普勒大学的座谈会，发生了一件有趣的事情。尽管时间敏感型网络（TSN）是一个相对较新的标准，但他仍然惊讶于有关TSN和数据分发服务™（DDS）如何一起工作的问题而感到惊讶。这告诉了我们一些事情：许多系统架构师似乎已经相信，TSN在未来的系统设计中将扮演越来越重要的角色。

TSN是一组IEEE标准，旨在通过以太网提供对时间敏感的数据传输。TSN非常适合需要以确定性方式发送周期性信息的实时系统的通信要求。

但是，TSN可能会做更多的事情。原因很简单：TSN可以为以前无法在以太网上运行的全新应用程序提供实时通信的基础。因此，这些应用程序可以使用效率，带宽和性能改进的新领域。

但是，当然，没有什么是凭空运作的：TSN是一种低层网络技术（第1层和第2层），需要与更高层的网络和连接技术（第3-6层）结合才能发挥其全部潜力。在我看来，DDS是实现这一目标的最佳方法。例如，当DDS位于堆栈中的TSN上方时，突然之间，您可以通过简单地配置应用程序级QoS并使用DDS进行发布-订阅通信来使用实时服务质量（QoS）。这将确定性直接带给Edge Autonomy应用程序，而无需配置网络交换机或执行自定义编程。

最适合实时性需求

那么，为什么DDS和TSN天生适合？关键原因在于，将它们结合使用时，它们可以使用商业上可用的标准技术集成实时应用程序组件。这是一个明显的优势，因为定制或专用技术的制造成本往往很高且难以维护。随着技术的发展，自定义技术将无法跟上并最终成为孤岛，无法与新系统和技术集成。网络技术的演进提供了一个示例：早期，有数百种彼此不互操作的网络技术。随着时间的流逝，所有这些技术都被整合为各种以太网标准（用于第1层和第2层）和TCP / IP（用于第3层和第4层）。其他技术成为孤立的孤岛，无法从Internet的技术进步中受益。

如今，Internet应用程序使用高级（第5层和第6层）中间件和“连接框架”技术（例如MQTT，DDS，OPC-UA，HTTP / REST等）进行集成。这些中间件技术将应用程序与细节隔离开来。网络化，并使其能够构建强大的分布式系统，并且可以随着时间的推移而发展。它们促进了数据模型的创建和共享，并为简化了应用程序开发的通信模式（例如发布-订阅和远程服务调用）提供了支持。

但是，由于中间件和网络技术无法提供应用程序所需的性能和/或确定性（例如，有限的延迟和抖动），因此许多硬实时系统无法利用这些优势。因此，他们被迫使用专用解决方案，包括专用的“工业协议”和定制的网络硬件。

DDS和TSN的组合可以改变这种情况。为了理解这一点，让我们剖析每种技术提供的功能以及它们如何协同工作。

TSN提供了一项出色的技术，可以通过以太网传递实时流量。它允许定义每个流的时序要求，并配置网络路径（包括交换机）以确保满足要求。它还为不同的流提供隔离，因此实时流量不会受到同一网络上发生的其他通信的干扰。但是，由于该技术在配置堆栈中处于较低级别，因此应用程序必须配置流，数据包大小，频率，优先级，网络端点等。尽管可以为几个节点和流的简单应用程序完成此操作，但对于更复杂的系统却变得很棘手。

DDS提供了一项出色的技术，可以集成由单独的组件构建的应用程序。它离应用程序更近。它在主题，应用程序数据类型，与应用程序相关的QoS（例如，可靠性，持久性，优先级，截止日期）方面提供了更高级别的界面，并处理了诸如发现端点和建立通信之类的较低级别的细节。路径。但是，尽管DDS尝试通过使用有效的二进制协议来尽力而为，但它不能保证确定性的行为，因为它不控制底层网络层：它必须与基础网络（例如UDP / IP）可以提供的内容兼容。

DDS和TSN的结合提供了两全其美的方法。

增强QoS策略

实时系统的关键是QoS的整个概念。结合DDS和TSN，可以在分布式系统中指定和实施与应用程序相关的QoS。这使系统管理员可以指定诸如哪些流需要可靠，延迟预算，期限，耐用性要求，数据寿命等方面的信息。DDS可以使用此信息自动配置TSN网络，从而可以保证QoS。

将DDS与TSN结合使用还可以通过DDS中的QoS功能节省时间。除了配置与应用程序相关的DDS QoS外，该应用程序无需做其他事情。自动配置下层TSN概念的繁琐细节，因此大大简化了应用程序集成和部署。

降低复杂度

TSN的原始驱动程序是音频和视频社区，因为那些系统发送需要精确协调的高带宽信号。例如，发送到多个扬声器的信号需要精确同步，以使听众获得正确的声音感知。随着这种趋势的发展，许多其他行业指出它们也面临着类似的挑战。多轴控制机器，机器人，3D打印和汽车都是很好的例子，因为它们涉及在多个端点发生的协调动作。

因此，所有流量都可以共享一个实时TSN，而不是使用多个网络和多个线路。这在复杂性和硬件方面提供了显着的节省。它还可以保证设计的前瞻性：只需将新组件插入公共TSN网络即可添加新组件。

DDS在应用程序层也解决了该问题。应用程序流程和组件也可以“插入”通用DDS数据总线。除了改善分布式系统的互操作性，带宽和性能外，您将不会受制于看起来像1950年代电话总机的系统架构。