Relyum的誕生是為關(guān)鍵系統中的網(wǎng)絡(luò )化、同步和網(wǎng)絡(luò )安全提供創(chuàng )新的解決方案。在智能工廠(chǎng)場(chǎng)景中可以提供傳感器融合、邊緣計算功能和OT/IT的無(wú)縫集成。

如今，Relyum平臺已出現在智能工廠(chǎng)中，并且還可以直接集成到智能機器中。工業(yè)客戶(hù)已經(jīng)將Relyum平臺視為從他們的流程和機器中解鎖數據的寶貴鑰匙，以實(shí)現更高的生產(chǎn)率并提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了向客戶(hù)提供最完整的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）解決方案，Relyum發(fā)布了一系列產(chǎn)品，以滿(mǎn)足TSN的所有需求。同時(shí)，為了響應中國市場(chǎng)對TSN和其他技術(shù)解決方案的極大興趣，Relyum攜手廣州虹科電子科技有限公司，致力共同為中國市場(chǎng)提供TSN最佳解決方案。

1 應用

TSN在各個(gè)行業(yè)中的使用幾率都日益增加，航空航天、鐵路或工業(yè)自動(dòng)化等市場(chǎng)將TSN視為向具有確定性特征的可互操作的高帶寬網(wǎng)絡(luò )轉移的機會(huì )，這將為這些領(lǐng)域節省大量的設備和電纜成本。

1.1 汽車(chē)領(lǐng)域

在未來(lái)的幾年中，汽車(chē)線(xiàn)束將從不同協(xié)議的異構網(wǎng)絡(luò )過(guò)渡到分層的均勻以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。在這種新情況下，反映真實(shí)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )的實(shí)驗室測試臺將需要分析工具，這些工具能夠在汽車(chē)內部通信的驗證過(guò)程中提供支持。

汽車(chē)內部最新的應用程序和功能提高了帶寬、延遲、同步、高可用性、QoS和降低的成本要求。目前傳統的汽車(chē)最常用的協(xié)議（即CAN、LIN、MOST、FlexRay等）不足以滿(mǎn)足這些即將到來(lái)的需求。在這種情況下，以太網(wǎng)顯然是IVN（In VehicleNetwork）領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。

在傳統的方法中，每個(gè)域都有一個(gè)獨立的控件，基于一個(gè)專(zhuān)用的ECU（電子控制單元），用于域內的每個(gè)特定的mayor函數。今天，域之間有更多的交互和依賴(lài)，但它們通常仍然有獨立的控制系統。此外，由于遺留問(wèn)題，大多數傳統域內的通信仍然基于非以太網(wǎng)協(xié)議。因此，“中央網(wǎng)關(guān)+域控制器”是未來(lái)車(chē)輛最常用的體系結構之一。

1.2 在音頻廣播系統中通過(guò)IP互連PTP同步系統的高可用性

在過(guò)去的幾年中，音頻和視頻廣播的技術(shù)已經(jīng)從專(zhuān)用設備和它們之間的物理電纜轉變?yōu)楦叨然谲浖虸P的解決方案。這些前端現在基于商用計算機，并在其上加載了廣播應用程序，實(shí)現了這些系統所需的不同功能：多路復用器、轉換器等。

到IP系統的這種融合為最終用戶(hù)提供了機會(huì )，可以從市場(chǎng)上可用的各種以太網(wǎng)解決方案中進(jìn)行選擇，并支持音頻視頻系統所需的PTP同步?；陔娏Σ块T(mén)的經(jīng)驗，HSR和PRP“零丟包”協(xié)議以及對PTP同步的支持，被證明是在這種新情況下保證高可用性的理想解決方案。

2 技術(shù)優(yōu)勢

2.1 時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )合并了工廠(chǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò )

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）提供具有感應、處理和聯(lián)網(wǎng)功能的智能基礎架構和超連接設備。這些系統將產(chǎn)生驚人的數據量，共享同一網(wǎng)絡(luò )。因此，有必要確保實(shí)時(shí)和關(guān)鍵任務(wù)消息在延遲和可靠性的嚴格限制內傳輸，而與其他網(wǎng)絡(luò )流量無(wú)關(guān)。

確定性以太網(wǎng)解決方案可提供具有保證帶寬和確定性延遲的數據流。當前正在開(kāi)發(fā)的多個(gè)標準涉及許多功能。期望結合可用標準和特征的子集的交換實(shí)現。這種靈活性可以通過(guò)可重構邏輯（FPGA）、HDL IP和嵌入式軟件來(lái)實(shí)現。

圖1 TSN網(wǎng)絡(luò )架構

2.2 高可用性網(wǎng)絡(luò )

使用最先進(jìn)的解決方案，可確保在單個(gè)網(wǎng)絡(luò )故障和“即插即用”操作情況下不會(huì )丟失數據包。此外，客戶(hù)需要可互操作和標準化的解決方案，以避免專(zhuān)有的供應商方法。從這個(gè)意義上講，國際電工委員會(huì )（IEC）進(jìn)行了大量工作來(lái)定義基于高可用性以太網(wǎng)的解決方案。確保出現網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)零延遲恢復時(shí)間的兩個(gè)協(xié)議是：高可用性無(wú)縫冗余（HSR，IEC62439-3-第5條款）和并行冗余協(xié)議（PRP，IEC62439-3-第4條款）。

HSR通過(guò)在環(huán)形網(wǎng)絡(luò )上雙向發(fā)送數據包來(lái)提供冗余。一個(gè)簡(jiǎn)單的HSR網(wǎng)絡(luò )由雙重連接的橋接節點(diǎn)組成，每個(gè)節點(diǎn)都有兩個(gè)以太網(wǎng)端口。HSR節點(diǎn)在兩個(gè)端口上發(fā)送相同的幀。

具有HSR功能的目標節點(diǎn)在無(wú)故障狀態(tài)下在一定間隔內分別在兩個(gè)端口上接收兩個(gè)相同的幀。接收到的第一個(gè)被接收，而重復的被丟棄。如果環(huán)網(wǎng)中斷，則將始終通過(guò)另一個(gè)端口接收幀。

HSR具有高可用性，并且反應時(shí)間非常短。此外，標準中定義的交換規則允許采用最簡(jiǎn)單的方法來(lái)計算最壞情況下的通信延遲，從而可以在需要實(shí)時(shí)的應用程序中使用此協(xié)議。

圖2 HSR網(wǎng)絡(luò )

圖3 PRP網(wǎng)絡(luò )

PRP冗余是在節點(diǎn)而不是網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現的。經(jīng)過(guò)特殊調整的節點(diǎn)（雙連接節點(diǎn)——DAN）連接到兩個(gè)獨立的以太網(wǎng)（LANA和LAN B），并在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送相同的幀。

在無(wú)故障狀態(tài)下，目標節點(diǎn)將消耗第一個(gè)接收到的幀，并丟棄重復的幀。在其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò )出現故障的情況下，仍將通過(guò)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送和接收幀。

非PRP節點(diǎn)可以連接到單個(gè)網(wǎng)絡(luò )，因此它們只能與連接到該網(wǎng)絡(luò )或通過(guò)Redbox連接到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)通信。

2.3 關(guān)鍵系統的網(wǎng)絡(luò )安全

網(wǎng)絡(luò )安全對于工業(yè)和整個(gè)關(guān)鍵系統而言都是巨大的挑戰。必須采用多層方法來(lái)涵蓋在傳感器、集成電路、嵌入式設備、網(wǎng)絡(luò )、應用程序、企業(yè)和云級別可能出現的安全威脅。因此，涉及的代理和技術(shù)數量龐大且種類(lèi)繁多。

任何關(guān)鍵系統都需要進(jìn)行威脅分析，將需要應用安全解決方案的組合來(lái)保護所涉及的不同層。專(zhuān)注于關(guān)鍵系統的嵌入式平臺應遵循“網(wǎng)絡(luò )安全設計”方法，以確保在設備的每一層都應用最充分的安全解決方案。

Relyum包括先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )安全機制，并且能夠支持高可用性網(wǎng)絡(luò )來(lái)連接工廠(chǎng)中的所有設備。這些是需要更高利益的行業(yè)的主要需求。

在網(wǎng)絡(luò )安全領(lǐng)域，Relyum團隊配備了解決方案，例如傳感器，可以檢測到不需要的訪(fǎng)問(wèn)，并且其中一款產(chǎn)品可以在“硬件”級別上實(shí)現實(shí)時(shí)加密，使數據不會(huì )遭受任何延遲傳輸。

圖4 網(wǎng)絡(luò )安全

此外，由于需要確保實(shí)時(shí)操作的要求，因此最先進(jìn)的技術(shù)提供了“即時(shí)”安全機制，這些機制可以應用最新的密碼套件，同時(shí)確保響應時(shí)間用于控制操作。例如，電氣部門(mén)是率先定義確保該部門(mén)使用的最嚴格實(shí)時(shí)流量的標準（IEC 62351-6）的標準，這些標準可以從這些創(chuàng )新中受益。

2.4 使用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的亞微秒同步

在連接到以太網(wǎng)的設備中實(shí)現提供GPS接收器的同步精度水平，這是可行的。受益于此創(chuàng )新的技術(shù)基于精確時(shí)間協(xié)議（PTP）。PTP在IEEE 1588-2008和IEC 61588：2009標準中定義。

PTP協(xié)議能夠以低至納秒級的精度同步網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘。它基于分組鎖定環(huán)（PLL）方法。像任何有源同步電路一樣，IEEE 1588時(shí)鐘是采用閉環(huán)算法實(shí)現的伺服系統。這些計算的最終目的是在所有同步設備中提供一個(gè)準確的64位計時(shí)器。此計時(shí)器可用于數據時(shí)間戳記和分布式控制，甚至可用于操作系統同步。

2.5 智能工廠(chǎng)的邊緣計算

工業(yè)4.0和IIoT為公司提供了鎖定和了解數據真正價(jià)值的機會(huì )。這種演變涉及將不同的技術(shù)和計算方法進(jìn)行合并?？紤]到行業(yè)的特定需求（例如高可用性、實(shí)時(shí)操作能力和安全性），新興的場(chǎng)景需要將邊緣、企業(yè)和云計算結合在一起。從計算的角度來(lái)看，面臨這一挑戰的下一代設備和平臺必須具有強大的功能，并且必須具有足夠的靈活性以實(shí)現OT/IT世界的無(wú)縫集成，例如，允許軟件和液態(tài)硬件微服務(wù)。

圖5 智能工廠(chǎng)的邊緣計算

2.6 TSN與DDS結合使用

RELYUM展示了RELY-DDS-TSN-KIT，這是一個(gè)將TSN和DDS結合在一起的評估套件。該套件可評估：

.基于IEEE 1588AS同步的共同時(shí)間感知的重要性。

.借助時(shí)間感知整形器，可以確定性地交付實(shí)時(shí)流量。

.通過(guò)基于信用的整形器在流量類(lèi)別之間進(jìn)行帶寬分配和預留的好處。

TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )）和DDS.（數據分發(fā)服務(wù)）是在關(guān)鍵系統中提供確定性、可靠性、可伸縮性和可用性的完美組合。DDS滿(mǎn)足了數據總線(xiàn)級別上這些系統的需求，而TSN負責保證網(wǎng)絡(luò )級別上的確定性。

圖6 TSN與DDS結合使用

在對時(shí)間敏感的應用程序中，將兩個(gè)標準合并后，將在設備、維護、分析服務(wù)的無(wú)縫集成和供應商依賴(lài)性方面節省大量資金。

這就是DDS與TSN融合成為自動(dòng)駕駛、國防、醫療保健、航空航天等領(lǐng)域的理想解決方案的原因。

3 總結

Relyum專(zhuān)注于連接性，將傳感器和工廠(chǎng)系統與云系統或公司服務(wù)器連接。在這一領(lǐng)域，有一種注定要成為工業(yè)工廠(chǎng)未來(lái)通信技術(shù)的技術(shù)，稱(chēng)為T(mén)SN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )），其目的是取代連接工廠(chǎng)中機器和PLC的當前現場(chǎng)總線(xiàn)，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )，允許機器的控制信息與其他信息共存，而不會(huì )影響前者。Relyum的產(chǎn)品使得更多企業(yè)可以在此架構上實(shí)現OT和IT的融合。這種融合提高了工業(yè)設備的連接性和通用性，并且面向未來(lái)，為大數據分析、邊緣智能、新型業(yè)務(wù)提供了更快更好的發(fā)展路徑。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年6月刊