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Relyum的誕生是為關(guān)鍵系統(tǒng)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。在智能工廠場景中可以提供傳感器融合、邊緣計(jì)算功能和OT/IT的無縫集成。

如今，Relyum平臺(tái)已出現(xiàn)在智能工廠中，并且還可以直接集成到智能機(jī)器中。工業(yè)客戶已經(jīng)將Relyum平臺(tái)視為從他們的流程和機(jī)器中解鎖數(shù)據(jù)的寶貴鑰匙，以實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率并提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了向客戶提供最完整的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）解決方案，Relyum發(fā)布了一系列產(chǎn)品，以滿足TSN的所有需求。同時(shí)，為了響應(yīng)中國市場對(duì)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提供TSN最佳解決方案。

1 應(yīng)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(zhuǎn)移的機(jī)會(huì)，這將為這些領(lǐng)域節(jié)省大量的設(shè)備和電纜成本。

1.1 汽車領(lǐng)域

在未來的幾年中，汽車線束將從不同協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)過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)車輛網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室測試臺(tái)將需要分析工具，這些工具能夠在汽車內(nèi)部通信的驗(yàn)證過程中提供支持。

汽車內(nèi)部最新的應(yīng)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(tǒng)的汽車最常用的協(xié)議（即CAN、LIN、MOST、FlexRay等）不足以滿足這些即將到來的需求。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(tǒng)的方法中，每個(gè)域都有一個(gè)獨(dú)立的控件，基于一個(gè)專用的ECU（電子控制單元），用于域內(nèi)的每個(gè)特定的mayor函數(shù)。今天，域之間有更多的交互和依賴，但它們通常仍然有獨(dú)立的控制系統(tǒng)。此外，由于遺留問題，大多數(shù)傳統(tǒng)域內(nèi)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”是未來車輛最常用的體系結(jié)構(gòu)之一。

1.2 在音頻廣播系統(tǒng)中通過IP互連PTP同步系統(tǒng)的高可用性

在過去的幾年中，音頻和視頻廣播的技術(shù)已經(jīng)從專用設(shè)備和它們之間的物理電纜轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨然谲浖虸P的解決方案。這些前端現(xiàn)在基于商用計(jì)算機(jī)，并在其上加載了廣播應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了這些系統(tǒng)所需的不同功能：多路復(fù)用器、轉(zhuǎn)換器等。

到IP系統(tǒng)的這種融合為最終用戶提供了機(jī)會(huì)，可以從市場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(tǒng)所需的PTP同步。基于電力部門的經(jīng)驗(yàn)，HSR和PRP“零丟包”協(xié)議以及對(duì)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)合并了工廠和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）提供具有感應(yīng)、處理和聯(lián)網(wǎng)功能的智能基礎(chǔ)架構(gòu)和超連接設(shè)備。這些系統(tǒng)將產(chǎn)生驚人的數(shù)據(jù)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(yán)格限制內(nèi)傳輸，而與其他網(wǎng)絡(luò)流量無關(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(shù)據(jù)流。當(dāng)前正在開發(fā)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)涉及許多功能。期望結(jié)合可用標(biāo)準(zhǔn)和特征的子集的交換實(shí)現(xiàn)。這種靈活性可以通過可重構(gòu)邏輯（FPGA）、HDL IP和嵌入式軟件來實(shí)現(xiàn)。

圖1 TSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

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(shù)據(jù)包。此外，客戶需要可互操作和標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，以避免專有的供應(yīng)商方法。從這個(gè)意義上講，國際電工委員會(huì)（IEC）進(jìn)行了大量工作來定義基于高可用性以太網(wǎng)的解決方案。確保出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)零延遲恢復(fù)時(shí)間的兩個(gè)協(xié)議是：高可用性無縫冗余（HSR，IEC62439-3-第5條款）和并行冗余協(xié)議（PRP，IEC62439-3-第4條款）。

HSR通過在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上雙向發(fā)送數(shù)據(jù)包來提供冗余。一個(gè)簡單的HSR網(wǎng)絡(luò)由雙重連接的橋接節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)以太網(wǎng)端口。HSR節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)端口上發(fā)送相同的幀。

具有HSR功能的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在無故障狀態(tài)下在一定間隔內(nèi)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(fù)的被丟棄。如果環(huán)網(wǎng)中斷，則將始終通過另一個(gè)端口接收幀。

HSR具有高可用性，并且反應(yīng)時(shí)間非常短。此外，標(biāo)準(zhǔn)中定義的交換規(guī)則允許采用最簡單的方法來計(jì)算最壞情況下的通信延遲，從而可以在需要實(shí)時(shí)的應(yīng)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(jié)點(diǎn)而不是網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過特殊調(diào)整的節(jié)點(diǎn)（雙連接節(jié)點(diǎn)——DAN）連接到兩個(gè)獨(dú)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。

在無故障狀態(tài)下，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將消耗第一個(gè)接收到的幀，并丟棄重復(fù)的幀。在其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的情況下，仍將通過另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收幀。

非PRP節(jié)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Redbox連接到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通信。

2.3 關(guān)鍵系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全

網(wǎng)絡(luò)安全對(duì)于工業(yè)和整個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)而言都是巨大的挑戰(zhàn)。必須采用多層方法來涵蓋在傳感器、集成電路、嵌入式設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用程序、企業(yè)和云級(jí)別可能出現(xiàn)的安全威脅。因此，涉及的代理和技術(shù)數(shù)量龐大且種類繁多。

任何關(guān)鍵系統(tǒng)都需要進(jìn)行威脅分析，將需要應(yīng)用安全解決方案的組合來保護(hù)所涉及的不同層。專注于關(guān)鍵系統(tǒng)的嵌入式平臺(tái)應(yīng)遵循“網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)”方法，以確保在設(shè)備的每一層都應(yīng)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(jī)制，并且能夠支持高可用性網(wǎng)絡(luò)來連接工廠中的所有設(shè)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(tuán)隊(duì)配備了解決方案，例如傳感器，可以檢測到不需要的訪問，并且其中一款產(chǎn)品可以在“硬件”級(jí)別上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)加密，使數(shù)據(jù)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(jī)制，這些機(jī)制可以應(yīng)用最新的密碼套件，同時(shí)確保響應(yīng)時(shí)間用于控制操作。例如，電氣部門是率先定義確保該部門使用的最嚴(yán)格實(shí)時(shí)流量的標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62351-6）的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備中實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)中定義。

PTP協(xié)議能夠以低至納秒級(jí)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(xiàn)的伺服系統(tǒng)。這些計(jì)算的最終目的是在所有同步設(shè)備中提供一個(gè)準(zhǔn)確的64位計(jì)時(shí)器。此計(jì)時(shí)器可用于數(shù)據(jù)時(shí)間戳記和分布式控制，甚至可用于操作系統(tǒng)同步。

2.5 智能工廠的邊緣計(jì)算

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

圖5 智能工廠的邊緣計(jì)算

2.6 TSN與DDS結(jié)合使用

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

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

TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）和DDS.（數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）是在關(guān)鍵系統(tǒng)中提供確定性、可靠性、可伸縮性和可用性的完美組合。DDS滿足了數(shù)據(jù)總線級(jí)別上這些系統(tǒng)的需求，而TSN負(fù)責(zé)保證網(wǎng)絡(luò)級(jí)別上的確定性。

圖6 TSN與DDS結(jié)合使用

在對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用程序中，將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合并后，將在設(shè)備、維護(hù)、分析服務(wù)的無縫集成和供應(yīng)商依賴性方面節(jié)省大量資金。

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

3 總結(jié)

Relyum專注于連接性，將傳感器和工廠系統(tǒng)與云系統(tǒng)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)工廠未來通信技術(shù)的技術(shù)，稱為TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)），其目的是取代連接工廠中機(jī)器和PLC的當(dāng)前現(xiàn)場總線，通過以太網(wǎng)絡(luò)，允許機(jī)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(gòu)上實(shí)現(xiàn)OT和IT的融合。這種融合提高了工業(yè)設(shè)備的連接性和通用性，并且面向未來，為大數(shù)據(jù)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