Dasar-Dasar Jaringan Sensitif-Waktu

Pelajari tentang manfaat jaringan peka waktu (TSN) dan bagaimana para insinyur menggunakannya untuk memastikan bahwa sistem industri siap untuk masa depan. Artikel ini berfokus pada tiga anggota kumpulan standar TSN.

Domain teknologi yang berbeda memiliki serangkaian persyaratan uniknya sendiri dalam hal prediktabilitas dan sensitivitas waktu, yang dapat menghadirkan tantangan bagi perancang sistem yang ingin mengirimkan data pada koneksi bersama. Latensi rendah dan pengurangan waktu tunda harus diperhitungkan saat menggunakan jaringan bersama. Untungnya, ada solusi untuk tantangan ini — jaringan peka waktu (TSN). TSN berada di atas Ethernet standar dan mendefinisikan seperangkat standar untuk memungkinkan perancang sistem menggunakan jaringan Ethernet untuk mengirimkan data TI dan OT pada koneksi bersama.

Dalam artikel ini, pelajari tentang manfaat jaringan peka waktu dan bagaimana para insinyur menggunakannya untuk memastikan bahwa sistem industri siap untuk masa depan. Artikel ini berfokus pada tiga anggota kumpulan standar TSN, menjelaskannya secara mendetail, dan menyebutkan beberapa perangkat yang menggabungkan fitur jaringan peka waktu ke dalam perangkat kerasnya.

Apa itu Jaringan Peka Waktu?

Dalam sistem terdistribusi dengan banyak perangkat, seperti lantai pabrik modern, perangkat yang terhubung mungkin memiliki kebutuhan yang sangat berbeda dan tujuan yang berpotensi bertentangan untuk berkomunikasi dengan komponen lain dalam jaringan. Salah satu cara untuk melihat data yang dikirimkan adalah dengan melihatnya dalam konteks domain teknologi informasi (TI) dan teknologi operasional (OT).

Lalu lintas teknologi operasional, seperti data kontrol mesin dan nilai sensor, biasanya memerlukan jaringan untuk berperilaku dapat diprediksi. Komunikasi dalam domain ini memerlukan penundaan waktu yang tetap, latensi rendah, dan jitter rendah. Di sisi lain, lalu lintas teknologi informasi adalah data seperti lalu lintas email dan pembaruan firmware, misalnya. Di sini, batasan waktu tidak terlalu penting, dan komunikasi biasanya merupakan upaya terbaik.

Sementara lalu lintas TI biasanya membutuhkan lebih banyak bandwidth, data tidak perlu mencapai tujuan dalam jangka waktu tertentu. Sebaliknya, throughput keseluruhan adalah yang biasanya penting. Untuk OT, di sisi lain, data yang hilang pada titik waktu tertentu dapat menyebabkan kegagalan, dan oleh karena itu data harus mencapai tujuannya dalam batasan waktu nyata tertentu.

Terkadang, para insinyur memecahkan masalah ini dengan memelihara dua jaringan terpisah — satu untuk lalu lintas OT dan yang lainnya untuk infrastruktur TI. TSN (jaringan peka waktu) adalah seperangkat standar yang dibangun di atas Ethernet standar, memungkinkan lalu lintas OT dan TI untuk berbagi jaringan yang sama dengan menghormati kebutuhan individu setiap domain. TSN menambahkan determinisme ke Ethernet dengan mengurangi penundaan jaringan dan menurunkan latensi antar titik akhir, memastikan bahwa setiap paket dapat mencapai tujuannya tepat waktu.

Standar TSN

Seperti disebutkan, TSN adalah seperangkat standar yang berada di atas Ethernet. Setiap standar menggambarkan fungsionalitas yang berbeda, dan perancang sistem dapat memilih untuk menggabungkan standar untuk menyesuaikan jaringan lebih sesuai dengan kebutuhan mereka. Tabel berikut memberikan gambaran umum tentang standar TSN (Artikel ini membahas 802.1AS, 802.1CB, dan 802.1Qbv):

Gambar 1. Beberapa standar TSN memiliki kasus penggunaan industri.

Waktu dan Sinkronisasi untuk Aplikasi Sensitif-Waktu dengan 802.1AS

Standar TSN berasal dari protokol waktu presisi (PTP, IEEE1588®). Ide utama di balik PTP adalah untuk menyinkronkan jam mesin terdistribusi dalam jaringan. PTP menggunakan pohon distribusi jam, dan biasanya ada juga grandmaster, yang merupakan sumber dari semua waktu. Grandmaster ini menerima waktu dari sumber presisi tinggi — misalnya, jam GPS presisi tinggi. Node slave dalam jaringan menyinkronkan waktu lokalnya dengan waktu node master secara point-to-point.

PTP berfungsi sebagai dasar untuk standar TSN, dan gPTP adalah bagian dari standar 802.1AS. PTP dan gPTP memiliki banyak istilah umum, tetapi ada juga beberapa perbedaan utama. Salah satu perbedaan tersebut adalah bahwa PTP berada pada lapisan transport model lapisan OSI, dan oleh karena itu, memungkinkan banyak metode transportasi dasar yang berbeda. Perbedaan lain antara gPTP dan PTP dirangkum dalam diagram di bawah ini. Revisi gPTP yang lebih baru menghadirkan kembali kemampuan untuk menggunakan stempel waktu satu langkah. Terakhir, gPTP memerlukan mekanisme penundaan peer-to-peer dan mengharapkan semua perangkat disinkronkan, yang berarti perangkat tersebut memiliki basis frekuensi standar dan semua jam berjalan pada kecepatan yang sama.

Gambar 2. Perbedaan antara PTP dan gPTP.

Insinyur dapat menggunakan standar 802.1AS untuk menyinkronkan tugas di mesin atau di seluruh jaringan industri. Artikel ini kemudian memperkenalkan contoh kontrol motor tersinkronisasi yang menggunakan 802.1AS.

Membuat Jaringan Redundan dengan 802.1CB

Standar 802.1CB memungkinkan perancang sistem untuk membuat aliran komunikasi yang berlebihan melalui jaringan. Aplikasi tipikal berada dalam jaringan topologi ring dengan banyak perangkat. Komunikasi antar perangkat direplikasi dan dikirim ke setiap arah pada ring. Jika ada putusnya ring pada titik mana pun, semua perangkat akan tetap dapat berkomunikasi satu sama lain tanpa paket yang hilang dan tanpa penundaan yang disebabkan oleh algoritme transmisi ulang.

Gambar 3. Diagram topologi ring dengan redundansi pesan.

Setiap kali perangkat (pembicara) ingin berkomunikasi dengan perangkat lain (pendengar) di atas ring, itu akan mengirim pesan duplikat ke arah yang berbeda. Fitur ini diimplementasikan dalam perangkat keras sehingga sakelar yang diaktifkan TSN menduplikasi paket dan memasukkan tag redundansi yang menyertakan header yang mengidentifikasi aliran yang direplikasi dan menyertakan ID urutan untuk memungkinkan penerima membuang duplikat yang diterimanya. Perangkat keras berkemampuan TSN di pendengar menerima paket dari kedua arah di ring dan mendeteksi paket unik pertama. Kemudian secara otomatis membuang paket duplikat yang datang kemudian yang menggunakan ID urutan yang sama.

Membongkar tugas-tugas ini ke perangkat keras berkemampuan TSN menyederhanakan pengembangan perangkat lunak karena menghilangkan kebutuhan akan algoritme transmisi ulang yang rumit.

Untuk menggunakan 802.1CB, perancang sistem harus mengidentifikasi aliran lalu lintas apa yang akan direplikasi melalui sakelar berkemampuan TSN. Ada beberapa metode berbeda, tetapi inti dari masing-masing metode tersebut, sakelar jaringan mereplikasi pesan yang cocok dengan pola yang telah ditentukan (misalnya, semua pesan masuk ke perangkat dengan alamat MAC tertentu).

Menggabungkan lalu lintas OT dan TI di Jaringan Tunggal dengan 802.1Qbv

Standar 802.1Qbv menggunakan pembentuk time-aware, yang diimplementasikan pada port keluar (port keluar) dari sakelar Ethernet atau pengontrol Ethernet mandiri dalam SoC. Pembentuk yang sadar waktu menentukan kapan lalu lintas bisa keluar ke kabel. Standar mendefinisikan delapan antrian untuk aliran lalu lintas yang berbeda dan perangkat lunak mengonfigurasi antrian ini menggunakan daftar kontrol gerbang.

Gambar 4. Contoh skema dari jadwal 802.1Qbv. Jadwal berisi dua wilayah waktu terpisah (abu-abu dan biru) untuk mengirimkan data PL dan TI secara terpisah.

Daftar kontrol gerbang menetapkan jadwal di mana gerbang dibuka untuk mengalirkan lalu lintas keluar dari antrian. Daftar ini serbaguna dan memungkinkan beberapa gerbang dibuka atau ditutup secara bersamaan. Anda juga dapat menyetel interval waktu unik untuk setiap langkah dalam jadwal.

Setiap aplikasi perangkat lunak yang berjalan pada perangkat menetapkan lalu lintas ke antrian yang berbeda, tergantung pada tingkat prioritas aplikasi itu atau data yang ditransmisikan. Pemetaan dapat terjadi berdasarkan protokol, port tujuan, dan jenis lalu lintas tertentu (misalnya, PTP melalui UDP). Semua perangkat di jaringan disinkronkan dan dikelola, memastikan bahwa aliran data penting tidak akan bertabrakan di jaringan dan memenuhi persyaratan waktu nyata.

Perangkat keras TSN juga secara otomatis memberlakukan guard-band sebelum setiap slot waktu. Ini memastikan bahwa transmisi paket besar tidak dimulai tepat sebelum transisi gerbang. Jika tidak, transmisi paket dengan prioritas rendah mungkin berjalan di atas slot waktu dengan prioritas lebih tinggi. Perangkat keras memeriksa setiap paket sebelum mengirim, dan jika tidak dapat menyelesaikan paket selama slot waktu saat ini, perangkat keras akan menahannya hingga slot waktu berikutnya untuk kelas lalu lintas ini tersedia.

Pengaktifan Perangkat Lunak Untuk Jaringan Waktu-Sensitif

NXP menyediakan beberapa perangkat lunak untuk memanfaatkan fitur TSN di Layerscape® LS1028A dan mikroprosesor lainnya.

Perangkat Lunak Sumber Terbuka

Bagi mereka yang lebih menyukai platform pengembangan sumber terbuka, NXP menawarkan tsntool untuk mengonfigurasi semua fitur TSN di LS1028A, atau sebagai alternatif, pengembang dapat menggunakan perintah tc yang merupakan bagian dari rangkaian utilitas iproute2 Linux. Tc dapat mengonfigurasi pembentuk yang sadar waktu dan mengarahkan lalu lintas aplikasi ke antrian lalu lintas yang berbeda. gPTP didukung melalui paket ptp4l.

Audio Video Bridging (AVB) dan Time-Sensitive Networking (TSN) Stack

NXP juga menawarkan tumpukan AVB/TSN portabel yang dapat berjalan di mikroprosesor dan mikrokontroler, memberikan opsi bagi pengembang yang perlu menerapkan TSN melalui serangkaian platform yang dapat diskalakan.

Diskusi 802.1Qbv di atas menyebutkan kit pengembangan perangkat lunak (SDK) Layerscape LS1028A sebagai salah satu cara untuk mengunggah daftar kontrol gerbang ke pengontrol Ethernet berkemampuan TSN. LS1028A adalah prosesor aplikasi yang didasarkan pada dua inti Arm® Cortex®-A72 yang biasanya menjalankan OS Linux® atau OS tingkat tinggi yang berbeda atau sistem operasi waktu nyata.

LS1028A mencakup pengontrol Ethernet berkemampuan TSN serta sakelar jaringan terintegrasi yang mendukung TSN. Selanjutnya, prosesor aplikasi LS1028A mendukung berbagai fitur keamanan seperti mesin kriptografi dan arsitektur kepercayaan. Selain itu, perangkat ini juga menggabungkan akselerasi grafis 3D dan dukungan monitor melalui DisplayPort (DP).

LS1028A dapat menjalankan Linux industri terbuka, yang dikhususkan untuk kasus penggunaan industri. Ini memungkinkan perangkat berfungsi di lingkungan waktu nyata dan menjalankan pemrosesan latensi rendah (dengan xenomai Linux). Selanjutnya, perangkat dapat mengeksekusi kode bare-metal pada satu inti dan Linux, misalnya, pada inti lainnya.

Selain itu, NXP menyediakan dukungan sumber terbuka untuk TSN serta alat untuk mengonfigurasinya. Dalam Linux industri terbuka, NXP menyediakan dukungan driver open-source untuk PTP. Driver ini memungkinkan pengguna untuk mengontrol jam perangkat keras PTP dan stempel waktu.

Bagian dari contoh kontrol motor sinkron yang akan datang menggunakan tumpukan NXP AVB komersial, yang merupakan iterasi sebelumnya dari beberapa standar yang dibahas. NXP akan menambahkan dukungan TSN di masa mendatang.

Sebagai alternatif dari Layerscape LS1028A, MCU crossover i.MX RT1170 adalah perangkat NXP lain yang mendukung TSN. MCU crossover dual-core ini memiliki inti Cortex-M7 yang mampu berjalan hingga 1 GHz, serta inti Arm Cortex-M4 yang tertanam dengan clock 400 MHz.

MCU crossover ini memasangkan banyak IO MPU biasa dengan inti mikrokontroler berkinerja tinggi, kemampuan tampilan, keamanan tingkat lanjut, dan fitur pengontrol Ethernet berkemampuan TSN.

Contoh Praktis:Kontrol Motor Sinkron dengan TSN

Dalam contoh praktis berikut ini, dua motor memiliki cakram plastik dengan slot yang dipotong terpasang padanya, yang harus bekerja bersama secara serempak sehingga cakram tidak saling bertabrakan. Untuk mencapai hal ini, MCU i.MX RT1170 menjalankan tugas mengoordinasikan seluruh sistem dengan menggunakan pengontrol Ethernet berkemampuan 802.1AS.

Gambar 5. Tinjauan tingkat tinggi dari contoh kontrol motor sinkron. MCU i.MX RT1170 memastikan operasi motor yang sinkron, jembatan jaringan bertenaga LS1028A memastikan data penting waktu ditransmisikan dalam kerangka waktu yang berbeda.

Motor dihubungkan ke pengontrol terpisah yang menerima paket dari koordinator utama. Data ini memberi tahu motor kapan harus bergerak.

Jembatan jaringan meneruskan lalu lintas antar komponen. Dalam contoh ini, jembatan menggunakan prosesor aplikasi Layerscape LS1028A. Perangkat ini mampu menggabungkan lalu lintas OT dan TI menggunakan standar TSN 802.1Qbv. Dengan pendekatan ini, data kontrol motor ditransmisikan dalam kerangka waktu yang berbeda dibandingkan dengan data TI, yang merupakan data yang dihasilkan secara acak dalam contoh ini.

Seperti disebutkan sebelumnya, dimungkinkan untuk menggabungkan standar TSN untuk memenuhi persyaratan aplikasi tertentu. Contoh ini menunjukkan hal itu. Kontroler utama menggunakan 802.1AS untuk menetapkan basis waktu yang disinkronkan, sedangkan sakelar menerapkan 802.1Qbv untuk membentuk lalu lintas jaringan guna memastikan bahwa data kritis waktu ditransmisikan dalam batasan yang diberikan. Hal ini memastikan bahwa motor dapat beroperasi secara serempak dan secepat mungkin.

Jaringan Sensitif Waktu untuk Koneksi Bersama

Data TI dan PL memiliki persyaratan yang saling bertentangan — lalu lintas TI biasanya terdiri dari lebih banyak data daripada lalu lintas PL, dan komunikasi dengan upaya terbaik biasanya sudah cukup. Lalu lintas PL, di sisi lain, sangat kritis terhadap waktu. Biasanya, batasan waktu, penundaan, dan latensi yang ketat berlaku. Dengan TSN, perancang sistem dapat menggunakan jaringan Ethernet untuk mengirimkan data TI dan OT pada koneksi bersama.

802.1AS menyinkronkan beberapa perangkat dalam jaringan dengan akurasi dalam nanodetik. Fitur ini tersedia di banyak MCU crossover Layerscape, i.MX, dan i.MX RT dan perangkat lunak komersial open-source dan turnkey sudah tersedia untuk mendukung TSN.

Dengan 802.1CB, perancang sistem dapat memperkenalkan toleransi kesalahan ke sistem mereka dengan menambahkan redundansi ke jaringan Ethernet. Dengan perangkat keras berkemampuan TSN, fitur redundansi diturunkan ke perangkat keras. Melakukannya menghasilkan lebih sedikit overhead dalam perangkat lunak aplikasi. Fitur ini tersedia di Layerscape LS1028A, dan juga tersedia software dan driver open-source.

802.1Qbv memperkenalkan pembentukan sadar waktu ke jaringan Ethernet standar. Ini menyediakan latency rendah dan transportasi jitter rendah untuk aliran lalu lintas Ethernet yang sensitif terhadap waktu, dan cadangan bandwidth untuk aplikasi tertentu. Lalu lintas PL dan TI berbagi jaringan tunggal. Fitur ini juga tersedia di beberapa prosesor NXP, dan perangkat lunak komersial open-source dan turnkey tersedia.

Seperti yang ditunjukkan pada contoh kontrol motor, standar yang berbeda dapat digabungkan agar sesuai dengan kebutuhan aplikasi tertentu.

Halaman komunitas NXP menyediakan sejumlah forum, contoh, catatan aplikasi, dan informasi lain tentang prosesor NXP yang dapat mengaktifkan jaringan peka waktu untuk memungkinkan koneksi data bersama.

Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah milik mitra dan belum tentu milik All About Circuits atau penulisnya.