每當(dāng)談到網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)時，我總是喜歡拿交通運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施來打比方，因?yàn)樗鼈冎g實(shí)在是有著太多的相似之處。這種方法，對于我們?nèi)ダ斫饩W(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，尤其是關(guān)于協(xié)議機(jī)制部分的各種專業(yè)術(shù)語，其實(shí)是特別有幫助的。

 

本期我們要談的“時間確定性”，就是其中之一。

 

PicSource：Motor1.com

 

日常出行選擇交通工具時，我們往往都有過這樣的體驗(yàn)：

 

道路交通，比如：駕車、出租車...，最大的好處就是便利、靈活，而且速度也不慢。但其也有個很大的問題，就是對于路況的依賴。路況好時，的確可以很快抵達(dá)；而一旦遇到車流較大、道路擁堵...等情況，就很難說會在路上耗掉多少時間了。

 

PicSource：BELDEN

 

相比之下，軌道交通盡管看上去不那么靈活，而且其列車的絕對速度也基本上不會比道路上的汽車快，但因?yàn)橛兄容^完善的時間管理機(jī)制，線路運(yùn)行時，各相關(guān)職能部門、包括每列車輛都必須嚴(yán)格遵守其運(yùn)營時刻表，因此乘坐軌道交通抵達(dá)目的地的時間基本上是可以保證的，雖然并不一定那么快，但消耗在路上的時間卻基本上是很確定且可以預(yù)測的。

 

PicSources：SF EXPRESS

 

通過上面這兩個交通出行的例子，我們不難看出，時間確定性的意思其實(shí)是說，能否在確定的時間范圍內(nèi)完成端到端的傳輸任務(wù)，按計(jì)劃將“包裹”從網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)遞送到另一個節(jié)點(diǎn)。而這個“定義”對于網(wǎng)絡(luò)通訊也是一樣適用的，只不過此處的“包裹”指的是數(shù)據(jù)。

 

PicSources：time lapse network

 

通用以太網(wǎng)的機(jī)制就非常類似于道路交通系統(tǒng)，它給系統(tǒng)中每個節(jié)點(diǎn)都提供了極大的靈活性，但由于在協(xié)議中并沒有為數(shù)據(jù)“包裹”的遞送約定一個可靠的時間機(jī)制，或者說對數(shù)據(jù)的傳輸與交互缺乏有效的時間管理，因此基于通用以太網(wǎng)的通訊，并不能確保數(shù)據(jù)包在比較準(zhǔn)確的時間范圍內(nèi)抵達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。盡管有時它的確可以很快，但我們卻不知道它什么時候會出現(xiàn)“晚點(diǎn)”的狀況，并且一旦晚起來，這個時間也是完全無法估計(jì)的。

 

PicSource：NI.com

 

為了能讓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸具備一定的時間確定性，需要在通訊協(xié)議中約定一套所有設(shè)備都必須遵守的時間管理機(jī)制，它的作用和軌交、公交、高鐵、航班...等交通運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)營時刻表是一樣的，就是從遞送與傳輸?shù)囊?guī)則上確保數(shù)據(jù)包裹能夠在規(guī)定的時間范圍內(nèi)抵達(dá)目標(biāo)設(shè)備。

 

PicSource：BELDEN

 

當(dāng)然，這個時間管理機(jī)制的最終落地實(shí)施，是可以通過對通訊數(shù)據(jù)在連接與傳輸方式上的選擇，或者交互策略與規(guī)則的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)的，這基本上也就決定了各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議之間的差異。

 

EtherCAT | EtherNet/IP

Powerlink | ProfiNet

 

例如：EtherCAT 技術(shù)采用了“數(shù)據(jù)列車”的通訊方式；ProfiNet IRT 在每個數(shù)據(jù)周期中，單獨(dú)劃出了一個同步通訊時段，專門用于實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸；POWERLINK 通過單一主站為每個從站分配了固定的時間槽，并采用輪詢機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時交換；而 EtherNet/IP 則是在通用以太網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上，增加了一套“消費(fèi)者 / 生產(chǎn)者” （ Producer / Consumer ）的數(shù)據(jù)交互機(jī)制。

 

PicSource：Wind River Blog

 

不過，無論這些不同類型的協(xié)議在各自的時間管理機(jī)制上采用了怎樣的方法和策略，要能夠在數(shù)據(jù)通訊過程中真正做到傳輸時間的確定性，還有一個非常重要的前提，就是接入系統(tǒng)的各臺設(shè)備都必須使用同一個參考時鐘。道理很簡單，就是為了讓它們的運(yùn)行交互基于一個統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)，避免因計(jì)時偏差而造成數(shù)據(jù)延遲，其作用和“北京時間”或者“格林威治時間”是一樣的。

 

PicSource：EtherCAT | XFC

 

這個統(tǒng)一時鐘的機(jī)制，通常也是要在通訊協(xié)議中事先定義好的。一般的做法就是以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一臺設(shè)備（通常是主站）的時鐘作為主時鐘，然后讓其他設(shè)備定期與主時鐘對時，從而實(shí)現(xiàn)它們與主站設(shè)備之間的時鐘同步。這個時鐘同步的精度，其實(shí)是評價網(wǎng)絡(luò)性能的一個非常重要的量化指標(biāo)。

 

PicSource：AVnu Alliance

 

不同類型的數(shù)據(jù)應(yīng)用，對于傳輸時間確定性的要求，是會有一定差異的。一般來說，信息管理和監(jiān)控層面的數(shù)據(jù)，例如：報警、圖表...等展示類信息，對時間確定性的敏感度相對較低，能達(dá)到秒一級的實(shí)時性基本上就足夠了。而如果將數(shù)字通信應(yīng)用于物理層面的設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集，那就非常取決于應(yīng)用對象的動態(tài)特性了。比如：溫度、壓力...等流程類控制應(yīng)用，這個要求就相對比較寬松，因?yàn)檫@些應(yīng)用的值本身變化速度并不快，充其量也就是毫秒級的響應(yīng)需求；但對于大部分傳動/運(yùn)動控制應(yīng)用來說，達(dá)到毫秒甚至是微秒級的動態(tài)響應(yīng)是最起碼的，在這種情況下，自然也就給數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時性和時間確定性提出了極高的要求。

 

PicSource：Kompasiana.com

 

需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)通訊的時間確定性與傳輸速率、數(shù)據(jù)帶寬其實(shí)說的是不同的概念。時間確定性強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)據(jù)的收發(fā)傳輸時間是可以得到保證的；通訊速率說的是其數(shù)據(jù)傳輸能夠達(dá)到的速度，類似于車輛的標(biāo)稱速度或者道路的限速；而帶寬則是指同一時段承載數(shù)據(jù)的總量，相當(dāng)于道路寬度或車道數(shù)量。速率和帶寬的確能夠通過提供更多的網(wǎng)絡(luò)資源而在一定程度上緩解由數(shù)據(jù)擁堵而帶來的通訊延遲，但卻并不能從根本上規(guī)避這種風(fēng)險的存在，就好比再寬的高速公路也有可能會堵車一樣。

 

PicSource：EtherCAT

 

上一代 SERCOS 總線只有 8~16M 的通訊速率，就已經(jīng)能夠?yàn)檫\(yùn)動控制系統(tǒng)提供極為可靠的通訊連接了，就是基于其協(xié)議中所約定的時鐘同步機(jī)制；同樣 EtherCAT 技術(shù)在運(yùn)控領(lǐng)域的普及，也不是說它有多么高的速率和帶寬，而是憑借其“數(shù)據(jù)列車”的通訊機(jī)制。

 

PicSource：Rockwell Automation

 

早年由于通用以太網(wǎng)技術(shù)無法滿足工業(yè)通訊對于時間確定性的迫切需求，使得業(yè)內(nèi)廠商們不得不基于自身的產(chǎn)品和技術(shù)體系，設(shè)計(jì)和規(guī)劃了各種不同類型的總線通訊協(xié)議，從而在各自的“生態(tài)圈”內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互的實(shí)時性和時間確定性。

 

PicSource：Festo

 

而如今，隨著各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷擴(kuò)張，它們已經(jīng)開始在相互之間的邊界處產(chǎn)生了各種接觸、交互，甚至跨越和融合，此時就需要有一種能夠?yàn)榭缦到y(tǒng)數(shù)據(jù)互操作提供時間確定性保障的兼容性網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。

 

這其實(shí)就是 TSN 了...