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Relyum的誕生是為關鍵系統中的網絡化、同步和網絡安全提供創新的解決方案。在智能工廠場景中可以提供傳感器融合、邊緣計算功能和OT/IT的無縫集成。

如今，Relyum平臺已出現在智能工廠中，并且還可以直接集成到智能機器中。工業客戶已經將Relyum平臺視為從他們的流程和機器中解鎖數據的寶貴鑰匙，以實現更高的生產率并提高最終產品的質量。

為了向客戶提供最完整的時間敏感網絡（TSN）解決方案，Relyum發布了一系列產品，以滿足TSN的所有需求。同時，為了響應中國市場對TSN和其他技術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 應用

TSN在各個行業中的使用幾率都日益增加，航空航天、鐵路或工業自動化等市場將TSN視為向具有確定性特征的可互操作的高帶寬網絡轉移的機會，這將為這些領域節省大量的設備和電纜成本。

1.1 汽車領域

在未來的幾年中，汽車線束將從不同協議的異構網絡過渡到分層的均勻以太網網絡。在這種新情況下，反映真實車輛網絡的實驗室測試臺將需要分析工具，這些工具能夠在汽車內部通信的驗證過程中提供支持。

汽車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。目前傳統的汽車最常用的協議（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，以太網顯然是IVN（In VehicleNetwork）領域的領頭羊。

在傳統的方法中，每個域都有一個獨立的控件，基于一個專用的ECU（電子控制單元），用于域內的每個特定的mayor函數。今天，域之間有更多的交互和依賴，但它們通常仍然有獨立的控制系統。此外，由于遺留問題，大多數傳統域內的通信仍然基于非以太網協議。因此，“中央網關+域控制器”是未來車輛最常用的體系結構之一。

1.2 在音頻廣播系統中通過IP互連PTP同步系統的高可用性

在過去的幾年中，音頻和視頻廣播的技術已經從專用設備和它們之間的物理電纜轉變為高度基于軟件和IP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提供了機會，可以從市場上可用的各種以太網解決方案中進行選擇，并支持音頻視頻系統所需的PTP同步。基于電力部門的經驗，HSR和PRP“零丟包”協議以及對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 技術優勢

2.1 時間敏感型網絡合并了工廠和企業網絡

工業物聯網（IIoT）提供具有感應、處理和聯網功能的智能基礎架構和超連接設備。這些系統將產生驚人的數據量，共享同一網絡。因此，有必要確保實時和關鍵任務消息在延遲和可靠性的嚴格限制內傳輸，而與其他網絡流量無關。

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

圖1 TSN網絡架構

2.2 高可用性網絡

使用最先進的解決方案，可確保在單個網絡故障和“即插即用”操作情況下不會丟失數據包。此外，客戶需要可互操作和標準化的解決方案，以避免專有的供應商方法。從這個意義上講，國際電工委員會（IEC）進行了大量工作來定義基于高可用性以太網的解決方案。確保出現網絡故障時零延遲恢復時間的兩個協議是：高可用性無縫冗余（HSR，IEC62439-3-第5條款）和并行冗余協議（PRP，IEC62439-3-第4條款）。

HSR通過在環形網絡上雙向發送數據包來提供冗余。一個簡單的HSR網絡由雙重連接的橋接節點組成，每個節點都有兩個以太網端口。HSR節點在兩個端口上發送相同的幀。

具有HSR功能的目標節點在無故障狀態下在一定間隔內分別在兩個端口上接收兩個相同的幀。接收到的第一個被接收，而重復的被丟棄。如果環網中斷，則將始終通過另一個端口接收幀。

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

圖2 HSR網絡

圖3 PRP網絡

PRP冗余是在節點而不是網絡中實現的。經過特殊調整的節點（雙連接節點——DAN）連接到兩個獨立的以太網（LANA和LAN B），并在兩個網絡上發送相同的幀。

在無故障狀態下，目標節點將消耗第一個接收到的幀，并丟棄重復的幀。在其中一個網絡出現故障的情況下，仍將通過另一個網絡發送和接收幀。

非PRP節點可以連接到單個網絡，因此它們只能與連接到該網絡或通過Redbox連接到兩個網絡的節點通信。

2.3 關鍵系統的網絡安全

網絡安全對于工業和整個關鍵系統而言都是巨大的挑戰。必須采用多層方法來涵蓋在傳感器、集成電路、嵌入式設備、網絡、應用程序、企業和云級別可能出現的安全威脅。因此，涉及的代理和技術數量龐大且種類繁多。

任何關鍵系統都需要進行威脅分析，將需要應用安全解決方案的組合來保護所涉及的不同層。專注于關鍵系統的嵌入式平臺應遵循“網絡安全設計”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包括先進的網絡安全機制，并且能夠支持高可用性網絡來連接工廠中的所有設備。這些是需要更高利益的行業的主要需求。

在網絡安全領域，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問，并且其中一款產品可以在“硬件”級別上實現實時加密，使數據不會遭受任何延遲傳輸。

圖4 網絡安全

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

2.4 使用以太網網絡的亞微秒同步

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

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

2.5 智能工廠的邊緣計算

工業4.0和IIoT為公司提供了鎖定和了解數據真正價值的機會。這種演變涉及將不同的技術和計算方法進行合并。考慮到行業的特定需求（例如高可用性、實時操作能力和安全性），新興的場景需要將邊緣、企業和云計算結合在一起。從計算的角度來看，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現OT/IT世界的無縫集成，例如，允許軟件和液態硬件微服務。

圖5 智能工廠的邊緣計算

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同步的共同時間感知的重要性。

.借助時間感知整形器，可以確定性地交付實時流量。

.通過基于信用的整形器在流量類別之間進行帶寬分配和預留的好處。

TSN（時間敏感網絡）和DDS.（數據分發服務）是在關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滿足了數據總線級別上這些系統的需求，而TSN負責保證網絡級別上的確定性。

圖6 TSN與DDS結合使用

在對時間敏感的應用程序中，將兩個標準合并后，將在設備、維護、分析服務的無縫集成和供應商依賴性方面節省大量資金。

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

3 總結

Relyum專注于連接性，將傳感器和工廠系統與云系統或公司服務器連接。在這一領域，有一種注定要成為工業工廠未來通信技術的技術，稱為TSN（時間敏感網絡），其目的是取代連接工廠中機器和PLC的當前現場總線，通過以太網絡，允許機器的控制信息與其他信息共存，而不會影響前者。Relyum的產品使得更多企業可以在此架構上實現OT和IT的融合。這種融合提高了工業設備的連接性和通用性，并且面向未來，為大數據分析、邊緣智能、新型業務提供了更快更好的發展路徑。

摘自《自動化博覽》2020年6月刊