一种ethercat与tsn网络互通的实现方法

收稿日期：2019-06-27
稿件编号：201906155
作者简介：缪京霖（1995—），男，江苏无锡人，硕士研究生。

研究方向：通信技术。

目前全球范围内的新一轮科技革命和产业变革呈现蓬勃发展的态势。

工业互联网是新一代信息技术和制造业深度融合的产物，它作为互联网与智能制造结合的关键技术，对未来的工业革命发展起到了至关重要的作用[1-2]。

而为了向工业应用提供确定性的以太网，IEEE 工作组定义了时间敏感网络（Time-Sensitive Networking ，TSN ），用来提供实时且可靠的网络。

TSN 与以太网总线EtherCAT 相比，实现了IT 数据流量和过程数据的交换并满足其所需的性能要求。

制造业中复杂的各类机器可以由EtherCAT 来满足其运动控制的实时性和确定性。

但对于更高的带宽和更具规模的控制系统的需求则可
以经由TSN 网络实现，将TSN 网络作为主干技术，通过我们定义的网关可以与EtherCAT 的网络互通融合。

本文通过时钟同步和流量调度两个方面，定义了这种EtherCAT 与TSN 网络互通的实现方法[3-4]。

1TSN 介绍
TSN 网络技术无处不在，它代表了以太网的下
一步发展，支持TSN 的以太网对物联网和工业4.0的
发展具有重要作用。

在异构网络中的设备之间进行
一种EtherCAT 与TSN 网络互通的实现方法
缪京霖1，李念军2
（1.武汉邮电科学研究院湖北武汉430074；2.武汉烽火通信科技股份有限公司湖北武汉430205）摘要：目前工业互联网迅速发展，EtherCAT 是应用最为广泛的多种的实时工业以太网协议之一，其实时性和确定性都有很强的保证。

但在互操作性和带宽成本等方面略有不足。

本文基于Ether⁃CAT 现场总线网络和TSN 时间敏感网络之间的互联互通的目的，设计时间同步与流量调度实验，得到时间精度在50ns 浮动的数据并且流量调度实验结论也符合预期。

因此，文章提出的互通方法支持TSN 协议中的时间同步与流量调度特性，且实现了EtherCAT/TSN 网络的融合以简化了网络的
部署和管理。

关键词：工业互联网；时间敏感网络；时间同步；网络互通中图分类号：TN0
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2020）03-0084-05
DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2020.03.019
A new implementation method of interworking between EtherCAT and TSN network
MIAO Jing⁃lin 1，LI Nian⁃jun 2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications ，Wuhan 430074，China ；2.Wuhan
FiberHome Networks Co.，Ltd.，Wuhan 430205，China ）
Abstract:At present ，the industrial Internet is developing rapidly.EtherCAT is one of the most widely used real-time industrial Ethernet protocols ，and its real-time and certainty are guaranteed.However ，there are some shortcomings in terms of interoperability and bandwidth costs.Based on the purpose of interconnection between EtherCAT fieldbus network and TSN time-sensitive network ，this paper designs time synchronization and traffic scheduling experiments ，and obtains data with time precision of 50ns floating.The flow scheduling experiment conclusion is also in line with expectations.Therefore ，the interworking method proposed in this paper supports the time synchronization and traffic scheduling features in the TSN protocol ，and realizes the convergence of EtherCAT/TSN networks to simplify network deployment and management.
Key words:industrial internet ；time sensitive network ；time synchronization ；network interworking 电子设计工程
Electronic Design Engineering
第28卷Vol.28第3期No.32020年2月Feb.2020
实时性数据交互的需求正是时间敏感网络功能的体现之处。

如今TSN 的两个主要技术如下：
IEEE 802.1AS-REV （分布式时钟网络）：定义
TSN 端口和交换机如何将其时钟与其他网络时钟同步，以便发送方和接收方对时间有共同的理解。

标准化多个主时钟的使用，以及与这些主时钟进行多次连接以实现冗余/故障转移的可能性。

它与1588最大的区别在于PTP 是一个完全基于二层的网络，而非IP 路由的协议。

IEEE 802.1Qbv （时间感知整形）：时间从8个队列中的每个队列触发传输，基于VLAN 标记的优先
级字段的队列选择为整个网络中的确定性流量保留了带宽。

在时间敏感高速通道周期性地进行传输，这些周期内，不同的时间片可以被配置，可以分配给一个或多个八级以太网的优先级的。

通过这样做，就可以授予独占使用，即在有限的时间里为那些需要的传输进行保证
[5-6]。

2EtherCAT 介绍
EtherCAT 使用了以太网全双工通信技术，分为
主站与从站，主站写入一个报文后将其发送到所有从站的下游，当数据通过网络中的每个节点时，从设备中读取帧并向其添加数据，同时查询是否有另一个从设备位于流的下游。

若网段中的最后一个节点上检测到的是一个开放端口，那么说明没有更多的设备。

相反，从站将按照预定义的拓扑将该报文返回给EtherCAT 主站
[7-8]。

图1EtherCAT 运行原理
EtherCAT 的数据帧是标准的以太网数据帧，如
上所述，主站发送的下行数据帧在到达节点时，该节
点读取寻址到这个节点的数据帧，并将其反馈数据写入帧内。

EtherCAT 段内寻址分为设备寻址与逻辑寻址两类。

其中设备寻址分为自增量寻址与固定地址寻址两种，通常用于扫描硬件的配置信息。

逻辑寻址的操作空间较大，主要分为以下3个步骤：
1）从站在一个虚拟的4GByte 数据空间进行读
和写的操作；2）映射到从站中以减轻控制系统的负担；3）数据根据应用程序的需求被传输。

逻辑寻址通常用在过程数据的通信过程中，FMMU 将每个从站的物理地址映射到指定的逻辑地址。

这样操作的优点是如果主站想要操作某一个从站时可以只操作其固定的逻辑地址而不需要知道所操作的逻辑地址所对应的从站地址。

这样做无疑加快了系统的响应速度，同时也优化了系统结构。

通过不同的参数对FMMU 的影响，我们可以得出一张FMMU 的配置表，从而实现逻辑映射[9-10]。

3EtherCAT 与TSN 网络结合
EtherCAT 与TSN 网络的结合并不是简单的将两
个技术混合在一起，本文从时钟同步和报文调度两个方面来定义一个无缝的适配[11]，真正将两个技术的优势发挥了出来。

结合原理如图2
所示。

图2异构网络原理
3.1
时钟调度算法
TSN 网络域采用802.1AS 同步，该网关（TSN End⁃
Point ）同步于主时钟，同时同步单元获取TSN 域主时钟。

同步开始时EtherCAT 初始化EtherCAT 网络，同
步单元取TSN 域的主时钟作为EtherCAT 网络域系统时钟，TSN 端口作为主时钟端口，EtherCAT 网络端口作为从时钟端口。

主时钟端口向各从站交互SYN ，SYN_Followup 、Delay_Request 、Delay_Response ，获取T 1、T 2（n ）、T 3（n ）、T 4，计算出Delay （n ）、Offset （n ），写入从站对应寄存器；Delay （n ）存入网关存储单元中。

EtherCAT 网络域同步原理如下，我们在这里假
设时延是双向一致的，并且不同信息的报文时延也
相同。

EtherCAT 网络域同步开始时，EtherCAT 主站会首先广播一个写命令的数据帧。

设该数据帧从主站传输时主站与TSN 域同步得到的时钟t sys_master 为T 1时刻，主站时间即为参考时间。

设该数据帧到达第n 个从站时的本地时间t local (n )为T 2(n )时刻。

当数据帧经历了所有的从站后，返回从站n 时的本地时间t local
(n )为T 3(n )，当数据帧经历了所有的从站后，到达EtherCAT 网络端口时的主时钟t sys_master 为T 4时刻。

可以根据公式（1）：
缪京霖，等一种EtherCAT 与TSN 网络互通的实现方法
《电子设计工程》2020年第3期
T delay (n )=[(T 4-T 1)-(T 3(n )-T 2(n ))]/2
（1）
计算得出第n 个从站到参考时钟的时延。

从属时钟与主时钟之间的偏移Offset 可由公式
（2）计算得出：
T offset (n )=T 2(n )-T 1-T delay (n )（2）由公式（1）和公式（2）得出（3）:
T offset (n )=[(T 2(n )+T 3(n ))-(T 1+T 4)]/2
（3）
计算出时钟偏移量以及本地传输时延之后，我们可以根据公式（4）来得出本地时钟的漂移量[12]：
Δt =T local (n )-T offset (n )-T delay (n )-t sys _ref
（4）
从而可以依据漂移量来进行动态漂移补偿，以确保更精确的同步。

将计算所得的Delay （n ）、Offset （n ），写入从站对应寄存器；其中Delay （n ）还需存入网关存储单元中。

从站根据获取的Delay （n ）、Offset （n ），计算本地时钟偏移量，同步于TSN 主时钟。

同步单元周期性更新Delay （n ）、Offset （n ），从站更新本地时钟偏移量以实现时钟漂移补偿从而同步主时钟。

由于EtherCAT 网络拓扑基本上固定不变，因此保存的Delay （n ）可直接用于时钟同步过程，加快同步周期。

EtherCAT 网络的具体同步步骤如图3
所示。

图3
EtherCAT 端时钟同步原理
3.2业务流映射
为了将EtherCAT 域的报文映射为TSN 域的报
文，我们首先了解一下两个域的报文格式。

TSN 域的数据帧，在源MAC 地址后多了4个字
节，802.1QTag 包含4个字段。

因此EtherCAT 域的报文映射为TSN 域的报文的步骤如下：
1）在SA 后添加4Byte ，其中TPID （0x8100）2Bytes ，PRI 3bit ，CFI 1bit ，12bit 分为2个6bit ，EtherCAT 域表示Segment ID （6bit ）+sub_Segment ID
（6bit ），TSN 域表示VLAN_ID 。

2）映射单元根据用户对网络的配置，保存寻址地址/Segment/sub_Segment 和PRI 的对应关系表，通
过上述介绍的逻辑寻址方式，来查表对报文进行映
射，并选取最高的传输速率；
3）在TSN 域，根据进入报文格式（VLAN 、PRI ），利用TSN 域的802.1Qbv/802.1Qbu 等协议对EtherCAT 报文进行处理；
TPID:长度为2bytes ，表示帧类型。

在802.1Qtag 帧中type 字段的取值固定为0x8100。

PRI ：表示以太网帧的优先级，取值为0~7，其中7为最高优先级。

CFI ：长度为1bit ，在以太网帧中CFI 的固定取
值为0。

VLAN_ID 长度为12bit ，取值0~4095，其中0和4095为保留值无法使用。

不同用户可以通过配置映射表来对EtherCAT
域不同的总线进行VLAN 和优先级的划分，例如：自动化控制群为高优先级，温度或湿度采集群等设为低优先级，通过TSN 的协议进行传输控制以达到低时延高确定性的工业制造。

反之，由TSN 域的报文映射到EtherCAT 域只需要进行如下操作：
1）根据VLAN_ID ，解析出Segment/sub_Seg⁃
ment ，查表得到寻址地址，将Payload 构造为对应从站报文；
2）从站提取Payload 进行处理；
在整个过程中，用户只需要进行映射表的配置，EtherCAT 域不会因TSN 而发生变化，而TSN 域也不会进行EtherCAT 域的数据处理[16]。

4实验方案及结果
为了验证TSN 的同步效果，本文采用NXP 的评估板LS1028A 设计并进行了实验。

LS1028A 是基于双核64位Arm Cortex-A72的处理器，适用于工业物联网应用、人机接口解决方案和工业网络，支持多种TSN 协议，文中仅测试最主要的两个协议：802.1AS 以及802.1Qbv。

图4
EtherCAT 报文格式
图5LS1028A 结构
4.1测试背景
目前，工厂内的网络架构如图6所示，分为两层三
级结构。

两层为，“工业IT 网络”和“工业OT 网络”两种异构网络。

三级为，“现场级”，“车间级”和“工厂级”3种层次，
相互之间的网络配置和管理各自独立不受干扰。

图6
网络架构
文章中定义的网关处于现场级网络设备，仅实现EtherCAT 域与TSN 域的网络互相通信，可用于低复杂度的边缘TSN 以太网。

4.2时钟同步协议测试
由于仪表的限制，我们不能直接用测试仪表将
EtherCAT 域与TSN 域互连打时间戳进行时钟同步测试，所以我们分为两部分。

分别测试两个域内的时钟同步，TSN 域内，如图6将网关与TSN 交换机以及测试仪表对接。

当两个设备的同步接口对接并启动ptp 功能后，通过命令配置TSN 交换机为maste ，NXP 的LS1028A 作为slave 会同步master 上的时钟。

测试环境如下：
图7TSN 域测试环境
我们可以观察到结果如图8
所示。

图8
时钟同步测试图
Slave 的时间收敛，并且从图上可以看到，当前漂移量为28ns ，其精度在50ns 左右。

在EtherCAT 域内，根据3.1时钟调度算法，取
TSN 域的主时钟为系统时钟，因此我们只需要测试其时钟同步精度。

使用多同道示波器进行中断输出信号的测试，通过同步前后的时钟偏差对比来得出
EtherCAT 域的时钟同步精度。

由图9可知，同步前的时钟偏差为400ns ，在同
步之后，其偏差降为45ns 左右，与TSN 域的精度相差较小，满足802.1AS 的要求。

4.3流量调度测试
选用支持EtherCAT 流的仪表按照图10的方式
连接，打流并对流量进行配置以观察其流量调度特性是否满足标准。

测试时间敏感的关键数据按照分
配的时间槽发送数据，在规定的时间节点，网络中的所有节点都必须优先确保重要数据通过。

设置通过时间与帧的大小，使其按规定运行。

为两个不同优先级的流量映射不同的队列，并限定两个队列的调度时间比为2:1，从TestCenter 发送广播帧（帧速1G ）到TSN switch 接口，在TestCenter 与EtherCAT 从站接口相连的端口上抓包，可以发现结果和预期一致，从站接口收到的流量是switch 口的一半左右。

以上测试结果表明，该TSN 评估板可以支持802.1AS 下的时间精度与802.1Qbv 的流量调度特性，并且大致上能实现组网场景下的对接。

想要支持更多的TSN 功能还待后续的工作。

缪京霖，等一种EtherCAT 与TSN 网络互通的实现方法
《电子设计工程》2020年第3
期
图9
中断信号输出（上下图分别为同步前后
）
图10802.1Qbv
测试环境
图11流量调度抓包图
5结论
借助TSN 网络域802.1AS 时钟同步机制，将EtherCAT 总线网络域分布式时钟与TSN 网络域进行时钟同步，使整网时钟同步。

借助TSN 网络域的数据流调度机制（802.1Qbv/802.1Qbu ），将EtherCAT 域业务流进行报文头转换适配，实现EtherCAT 总线以
及多总线间的QOS 调度策略、隔离。

如今的自动化制造与应用种类越来越多，系统业越来越复杂，对平台的控制和管理应用提出了巨大的挑战，而通过整网时钟同步和业务流映射结合将现场总线EtherCAT 与TSN 网络有机地融合在了一起，实现OT/IT 网络互联地互通，对推动我国工业互联网的建设起到了实际的应用作用。

参考文献：
[1]Dietmar Bruckner.OPC UA TSN:新工业数据通讯解决方案之研究[J].智慧工厂，2018（5）:37-46.
[2]Thomas Brand ，王锡俊.OPC UA 和TSN-未来的公共语言[J].国内外机电一体化技术，2018，136
（4）:43-44，47.
[3]宋华振.OPC UA TSN —面向未来的工业通信[J].自动化博览，2018，296（7）:61-65.[4]林诗万.工业互联网[J].互联网天地，2017（3）:
20-22.
[5]IEEE 802.1Q-2014Standard for Local and
metropolitan area networks—Bridges and Bridged Networks[S].2014.
[6]Gutiérrez M ，Steiner W ，Dobrin R ，et al.
Synchronization quality of IEEE 802.1AS in large-scale industrial automation networks[C]//Real-time &Embedded Technology &Applications
Symposium ，2017.
[7]Park ，Sung-Mun ，Kim ，Hongju ，Kim ，Hyoung-Woo ，et al.Synchronization improvement of distributed clocks in EtherCAT Networks[J].IEEE Communications Letters ，2017（99）:1.[8]叶一枝.基于高速工业以太网的EtherCAT 应用研究[J].电子测试，2016（13）:19-20.
[9]张丽，韩宾.工业以太网EtherCAT 协议逻辑寻址方案研究[J].信息通信，2014（11）:38-40.
[10]刘才思，刘峰，郑飂默，等.基于EtherCAT 的工业以太网安全技术的研究[J].组合机床与自动化加
工技术，2015（12）:43-45.
[11]赵乾伟.一种基于EtherCAT 技术的耦合通信板的设计与实现[J].电子科学技术（北京），2016，3
（2）:143-150.
[12]Chen X ，Li ，Di ，Wan ，Jiafu ，et al.A clock
synchronization method for EtherCAT master[J].Microprocessors&Microsystems ，2016（46）:211-218.。