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Redes sensibles al tiempo: ancho de banda, determinismo y aclaraciones de gestión

A medida que más proveedores y organizaciones de tecnología de redes industriales se incorporan a las redes sensibles al tiempo, surgen algunas preguntas importantes sobre la tecnología y los productos relacionados.

Surgen nuevas preguntas sobre las redes sensibles al tiempo
A medida que los proveedores de tecnologías de redes más industriales y las organizaciones acogen las redes sensibles al tiempo, algunas preguntas muy serias surgen sobre la tecnología y los productos relacionados.

Como editor que ha cubierto el auge de las redes sensibles al tiempo (TSN, por sus siglas en ingl√©s) en los √ļltimos a√Īos, a menudo recibo preguntas sobre el est√°ndar en desarrollo y hago todo lo posible por conectar a quienes preguntan con expertos que est√©n bien capacitados para proporcionar respuestas. Recientemente, me enviaron una copia de un bolet√≠n del integrador de sistemas Real Time Automation. En la edici√≥n de noviembre de 2018 del bolet√≠n se plante√≥ una serie de preguntas v√°lidas sobre TSN.

Entre las preguntas estaban las siguientes:

  • ¬ŅQu√© porcentaje de dispositivos realmente necesita el nivel de determinismo proporcionado por TSN?
  • ¬ŅNo podr√≠a un ancho de banda m√°s r√°pido resolver los requisitos de determinismo en lugar de desarrollar un nuevo est√°ndar?
  • Lo que significa el t√©rmino "gestionado centralmente" en lo que se refiere a TSN.

Hace un par de a√Īos, conoc√≠ a Oliver Kleineberg de Belden en el Congreso Mundial de Soluciones de IoT y desde entonces ha demostrado ser una fuente confiable de informaci√≥n sobre TSN y el desarrollo en torno al est√°ndar. Me acerqu√© a √©l en busca de respuestas.

Oliver Kleineberg de BeldenOliver Kleineberg

Determinismo

El bolet√≠n indica: ‚Äú‚Ķ necesitamos determinismo en aplicaciones de movimiento. Me parece claro que, con los sistemas mec√°nicos, existe un l√≠mite f√≠sico en la rapidez con que las cosas pueden moverse y es mucho m√°s lento que un grupo de electrones. Nunca vamos a tener aplicaciones que requieran nanosegundos de fluctuaci√≥n ". Entonces, ¬Ņcu√°ntos dispositivos realmente necesitan niveles de determinismo de TSN?

Kleineberg respondi√≥ a esta pregunta se√Īalando primero que TSN es ‚Äúun conjunto de est√°ndares, no un solo est√°ndar. Los diferentes componentes de TSN se pueden combinar para aumentar o disminuir el rendimiento (y tambi√©n los costos) de los dispositivos, seg√ļn los requisitos de la aplicaci√≥n. El nivel completo de rendimiento solo ser√° necesario en el √°rea de unidades sincronizadas y control de movimiento. En este caso, donde estamos en el l√≠mite de lo que permite la f√≠sica, estamos hablando de tiempos de ciclo en los bajos 10s de microsegundos y fluctuaci√≥n ‚Äďaproximadamente un orden de magnitud m√°s bajo. Cualquier cosa menor que eso actualmente no puede considerarse un caso de uso / uso "normal". Encontrar√° esos raros requisitos en aplicaciones como la red de control para el gran acelerador de part√≠culas colisionador de hadrones ".

Dicho esto, Kleineberg agregó que no cree que sea "inconcebible que un día, los requisitos más difíciles sean más comunes". Para garantizar que TSN pueda cubrir todos los diferentes requisitos en costos y rendimiento del dispositivo, TSN puede escalar: los proveedores de dispositivos pueden optar por implementar solo algunos de los estándares de TSN, es decir, aquellos que son necesarios [ahora] para apoyar la aplicación ".

Ancho de banda

En el bolet√≠n de Real Time Automation, se se√Īala que ‚Äú1Ghz Ethernet ahora es com√ļn. ¬ŅAlguien cree que se detendr√° all√≠? ¬ŅAlguien cree que en tres a√Īos no tendremos 10Ghz y dentro de cinco a√Īos, 100Ghz o incluso 200Ghz? Es posible que necesitemos fibra o alg√ļn otro tipo de medio, pero est√° claro que nuestras redes se acelerar√°n. Y cuando lo hacen, podemos usar algo llamado determinismo probabil√≠stico: palabras grandes que significan, a altas velocidades, hay tanto ancho de banda disponible que los paquetes llegar√°n de manera consistente con una fluctuaci√≥n casi inexistente. Combine eso con un protocolo de sincronizaci√≥n de reloj como IEEE 1588 y el problema se resuelve para la gran mayor√≠a, si no todas, de nuestras aplicaciones que requieren cierto nivel de determinismo. Y sin tener que comprar y mantener una infraestructura de software muy compleja y cr√≠tica‚ÄĚ.

Seg√ļn Kleineberg, una advertencia importante a este enfoque es la seguridad. "Siempre que se discuten las aplicaciones de seguridad o cr√≠ticas, el determinismo probabil√≠stico no es lo suficientemente bueno, incluso si la probabilidad estad√≠stica es min√ļscula".

Si el tama√Īo m√°ximo de una trama de Ethernet no se cambia en un futuro pr√≥ximo, dijo Kleineberg, el tiempo de transmisi√≥n de una trama y el tiempo de puesta en fila en los conmutadores (por ejemplo, una trama de 1522 octetos) puede ser tan bajo que se puedan tolerar incluso por las aplicaciones m√°s exigentes. ‚ÄúPero esto requiere que su control de tr√°fico ocupe exclusivamente la prioridad / fila m√°s alta, y esas garant√≠as solo se pueden otorgar para una prioridad √ļnica y m√°xima. Una propuesta de valor muy importante de TSN es que permite el uso de diferentes niveles de determinismo en una red, cada uno con sus requisitos de fluctuaci√≥n de latencia individuales garantizados. Esto se vuelve cada vez m√°s importante a medida que aumenta el ancho de banda en la red de automatizaci√≥n ".

Kleineberg agregó que también hay que considerar los aspectos de costos y consumo de energía en los dispositivos en la capa de campo. "En el futuro previsible, estos dispositivos no escalarán hasta 100 Gbit/s o más", dijo.

Gestión central

Otra pregunta giró en torno a la definición de TSN de Cisco, que dice lo siguiente: “TSN es la tecnología estándar definida por IEEE 802.1Q para proporcionar mensajes deterministas en Ethernet estándar. "La tecnología de TSN se administra de forma centralizada y ofrece garantías de entrega y minimiza la fluctuación utilizando la programación de tiempo para aquellas aplicaciones en tiempo real que requieren determinismo".

En el bolet√≠n informativo mencionado, la inquietud sobre esta definici√≥n se centr√≥ en las palabras "administrado de manera centralizada". El art√≠culo del bolet√≠n se√Īala que esta referencia indica que "hay una pieza central de software que va a recibir y procesar solicitudes de todos los dispositivos que necesitan entrega determinista. Una vez que tenga esa lista, debe determinar el tiempo y la ruta a trav√©s de la red para esos mensajes. Luego, debe asegurarse de que cada enrutador y conmutador en la red reserve el ancho de banda para esos mensajes. Y va a hacer eso para algunas de estas redes considerables que encontramos en grandes instalaciones de fabricaci√≥n. Ese es un problema de software muy dif√≠cil, mucho m√°s all√° de los recursos de c√≥mputo que normalmente est√°n disponibles en la f√°brica‚ÄĚ.

El bolet√≠n tambi√©n se√Īal√≥ que a las empresas que est√°n invirtiendo mucho en TSN se les ha pedido que identifiquen qui√©n va a proporcionar el software "administrado centralmente", y la respuesta que siempre recibimos es "no nosotros".

Kleineberg respondió diciendo: "anticipamos que el software CNC (Configuración de red centralizada) tendrá que venir de los proveedores de la red, como Hirschmann, Cisco u otros. "Actualmente estamos desarrollando nuestro CNC y estamos trabajando en la estandarización para garantizar que tengamos todas las interfaces implementadas para los proveedores de dispositivos finales".

Agreg√≥ que se espera que el proveedor del dispositivo entregue la CUC (Configuraci√≥n de usuario centralizada), "ya que este software es la interfaz de administraci√≥n de su dispositivo a la red. El CUC del proveedor interact√ļa con el CNC. La relaci√≥n es una N:1 l√≥gica: un CNC (configuraci√≥n redundante, por supuesto) y varios CUC de diferentes proveedores, que se comunican con el CNC (requisitos, reservas de flujo, etc.). El CNC, a su vez, gestiona la red.