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.

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.
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 inglés) en los últimos años, a menudo recibo preguntas sobre el estándar en desarrollo y hago todo lo posible por conectar a quienes preguntan con expertos que estén bien capacitados para proporcionar respuestas. Recientemente, me enviaron una copia de un boletín del integrador de sistemas Real Time Automation. En la edición de noviembre de 2018 del boletín se planteó una serie de preguntas válidas sobre TSN.

Entre las preguntas estaban las siguientes:

  • ¿Qué porcentaje de dispositivos realmente necesita el nivel de determinismo proporcionado por TSN?
  • ¿No podría un ancho de banda más rápido resolver los requisitos de determinismo en lugar de desarrollar un nuevo estándar?
  • Lo que significa el término "gestionado centralmente" en lo que se refiere a TSN.

Hace un par de años, conocí a Oliver Kleineberg de Belden en el Congreso Mundial de Soluciones de IoT y desde entonces ha demostrado ser una fuente confiable de información sobre TSN y el desarrollo en torno al estándar. Me acerqué a él en busca de respuestas.

Oliver KleinebergOliver Kleineberg

Determinismo

El boletín indica: “… necesitamos determinismo en aplicaciones de movimiento. Me parece claro que, con los sistemas mecánicos, existe un límite físico en la rapidez con que las cosas pueden moverse y es mucho más lento que un grupo de electrones. Nunca vamos a tener aplicaciones que requieran nanosegundos de fluctuación ". Entonces, ¿cuántos dispositivos realmente necesitan niveles de determinismo de TSN?

Kleineberg respondió a esta pregunta señalando primero que TSN es “un conjunto de estándares, no un solo estándar. Los diferentes componentes de TSN se pueden combinar para aumentar o disminuir el rendimiento (y también los costos) de los dispositivos, según los requisitos de la aplicación. El nivel completo de rendimiento solo será necesario en el área de unidades sincronizadas y control de movimiento. En este caso, donde estamos en el límite de lo que permite la física, estamos hablando de tiempos de ciclo en los bajos 10s de microsegundos y fluctuación –aproximadamente un orden de magnitud más bajo. Cualquier cosa menor que eso actualmente no puede considerarse un caso de uso / uso "normal". Encontrará esos raros requisitos en aplicaciones como la red de control para el gran acelerador de partículas 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 boletín de Real Time Automation, se señala que “1Ghz Ethernet ahora es común. ¿Alguien cree que se detendrá allí? ¿Alguien cree que en tres años no tendremos 10Ghz y dentro de cinco años, 100Ghz o incluso 200Ghz? Es posible que necesitemos fibra o algún otro tipo de medio, pero está claro que nuestras redes se acelerarán. Y cuando lo hacen, podemos usar algo llamado determinismo probabilístico: palabras grandes que significan, a altas velocidades, hay tanto ancho de banda disponible que los paquetes llegarán de manera consistente con una fluctuación casi inexistente. Combine eso con un protocolo de sincronización de reloj como IEEE 1588 y el problema se resuelve para la gran mayoría, 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 crítica”.

Según Kleineberg, una advertencia importante a este enfoque es la seguridad. "Siempre que se discuten las aplicaciones de seguridad o críticas, el determinismo probabilístico no es lo suficientemente bueno, incluso si la probabilidad estadística es minúscula".

Si el tamaño máximo de una trama de Ethernet no se cambia en un futuro próximo, dijo Kleineberg, el tiempo de transmisión 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 más exigentes. “Pero esto requiere que su control de tráfico ocupe exclusivamente la prioridad / fila más alta, y esas garantías solo se pueden otorgar para una prioridad única y máxima. 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 fluctuación de latencia individuales garantizados. Esto se vuelve cada vez más importante a medida que aumenta el ancho de banda en la red de automatización ".

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 boletín informativo mencionado, la inquietud sobre esta definición se centró en las palabras "administrado de manera centralizada". El artículo del boletín señala 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 través 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 fabricación. Ese es un problema de software muy difícil, mucho más allá de los recursos de cómputo que normalmente están disponibles en la fábrica”.

El boletín también señaló que a las empresas que están invirtiendo mucho en TSN se les ha pedido que identifiquen quién 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".

Agregó que se espera que el proveedor del dispositivo entregue la CUC (Configuración de usuario centralizada), "ya que este software es la interfaz de administración de su dispositivo a la red. El CUC del proveedor interactúa con el CNC. La relación es una N:1 lógica: un CNC (configuración 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.

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