RÉSEAUX : TSN, LE STANDARD ESTAMPILLÉ IEEE POUR LES RÉSEAUX TEMPS RÉEL

A LA DIFFÉRENCE DE CE QUI SE PASSE DANS L’INFORMATIQUE DE GESTION, LA TRANSMISSION DES INFORMATIONS DE PILOTAGE ET DE CONTRÔLE DE LA PRODUCTION SE DÉROULE SOUS LA CONTRAINTE DU TEMPS RÉEL. AVEC TSN, L’IEEE VEUT UNIVERSALISER L’ÉVOLUTION D’ETHERNET DANS CETTE DIRECTION.
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En termes de réseaux informatiques industriels, quatre solutions plus ou moins propriétaires se partagent le marché en essayant d’imposer leurs protocoles, leurs principes de signalisation et de synchronisation des trames, leurs dispositifs d’encapsulation des données, de routage… Ces standards – tous autoproclamés – promus par un ou plusieurs constructeurs, sont en concurrence frontale. Pour ne parler que des plus significatifs en parts de marché, on distingue Profinet qui évolue sous la houlette de Siemens, EtherCAT dont le promoteur est Beckhoff Automation, Powerlink lancé à l’origine par B&R et Ethernet/IP qui dépend de l’Open DeviceNet Vendors Association (ODVA).

Les vendeurs et les intégrateurs d’équipements automatisés doivent, rivaliser d’ingéniosité pour faire cohabiter ces solutions chez leurs clients quitte parfois, à accepter de voir coexister des îlots incompatibles entre eux sur une même ligne de production.

QUAND L’INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS S’EN MÊLE

Depuis 2012, l’IEEE a créé une équipe opérationnelle, issue du groupe 802.1 qui réfléchit à tout ce qui concerne l’évolution des capacités du standard Ethernet pour prendre en compte les exigences des applications nécessitant une communication déterministe, d’où l’appellation de time-sensitive networking, abrégée en TSN.

Les normes résultant des travaux réalisés par cette équipe, définissent des mécanismes pour la transmission de données sensibles au temps sur les réseaux Ethernet. La plupart des projets portent sur des extensions des réseaux virtuels relevant de la norme IEEE 802.1Q afin de garantir des transmissions présentant une faible latence et une haute disponibilité. Les différents documents qui entrent dans la recommandation IEEE 802.1 proposée pour rendre les réseaux déterministes, peuvent être regroupés en trois catégories.

A la racine de la solution, on trouve la synchronisation de l’heure puisque tous les équipements qui participent à une communication en temps réel, doivent avoir une compréhension commune du temps. Viennent ensuite la planification et les règles de mise en forme et de transmission des paquets, devant être partagées par tous les périphériques participant à la communication en temps réel. Et enfin, tous les équipements doivent aussi respecter les mêmes règles de routage, de réservation de bande passante et de sélections des tranches horaires, en gardant la possibilité d’utiliser simultanément plusieurs routes pour garantir une certaine tolérance aux pannes.

L’expression time-sensitive networking est en elle-même parlante puisque à la différence de ce qui se passe sur les réseaux Ethernet (IEEE 802.3) et au sein des réseaux virtuels (IEEE 802.1Q), le temps y joue un rôle central. Pour que les échanges s’effectuent dans des limites strictes et non négociables qui garantissent la latence d’un bout à l’autre de la liaison, tous les dispositifs du réseau doivent avoir une référence temporelle commune et, par voie de conséquence, doivent synchroniser leurs horloges. Ça ne concerne pas seulement les terminaisons d’un flux numérique, comme un automate ou un robot industriel mais également, tous les équipements du réseau au premier rang desquels figurent les commutateurs Ethernet. Donc, seules des horloges synchronisées permettent à tous les éléments du réseau de fonctionner à l’unisson pour exécuter les opérations requises exactement au moment voulu. La synchronisation des horloges est généralement distribuée directement à travers le réseau à partir d’une référence de temps officielle (horloge temps réel, serveur NTP, récepteur GPS d’Intranet, etc.). La distribution de la référence temporelle sur le réseau Ethernet, est assurée au moyen du protocole IEEE 1588 (ou PTP pour Precision Time Protocol) qui s’appuie sur des trames Ethernet pour transporter les données de synchronisation horodatées.

UN TRAFIC NÉCESSAIREMENT FLUIDE

La planification et la mise en forme du trafic permettent sur un seul réseau, la coexistence de différentes catégories de contenus ayant des priorités différentes et même des exigences variables en termes de bande passante disponible et de latence. L’encapsulation respectant le standard IEEE 802.1Q utilise huit niveaux de priorité. Le protocole prévoit que ces niveaux apparaissent dans le marqueur VLAN 802.1Qd’une trame Ethernet classique.

Ce mécanisme permet bien d’opérer des distinctions de priorité entre les contenus mais en revanche, il ne permet pas à lui seul de garantir un délai de livraison maximum d’une extrémité à l’autre du réseau… la faute incombant aux mémoires-tampons (buffers) intégrées dans les commutateurs Ethernet. En effet, lorsqu’un commutateur commence la transmission d’une trame Ethernet sur l’un de ses ports, même une trame de priorité élevée doit attendre dans un buffer la fin de l’opération entamée. C’est principalement ce mécanisme qui entraîne l’absence de déterminisme des réseaux Ethernet sur lesquels transitent les contenus informatiques comme les fichiers bureautiques, les données de gestion, les courriels, etc. TSN accroît les possibilités d’Ethernet en ajoutant des mécanismes garantissant la délivrance des contenus avec des exigences de temps réel plus ou moins strictes. Le principe des huit priorités VLAN du référentiel 802.1Q est maintenu, afin d’assurer une rétrocompatibilité complète avec la norme Ethernet.

Un cas d’utilisation typique d’utilisation consiste à faire communiquer un automate programmable (PLC) avec un robot industriel. Pour atteindre des temps de transmission avec une latence conforme aux exigences d’un contrôle en boucle fermée entre les deux équipements, une ou plusieurs des huit priorités Ethernet peuvent se voir affecter une assignation spécifique par le planificateur temporel. Ce dernier ordonne la communication en cycles répétitifs, transmettant des contenus de longueur fixe. Au cours de ces cycles, différentes séquences de temps peuvent être configurées et affectées à une ou plusieurs des huit priorités Ethernet. De cette façon, il est possible de réserver pour une durée limitée, l’accès au réseau Ethernet aux classes de trafic dont le délai d’acheminement doit être garanti et dont la transmission ne doit pas être interrompues.

En réservant des canaux de communication virtuels pour des durées déterminées, les contenus devant être délivrés en temps réel, peuvent être séparés du reste du trafic. Cet accès exclusif aux ports commutés et au réseau lui-même, permet de s’affranchir du problème posé par les mémoires tampons et donc, d’échapper aux interruptions non déterministes. Le planificateur temporel impose des cycles de durées égales aux équipements reliés par le réseau TSN. Ces cycles sont suffisamment longs pour permettre l’acheminement des contenus sensibles au temps ou non, et aussi suffisamment courts, pour que les obligations d’un temps réel strict puissent être respectées.