SETTEMBRE 2013
FIELDBUS & NETWORKS
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Fieldbus & Networks
Ieee 802 standardizza i nuovi meccanismi in
tempo reale
Rispetto al mercato complessivo di Ethernet, si è dedicata poca at-
tenzione a uno sviluppo migliorativo degli standard Ethernet ai fini del
piccolo segmento dell’automazione industriale. L’automazione sta ora
ricevendo un aiuto da un diverso e molto più ampio segmento appli-
cativo, che richiede meccanismi per la comunicazione in tempo reale,
nella forma della trasmissione attraverso la rete di audio e video in
streaming. Questo particolare utilizzo richiede anch’esso meccanismi
affidabili di sincronizzazione, come l’automazione. In relazione a que-
sta applicazione, lo Ieee 802.1 ha introdotto diversi standard sotto il
termine collettivo di AVB (Audio
Video Bridging), che introduce
in Ethernet migliori capacità di
tempo reale. Questi sono: Ieee
802.1AS - sincronizzazione tem-
porale; Ieee 802.1Q-2011 - traffic
shaping e stream reservation;
Ieee 802.1BA - sistemi AVB. La
capacità di tempo reale si ottiene
attraverso l’interazione di tutte le
tecnologie Ieee 802.1 AVB.
Ieee Std. 802.1BA
Ieee Std. 802.1BA descrive il si-
stema AVB nel suo complesso.
I requisiti relativi a dispositivi
conformi AVB sono definiti qui, e
viene dimostrata la coesistenza
tra AVB e lo standard Ethernet, oltre ad altre tecnologie di rete come
Ieee 802.11 wireless LAN.
Tutti i nodi richiedono una base temporale affidabile. Lo standard Ieee
1588-2008, ben affermato nell’area della tecnologia di automazione, è
già pronto, da questo punto di vista, per la sincronizzazione temporale,
insieme al meccanismo descritto nell’Ieee 802.1AS per AVB, anch’esso
basato sul 1588. Formalmente è un profilo Ieee 1588-2008, ma se ne
differenzia, per esempio, in relazione alle classi di dispositivi definite
(sono specificati esclusivamente i cosiddetti clock ordinari e di contorno
o i clock trasparenti con Bmca) e la tecnologia di trasporto supportata:
l‘Ieee 802.1AS esclude i meccanismi di trasporto del livello 3 specificati
nell‘Ieee 1588-2008 e utilizza soltanto il Livello 2. Occorre sottolineare
che l‘IEE 802.1AS specifica anche il supporto per reti wireless. I nodi
della rete determinano il runtime della rete e possono così sincroniz-
zarsi sulla base di un Grand Master Clock. Tutti i dispositivi, switch e
terminali abilitati AVB devono essere in grado di gestire la 802.1AS.
Questo permette a tutti i dispositivi AVB di operare con una base di
tempo comune.
Ieee Std. 802.1Qat
La AVB si basa essenzialmente su flussi che vanno da una sorgente
- ‘il parlatore’ - verso uno o più consumatori ‘gli ascoltatori’. Questi
flussi di AVB hanno priorità rispetto a tutti gli altri dati della rete. La
necessità di banda e il percorso nella rete sono pre-programmati dallo
Stream Reservation Protocol (SRP). Ciascuno switch AVB è in questo
caso responsabile del controllo della banda disponibile sulle sue porte.
Il Parlatore invia un pacchetto, che utilizza per comunicare il suo flusso
alla rete. Gli ‘ascoltatori’ possono registrarsi per ricevere anch’essi il
flusso. Il percorso che i pacchetti dati compiono nella rete è definito nel
processo e la larghezza di banda viene riservata. Se la richiesta di un
flusso eccede la larghezza di banda disponibile alla porta di uno switch,
il flusso non può essere trasmesso. Questo garantisce che vengano cre-
ate delle relazioni di comunicazione soltanto laddove sia disponibile una
costante e garantita qualità del servizio. Allo stesso tempo, l’SRP degli
switch determina la latenza massima di un flusso. La AVB specifica due
classi di flusso nella generazione 1, che soddisfano diversi requisiti, in
relazione al massimo ritardo dal ‘parlatore’ all’’ascoltatore’. La Classe
A specifica un ritardo massimo di 2 millisecondi in condizioni normali,
mentre la Classe B garantisce una latenza di 50 millisecondi.
Ieee Std. 802.1Qat
La massima priorità deve essere garantita al traffico di dati AVB per
la trasmissione vera e propria dei dati. Allo stesso tempo, tuttavia, il
traffico ordinario non deve arrivare a fermarsi in attesa di flussi con
priorità più alta. I miglioramenti dell’inoltro e la pianificazione dello
standard Ieee 802.1Qav descrivono i Credit-Based Shapers, che utiliz-
zano switch abilitati AVB, in luogo del controllo dello switching pre-
cedentemente utilizzato con priorità fisse. Questo metodo permette ai
frame provenienti da flussi con priorità più alta di avere la precedenza
durante la comunicazione, rispetto a frame standard Ethernet con prio-
rità inferiore. Esso alimenta il traffico di dati nella rete in modo tale da
lasciare spazi sufficienti tra i pacchetti AVB ad alta priorità per trasfe-
rire il restante traffico di dati. I frame AVB ad alta priorità possono così
occupare al massimo il 75% della banda della porta di uno switch, in
un determinato intervallo di tempo. Il credit value viene ridotto quando
i frame AVB vengono spediti e riportato al valore originario se, nel
frattempo, è stato trasmesso un pacchetto dati a priorità inferiore.
Ogni nodo AVB deve implementare questo meccanismo, oltre, natu-
ralmente, a tutti gli altri standard AVB. Con questo metodo, vengono
alimentati alla sorgente soltanto quei quantitativi di dati che possono
essere trasferiti in rete in modo compatibile. La pre-pianificazione,
attraverso lo Stream Reservation Protocol garantisce la disponibilità
della capacità necessaria. Gli standard Ieee Std. 802.1Qat e 802.1Qav
sono stati nel frattempo incorporati nel documento 802.1Q-2011. I
principali produttori di chipset Ethernet per terminali e componenti
di infrastrutture stanno anche collaborando nello sviluppo di questi
standard. Proprio per questo vi è una importante opportunità: per la
prima volta, Ethernet standard supporta meccanismi più raffinati per
Gli standard per la trasmissione audio video sono disponibili per applicazioni industriali con proprietà di
tempo reale: la sincronizzazione temporale nello standard Ieee 802.1AS permette la sincronizzazione
temporale di tutti i nodi di rete analogamente allo standard Ieee 1588v2. Le differenze sono le
seguenti:
