TSN : réseau convergent pour l'IoT industriel

L'un des défis majeurs à la mise en œuvre de l'Internet des objets industriel (IIoT) réside dans la convergence des réseaux des technologies de l'information (IT) et des technologies opérationnelles (OT). Pour le moment, ces réseaux opèrent dans des domaines séparés. Une communication limitée dans chaque direction est possible par le biais de passerelles dédiées. La convergence de ces réseaux est un outil clé pour les systèmes cybernétiques dont les nœuds interagissent les uns avec les autres à l'aide de l'IoT industriel.

Le contrôle de l'automatisme industriel repose actuellement sur une architecture hiérarchique. Les applications PGI (progiciel de gestion intégré) au plus haut niveau fournissent un cadre pour la gestion et l'automatisation intégrées des processus de base, progressant jusqu'aux systèmes d'exécution de la fabrication (MES) qui contrôlent le processus de fabrication. Les systèmes dotés d'un contrôleur logique programmable (PLC) exécutent les tâches d'automatisation à l'aide de dispositifs industriels connectés, tels que les propulsions électriques, les capteurs ou les E/S qui se trouvent au plus bas niveau de la hiérarchie. Ce phénomène est souvent appelé « Pyramide de l'automatisation » (Figure 1), par référence au grand nombre de dispositifs en bas et aux ordinateurs hautes performances en haut. Les couches de la pyramide traduisent les hiérarchies.

Figure 1 : Pyramide de l'automatisation avec assignation typique de réseaux aux hiérarchies. - Image fournie par Xilinx

Chaque couche de la pyramide a des exigences spécifiques en matière de réseau. Si les couches supérieures nécessitent une bande passante élevée et des topologies de réseau flexibles, les couches inférieures requièrent un comportement déterministe et la capacité de transporter des échantillons à intervalles constants avec une faible variation du retard de paquet. Cela conduit à plusieurs réseaux travaillant côte à côte.

Un réseau convergent relève plusieurs défis actuellement présents dans l'architecture réseau disparate d'aujourd'hui :

• Plus de transparence : toutes les données de toutes les hiérarchies peuvent être accessibles à tous les éléments de l'usine sans traduction intermédiaire.
• Moins de planification réseau : les topologies plus flexibles facilitent les changements.
• Moins de dépenses en capital : réduction du câblage, réduction des passerelles entre les réseaux avec différents protocoles.
• Moins de dépenses de fonctionnement : réduction de l'effort d'administration réseau.
• Plus de bande passante : évitez toute limitation à une seule vitesse de réseau.
• Optimisé pour M2M : prêt pour l'interfonctionnement entre les machines avec un modèle de données courant comme OPC UA à l'échelle de l'usine.

Cette convergence est assurée par la technologie Time Sensitive Networking (TSN). Le TSN est un ensemble de sous-normes IEEE 802 qui, une fois mis en œuvre, permet la communication déterministe sur les réseaux Ethernet tout en conservant les avantages de la communication « au mieux », sur ce même réseau.

Le TSN présente différentes classes de trafic qui partagent le même lien. La configuration réseau TSN réserve des ressources pour les flux présentant des caractéristiques de temps déterministes. Le TSN permet ainsi de mettre en œuvre un réseau commun prenant en charge plusieurs normes de communication.

Cette technologie offre donc plusieurs améliorations par rapport à un réseau Ethernet standard. La communication Ethernet standard est insensible au temps ; elle répartit les données sur l'ensemble de la bande passante du lien, en plaçant en file d'attente les paquets dans l'ordre approprié pour la transmission. Le TSN met en œuvre la sensibilisation au temps via le trafic prévu à intervalles cycliques selon les décalages configurés. Ce procédé suit un calendrier distribué par un contrôleur de configuration réseau. D'autres fonctionnalités TSN permettent de filtrer et surveiller les flux TSN, la redondance transparente et la prise en charge de la transmission cyclique de données tout en assurant la préemption des paquets dotés de la priorité la plus élevée.

La technologie TSN est définie par un ensemble de normes IEEE 802.1 régissant la mise en œuvre. Figure 2). Quatre de ces normes sont adoptées à compter de septembre 2017, les autres étant encore à l'étude par la task-force et le groupe de travail.

Figure 2 : Normes IEEE TSN. - Image fournie par Xilinx

Mises en œuvre sur la couche physique Ethernet (IEEE 802.3), ces normes prennent en charge les topologies en étoile, en chaîne, en anneau et mixtes, et ne sont pas limitées à un débit de données spécifique. Les applications industrielles utilisent principalement les débits de données 100 Mbits et 1 Go. La technologie TSN permet donc la convergence entre les réseaux IT et OT. Cette convergence réduit le coût de mise en œuvre du réseau, avec une nette diminution du coût de possession et d'exploitation.

Mise en œuvre du TSN

Une mise en œuvre correcte de la technologie TSN exige une solution capable d'associer une latence faible et une réponse déterministe aux points terminaux et passerelles TSN. De nombreuses applications résolvent ce problème par la connexion d'un processeur et d'un FPGA connectés ensemble sur une liaison ultra-rapide, telle que la solution PCIe. Non seulement cette solution à deux puces réduit l'espace disponible sur la carte, augmente la consommation énergétique, le temps et les coûts de développement, mais encore empêche le développement d'une solution intégrée holistique. La segmentation de la conception entre deux dispositifs accroît encore la complexité de la vérification.

Les fournisseurs de solutions IIoT utilisent de plus en plus les dispositifs à plusieurs processeurs (MPSoC) Zynq®-7000 et Zynq® UltraScale™+ programmables pour mettre en œuvre leurs solutions. Ces dispositifs associent un système de traitement (PS) et une logique programmable (PL) dont l'utilisation optimale favorise la mise en œuvre d'applications d'acquisition, de contrôle et de traitement, grâce aux avantages suivants :

1. La capacité de connecter et de contrôler une large gamme de capteurs, d'actionneurs, de moteurs et d'autres interfaces spécifiques à l'application.
2. La capacité d'assurer un traitement complexe à la périphérie, par exemple l'apprentissage machine, la fusion des capteurs, le traitement de l'image et l'analyse en temps réel.
3. L'évolutivité du nombre d'interfaces réseau.
4. La sécurité et la sécurisation possible du dispositif et du système en termes de garantie, d'inviolabilité et de fiabilité de l'information.

Grâce à la prise en charge de la connectivité universelle et la capacité de coupler le système de traitement et la logique programmable, les dispositifs à plusieurs processeurs (MPSoC) Zynq-7000 et Zynq UltraScale+ s'imposent comme la solution idéale pour mettre en œuvre la technologie TSN en parallèle avec une application utilisateur.

La solution 1G/100M TSN Subsystem LogiCORE IP de Xilinx comprend un circuit logique programmable FPGA (Field Programmable Gate Array), une passerelle TSN et un point terminal TSN. La conception TSN avec ressources logiques dédiées garantit un comportement de temporisation strictement déterministe. Le logiciel exécuté dans le système de traitement système sur puce (SoC) régit la synchronisation des réseaux, l'initialisation et la connexion aux contrôleurs de configuration réseau pour la réservation des flux. Le logiciel est conçu pour une exécution sur le système d'exploitation Petalinux et sera distribué en versions Yocto.

La solution LogiCORE IP s'accompagne également d'un commutateur L2 intégré, sensible au temps et disponible en option, qui crée la chaîne ou la topologie de l'arborescence nécessaire dans de nombreuses applications industrielles, sans allouer un autre port à un commutateur TSN externe. La redondance transparente (P802.1CB) exige également le port supplémentaire. La solution IP complète est illustrée à la figure 2. L'utilisateur peut configurer le système à sa guise avant la synthèse, afin d'intégrer ou non le commutateur.

Figure 3 : TSN IP dans un dispositif MPSoC Xilinx Zynq-7000 ou Zynq UltraScale+. - Image fournie par Xilinx

Une fois instancié, le noyau IP TSN fournit des ports de diffusion AXI distincts pour chaque classe de trafic. Le trafic prévu, le trafic réservé et trafic « au mieux » sont pris en charge. Les ports de diffusion AXI se connectent à l'infrastructure offerte par la solution Vivado® Design Suite de Xilnex. L'interface AXI Lite est utilisée pour la configuration des blocs TSN.

Xilinx propose une mise en œuvre prête à l'emploi à des fins d'évaluation, offrant un accès direct à la mémoire (DMA) distinct pour chaque classe de trafic. Ce système d'évaluation peut être utilisé en l'état, pour tester le comportement entre les différents composants Xilinx, ainsi qu'en combinaison avec des équipements tiers ou des analyseurs de protocole. La figure 4 montre un schéma fonctionnel du système d'évaluation.

Figure 4 : Mise en œuvre de la technologue TSN à des fins d'évaluation (pour le dispositif MPSoC Zynq UltraSale+). - Image fournie par Xilinx

Grâce à sa flexibilité, la logique programmable permet également de mettre à jour le noyau IP pour accompagner l'évolution des normes de TSN et des tests de conformité propres aux segments de marché, tandis que les dispositifs dotés d'implémentations matérielles fixes (comme les ASIC et les ASSP personnalisés) ne permettant pas d'apporter des modifications fonctionnelles parallèlement à l'évolution du TSN.

Afin de démontrer le noyau IP TSN en action, Xilinx a développé une application de démonstration pour les cartes de développement ZCU102 et ZC702, articulée sur des dispositifs des gammes de MPSoC Zynq UltraScale+ et Zynq-7000, respectivement. Une fois ces deux cartes connectées (Figure 5), l'application permet la transmission et la réception du trafic réseau, afin de valider les fonctionnalités réseau TSN.

Figure 5 : Système d'évaluation du TSN (pour MPSoC Zynq UltraScale+). - Image fournie par Xilinx

Afin de mieux soutenir le déploiement et les applications du TSN, Xilinx est membre du banc de test Time Sensitive Networking (TSN) au Consortium Internet Industriel (IIC, Industrial Internet Consortium). La participation à ce banc de test permet d'effectuer des tests sur l'interopérabilité du vendeur, de même que sur les applications critiques à hautes performances et latence élevée. Ces tests peuvent être effectués de façon formelle sur l'un des deux bancs de test permanents, aux États-Unis ou en Europe.

Conclusion

Le déploiement des systèmes physiques informatiques pour l'Industrie 4.0 et l'IIoT implique la convergence des réseaux IT et OT. La technologie TSN favorise la convergence de ces réseaux, offrant des avantages significatifs en matière de connectivité, d'évolutivité et de coût de déploiement et de possession. La mise en œuvre du TSN dans un dispositif à plusieurs processeurs (MPSoC) Zynq-7000 SoC ou Zynq UltraScale+ programmable offre à l'utilisateur une solution à puce unique, également capable de fournir la capacité de traitement dans le PS et la PL pour exécuter l'application IIoT à la périphérie.

La technologie TSN de Xilinx a été commercialisée sous le nom 1G/100M TSN Subsystem LogiCORE IP en mai 2017 pour les clients bénéficiant d'un accès précoce, et son déploiement se poursuivra au 4e trimestre 2017.

TSN : réseau convergent pour l'IoT industriel. Publié le 1er novembre 2017 par Farnell