Gli ultimi 15 anni sono stati caratterizzati da una vera e propria “guerra dei bus”, dovuta al fatto che ogni produttore di macchinari ha deciso di sviluppare e spingere, attraverso un consorzio, un proprio standard di comunicazione per il mondo OT. Una situazione ovviamente non ottimale, se non altro perché costituisce una forte limitazione alla libertà delle aziende di creare linee di produzione attingendo alle tecnologie di diversi produttori.
Ma da qualche tempo, l’industria sembra avviata a superare il problema. A fare il miracolo di mettere d’accordo tutti, e convincere i produttori ad abbracciare uno standard comune, è una sigla: TSN, Time Sensitive Networking. Per sapere cosa c’è dietro, abbiamo intervistato Federico Tramarin, ricercatore dell’Università di Padova e specialista del tema.
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Infrastruttura e componenti
Per capire da dove arriva TSN bisogna fare un passo indietro nel tempo. Tutto è nato dalla necessità di definire alcune funzionalità che non esistevano nello standard 802.1 su cui si basa Ethernet.
“È importante notare che stiamo parlando di modifiche legate prevalentemente alla ridefinizione dell’infrastruttura di una rete locale, e sono in specifici casi collegate strettamente al singolo dispositivo Ethernet, quello per intenderci che abbiamo nel PC”, spiega Tramarin.
La maggior parte degli interventi è stata messa in atto sulla parte di infrastruttura di rete, potremmo dire a livello di switch. Lo si nota dal nome degli standard citati negli “emendamenti”, perché Ethernet è composta da due famiglie di standard: l’IEEE 802.1 definisce come è fatta l’infrastruttura di rete (gli switch per esempio) e le relative funzionalità. L’IEEE 802.3 invece specifica propriamente Ethernet, come è fatto il segnale sul cavo, qual è la struttura del frame, come deve essere fatta la scheda sul computer, ma dal punto di vista dell’infrastruttura tratta l’endpoint.
Reti industriali, fino a oggi
Vediamo cosa si è sempre fatto con le reti industriali. I protocolli industriali che vogliono usare Ethernet come mezzo di connessione hanno bisogno di poter gestire in modo accurato le diverse priorità del traffico industriale – dire cioè alla rete quali messaggi devono obbligatoriamente arrivare prima e non essere disturbati – e questo non può essere garantito dallo standard Ethernet così com’è.
“Poiché le aziende che si occupano di comunicazione industriale non possono ovviamente cambiare autonomamente lo standard Ethernet – spiega Tramarin – devono usarlo così com’è e cercare di creare all’interno dei singoli componenti, PLC o switch, degli ‘accrocchi protocollari’ per sfruttare opportunamente o talvolta bypassare le cose non ideali che Ethernet impone di fare”.
Quando poi si vogliono spingere le performance, ottenendo tempi di reazione molto bassi e determinismo, ben oltre quelle permesse da Ethernet classico, i produttori si sono creati i propri componenti. Essi agiscono normalmente come componenti Ethernet standard, ma quando devono far passare traffico industriale real-time attivano alcuni loro servizi particolari, che non sono compresi nello standard Ethernet.
Le varie soluzioni sul mercato sono molto simili fra loro, usano principi analoghi.
Altri bus hanno adottato soluzioni ancora più radicali, modificando profondamente il protocollo Ethernet, a un punto tale che non potrebbe essere trasportato sul nuovo Ethernet definito da TSN.
Le origini con AVB e AVNU
La situazione è cambiata quando è entrata in gioco la IEEE, l’istituto che stabilisce gli standard per le reti locali, come Ethernet e Wi-Fi.
“E’ una svolta perché, se chi ha in mano lo standard propone di cambiarlo per farlo andare come ci serve, allora non servono più soluzioni ‘raffazzonate’ sul vecchio standard, ma si potrà ragionare su uno standard nativamente migliore”, commenta Tramarin.
In realtà, la prima forte spinta al cambiamento di Ethernet è venuta dal mondo dell’audio video professionale. Il settore audio video si era reso conto delle potenzialità di Ethernet come media per trasportare il segnale e sincronizzarlo. Così è nato AVB, Audio Video Bridging, spinto dal mondo audio video e dall’automotive. Conseguentemente è nata la AVNU Alliance, che si occupa fra l’altro della certificazione dei componenti.
Lo standard AVB era composto da 4 documenti (emendamenti) che andavano a modificare gli standard 802.1. Il primo (802.1AS) definisce come si comportano gli switch per consentire le funzionalità di sincronizzazione del tempo fra i diversi componenti – facendo in modo che la rete sia in grado di supportare una sincronizzazione molto spinta, anche ben al di sotto del microsecondo.
Il secondo, molto importante (802.1Qat) serve per poter riservare banda. L’Ethernet classico non permette a nessun dispositivo di riservare banda. Può solo creare classi di servizio, come Video o Voice, con priorità più alta di quella Ethernet classica, ma non garantisce la priorità. Quindi AVB ha realizzato lo stream reservation protocol (SRP), per prenotare la banda necessaria a un trasferimento.
Il terzo emendamento, 802.1Qav, va a modificare le proprietà della rete e introduce nuovi meccanismi per gestire l’accodamento dei pacchetti. È possibile quindi andare oltre il vecchio modo di dare priorità ai pacchetti, usando nuove tecnologie che permettono accodamenti più sofisticati. Infine, l’ultimo emendamento, siglato 802.1DA, definisce alcuni specifici profili d’uso (per i settori automotive, audiovideo, eccetera).
Da AVB a TSN
A un certo punto il mondo dell’industria ha capito che questa cosa era importante, e ha cominciato a interessarsene.
Il gruppo di lavoro AVB è stato rinominato in Time Sensitive Networking (TSN) Task Group dell’IEEE. Di fatto era sempre il vecchio gruppo Audio Video Bridging, allargato come partecipazione per avere uno scope più ampio e contenere all’interno una definizione più ampia degli obiettivi.
Le funzionalità: a che punto siamo
Gli emendamenti allo standard Ethernet (e ad AVB) presenti in TSN sono moltissimi. L’802.1AS, che diventerà 802.1AS-rev (rivisto), con sincronizzazioni più spinte; poi c’è un emendamento che si chiama 802.1Qbv che offre il supporto per il traffico schedulato real-time.
Un altro importantissimo emendamento è l’802.1Qbu che permette la Frame Preemption, una funzionalità simile a quella presente nei sistemi operativi che, se devono fare una cosa più importante, fermano il task in corso e lo fanno aspettare. Nell’802.1Qbu, il traffico critico può interrompere quello meno critico e passargli davanti.
Poi c’è 802.1CB, che punta a incrementare l’affidabilità della rete introducendo ridondanza: si manda lo stesso stream di dati su più percorsi disgiunti e poi alla fine vengono eliminati i dati ridondanti pervenuti.
Alcuni di questi emendamenti sono già stati pubblicati. Qbu è pubblicato dal 2016 e Qbv è disponibile dal 2015. Nel 2017 è uscito il CB mentre altri, come quello per la sincronizzazione AS-rev, non sono ancora pronti.
La versione AS di AVB è stata pubblicata nel 2011, e nel 2013 e 2015 hanno corretto alcuni refusi e funzionalità, mentre il suo “erede” 802.1AS-rev è ancora in via di definizione. È uno dei componenti cruciali. È la parte su cui c’è maggior lavoro e fermento.
La situazione sul mercato
Alcuni player hanno già iniziato a introdurre sul mercato apparecchiature basate su TSN, come Cisco, TTTech, Moxa e altri grandi player nel mondo della componentistica industriale. Altri hanno dichiarato il rilascio di componenti nel corso dell’anno, con tutte le funzionalità più avanzate. In generale, tutti fanno affidamento sul fatto che la struttura portante dello standard è ormai definita.
Funzionalità più recenti, come quelle previste dall’emendamento AS-rev, saranno supportate anche se non è ancora arrivata l’approvazione ufficiale.
“In realtà con ogni probabilità, le apparecchiature saranno commercializzate usando come riferimento il documento AS (quello che già esiste da diversi anni), contando sul fatto che le differenze con AS-rev potranno essere riportate nel prodotto potenzialmente tramite aggiornamenti al firmware degli apparecchi”, dice Tramarin.
Il profilo dedicato alla comunicazione industriale
Una caratteristica interessante di TSN sono i profili. Essi costituiscono, in pratica, dei subset delle opzioni previste dallo standard.
“TSN è un progetto gigantesco – spiega Tramarin – che subisce pressioni da un numero elevato di player e deve soddisfare le loro richieste. I maggiori player sono aziende del calibro di Intel, Broadcom, Realtek, grossi player che hanno a che fare con il mondo industriale fino a un certo punto. Certo all’interno di questi comitati sono rappresentate le realtà più disparate, ma è chiaro che se il mondo industriale ha bisogno di determinate caratteristiche bisogna decidere dove concentrare gli sforzi. Ecco a cosa serve sviluppare un profilo: decido cosa mi interessa fare all’interno dello standard e decido i settaggi dei parametri che mi servono; in base ai parametri il sistema si adatta meglio a quello che voglio fare. Un profilo quindi non è un protocollo, è solo un insieme di regolazioni e settaggi per ottimizzare i parametri dello standard per un determinato utilizzo”.
Il profilo dedicato all’automazione industriale di TSN è noto come TSN IA.
“A fine 2017 su proposta di Ludwig Winkel, che al tempo lavorava per Siemens, al meeting canadese dell’IEC (la più importante organizzazione internazionale che si occupa di normazione, e che definisce anche tutti gli standard per i protocolli industriali, ndr) si decide di creare un gruppo di lavoro congiunto fra IEC e IEEE con lo scopo di definire un profilo industriale per TSN. Esso dovrebbe rappresentare la base per tutti i vari protocolli (OPC UA, Profinet ecc.) che vogliono viaggiare sopra TSN”.
Questo profilo sarà incorporato in uno standard che si chiamerà IEC/IEEE 60802. “Ma il lavoro richiede tempo – sottolinea Tramarin – perché non c’è solo il lavoro sulle questioni tecniche, ma c’è anche tutta la parte burocratica da mettere a punto: dalle questioni di proprietà intellettuale a quelle sulle royalties, per esempio”. Oltre ovviamente agli equilibri “politici” tra i vari attori in campo.
Attualmente lo standard è alla decima iterazione: “Si è partiti dal draft 0, poi ci sono state le release 0.1, 0.2 eccetera, e ora siamo al draft 1.0 che è stato appena approvato. In teoria dovremmo essere molto vicini alla versione finale che verrà approvata, ma i lavori non sono ancora completati e non sarà certo una cosa di pochi mesi ”, racconta Tramarin.
Nel gruppo di lavoro sono presenti player come Siemens, Bosch, Rockwell, ABB, B&R, Schneider, Nokia Ericsson, e con vari gradi di partecipazione Mitsubishi, Yokogawa, e altri.
Che fine faranno i protocolli attuali?
L’idea dietro all’uso del profilo è che in un futuro non troppo remoto i componenti non avranno più bisogno dei vari protocolli industriali oggi in uso per il trasporto dei dati: si andrà tutti su TSN e si userà a livello industriale questo profilo di configurazione.
“Per arrivare a questo – spiega Tramarin – si sono individuati i casi d’uso significativi e, sulla base delle caratteristiche richieste, si sta cercando di trovare l’equilibrio per produrre un documento che specifichi in modo unitario le caratteristiche che deve avere il profilo industriale. Sarà proprio questa caratteristica che, quando finalmente TSN sarà completo in tutte le sue parti, permetterà di superare la guerra dei fieldbus. Perché TSN sarà di fatto un protocollo superiore a tutti quelli che lo hanno preceduto, in quanto è un’implementazione nuova e nativa di Ethernet, ottimizzata fin dalla base. Chi vorrà caricare su TSN uno dei vecchi protocolli proprietari di fatto non avrà vantaggi tecnici, aggiungerà solo overhead inutile, in quanto TSN integra già tutte le funzionalità di trasporto che prima costringevano a usare protocolli proprietari, ma facendolo nativamente ottiene anche prestazioni migliori”.
Le motivazioni per continuare a usare protocolli proprietari saranno quindi altre, per esempio garantire la immediata compatibilità nello scambio dati con macchine e applicazioni “legacy”, o far parlare fra loro controller diversi ma per esempio entrambi compatibili OPC UA.
Naturalmente, il trasporto del dato grezzo non è tutto, perché il dato va “vestito”.
“Oggi i vari protocolli di fatto inscatolano i dati come delle matrioske. Con TSN ci saranno meno scatole una dentro l’altra. Ora, anche OPC UA su TSN richiederà tempo per essere completato, e nel periodo di interregno molti produttori presenteranno versioni ‘TSN ready’ dei loro bus e protocolli, in attesa del completamento dello standard di base che permetterà di superare definitivamente le implementazioni proprietarie”.
Diversi consorzi infatti si stanno proprio muovendo in questo modo. Profibus International sta per pubblicare le procedure di test per certificare i componenti Profinet/TSN ed esiste già CC-Link IE TSN.
L’intervista a SPS Italia
In occasione del convegno inaugurale di SPS Italia abbiamo chiesto a Tramarin di raccontare questi concetti anche in video
