TIME-SENSITIVE NETWORKING, L’IEEE STANDARDISE LE TEMPS RÉEL

La communication en réseau est l’un des piliers de la quatrième révolution industrielle. Mais, à 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.


Depuis des mois, on voit périodiquement apparaître dans les revues spécialisées sur les technologies de l’information, les systèmes industriels ou les réseaux, des articles parlant du time-sensitive networking, un concept que l’on peut approximativement traduire en « communication en réseau sensible au temps ».

Il s’agit évidemment d’un sujet qui revêt une importance particulière dans le milieu de l’automatisation industrielle et des échanges de données entre machines depuis que les bus de communication ont cédé le terrain à différents réseaux Ethernet temps réel. Jusqu’à aujourd’hui quelques standards 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).

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… il n’en faut pas plus pour confiner à la cacophonie. Les vendeurs et les intégrateurs d’équipements automatisés doivent dès lors, rivaliser d’ingéniosité pour faire cohabiter ces solutions chez leurs clients. Ces derniers en retour, n’ont d’autre choix que de faire coexister des îlots incompatibles entre eux sur une même ligne de production. On est ainsi dans la négation même de ce qui est attendu de la quatrième révolution industrielle qui repose sur une converge harmonieuse des moyens de communication pour notamment, faire émerger un Internet industriel des objets (IIoT).

DU DIVERTISSEMENT À L’INDUSTRIE

Depuis 2012, l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a créé une équipe opérationnelle, issue du groupe 802.1 qui réfléchit à tout ce qui concerne les réseaux numériques dont bien évidemment, Ethernet. La constitution de cette équipe dédiée au TimeSensitive Networking (TSN) s’est imposée suite à l'extension de la sphère de travail du groupe de normalisation chargé de la convergence audio-vidéo.

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. Parmi les applications, on relève notamment, la création de réseaux de transmission en temps réel, des flux audio-vidéo et des commandes de pilotage et de contrôle utilisées dans les installations industrielles ainsi que dans les systèmes et engins mobiles (avionique, ferroviaire, automobile, etc.).

Les différents documents qui entrent dans la recommandation IEEE 802.1 proposée pour rendre les réseaux déterministes via TSN, peuvent être regroupés en trois catégories constituant la base d’une solution de communication en temps réel. Chaque spécification proposée pour couvrir un domaine d’application, peut être utilisée seule. En revanche, TSN en tant que système, ne peut atteindre son plein potentiel sans que ses trois composantes élémentaires soient réunies. 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 la mise en forme du trafic qui composent 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.

AU QUATRIÈME TOP, IL SERA EXACTEMENT…

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 de l'heure dans les réseaux TSN peut être réalisée avec différentes technologies. Théoriquement, il serait possible d'équiper chaque terminal communicant d'un récepteur de signaux GPS dont les émissions sont synchronisées par une horloge atomique. Reste qu’une telle solution, rend le fonctionnement de l’infrastructure dépendante de la capacité à recevoir les signaux radio à tout moment même lorsque ses équipements sont installés au fond d’un armoire blindée dans un atelier, enfouis dans un tunnel ou embarqués dans les soutes d’un avion ou d’un navire. En raison de ces contraintes, 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 distribuer les données de synchronisation horodatées. Si la spécification IEEE 1588 est universellement applicable, le groupe TSN du comité IEEE 802.1 a spécifié un profil PTP spécifique, référencé IEEE 802.1AS. Le but poursuivi ici, consiste à limiter le nombre de possibilités offertes par la spécification IEEE 1588 pour ne garder que les fonctions critiques adaptées à l’automatisation industrielle et aux réseaux embarqués, sans oublier les infrastructures domestiques.

PLANIFICATION DU TRAFIC ET MISE EN FORME

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 802.1Q d’une trame Ethernet classique.

Ce mécanisme permet bien d’opérer des distinctions de priorité ente 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.

Dans les environnements critiques comme ceux couverts par l’automatisation industrielle, les contrôles pilotant les processus et les applications de sécurité requièrent un acheminement fiable dans un délai connu à l’avance. Pour utiliser les réseaux Ethernet à cette fin, il faut améliorer la planification des trames différenciées par le marqueur de priorités IEEE 802.1Q.

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 évidemment maintenu, afin d'assurer une rétrocompatibilité complète avec la norme Ethernet. L'interopérabilité des réseaux TSN avec les infrastructures existantes est donc garantie. Pour chacune des huit priorités reconnues, TSN privilégie principalement deux approches : une priorisation stricte des trames selon le référentiel IEEE 802.1Q ou le recours à un planificateur temporel conforme aux spécifications IEEE 802.1Qbv.

Au regard de TSN, un cas d'utilisation typique d’utilisation consiste à faire communiquer un automate programmable (PLC) avec un robot industriel au travers d’un réseau Ethernet. Pour atteindre des temps de transmission avec une latence conforme aux exigences d’un contrôle en boucle fermée entre l'automate et le robot, une ou plusieurs des huit priorités Ethernet peuvent se voir affecter une assignation spécifique par le planificateur temporel IEEE 802.1Qbv. 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.

Le principe est un schéma d'accès multiple par répartition dans le temps (time-division multiple access ou TDMA). 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 réseau lui-même, permet de s’affranchir du problème posé par les mémoires tampons et donc, d’échapper aux interruptions non déterministes.

TSN LA JOUE HARD OU SOFT

Le planificateur temporel IEEE 802.1Qbv 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.

Dans l’exemple représenté par la Figure cicontre, chaque cycle est constitué de deux séquences de temps. La première est réservée à la transmission du trafic étiqueté avec la priorité VLAN 5 tandis que la seconde séquence supporte la transmission de toutes les autres priorités (VLAN 7, 6, 4, 3, 2, 1, 0). Rappelons que le planificateur IEEE 802.1Qbv impose que toutes les horloges de tous les équipements du réseau, soient synchronisées, ce qui permet que la planification des séquences soit partout identique. Tous les équipements sont donc en mesure de déterminer quelle priorité peut être transmise sur le réseau à un instant donné et, puisque la seconde séquence supporte plusieurs priorités, elles sont pour leur part, traitées conformément aux règles portées par le standard IEEE 802.1Q.

Cette séparation des transmissions Ethernet en cycles eux-mêmes subdivisés en séquences de temps peut encore être améliorée par l'inclusion d'autres algorithmes d'ordonnancement ou de mise en forme du trafic. C’est le cas par exemple, du standard IEEE 802.1Qav servant à coordonner les flux audio-vidéo aux termes d’un temps réel souple. Dans l’exemple précédent, ce protocole pourrait se voir affecter une ou deux des priorités utilisées dans la seconde séquence pour distinguer le trafic audio-vidéo des transferts de fichiers d'arrière-plan. Le groupe IEEE 802.1 a en effet, retenu un certain nombre de standards d’organisation et de priorisation du trafic qui peuvent être combinés pour faire coexister les exigences du temps réel strict, du temps réel souple et des contenus non critiques sur un même réseau Ethernet.

GARDE-FOUS CONTRE LES RISQUES DE DÉBORDEMENT

A l’approche de la fin d’un cycle, le planificateur temporel IEEE 802.1Qbv doit s'assurer que l'interface Ethernet ne va pas débuter la transmission d’une trame qui déborderait sur la séquence de temps suivante. Un tel cas de figure briserait la garantie du temps d’acheminement des données temps réel. Pour cela, il positionne une réserve temporelle devant chaque séquence dédiée à la transmission de contenus critiques. Pendant ce court délai, aucune nouvelle trame Ethernet ne peut débuter et seules les transmissions déjà lancées peuvent se terminer. La durée de cette réserve temporelle doit être au moins égale au temps nécessaire à la transmission d’une trame de la taille maximale possible pour le réseau utilisé. Il s’agit ici, d’une trame Ethernet (IEEE 802.3) constituée de 1 518 octets, auxquels s’ajoutent le marqueur VLAN (IEEE 802.1Q) comprenant 4 octets et un espacement inter-trame de 12 octets, ce qui porte le total à 1 534 octets. Le temps nécessaire à la transmission d’une telle trame dépend évidemment de la vitesse de liaison du réseau Ethernet.

A une vitesse de 100 Mbits/s (Fast Ethernet 100Base-T), facilement accessible aux réseaux déployés dans les installations industrielles, la durée de transmission est la suivante : Ici, la réserve doit avoir une longueur d'au moins 122,72 µs que l’on peut considérer comme une perte qui vient impacter la bande passante disponible sur le réseau. Notons que sur une liaison Gigabit Ethernet (100Base-T), la durée de la réserve temporelle se calculerait en nanosecondes (10-9 s) pour un coût qui ne serait pas nécessairement beaucoup plus élevé. Pour atténuer partiellement cette perte de bande passante, la norme IEEE 802.1Qbv intègre aussi un mécanisme de planification des cycles qui tient compte de la longueur moyenne des trames véhiculant les contenus prioritaires ou non.

Les réseaux temps réels ne doivent pas seulement garantir les délais d’acheminement des informations critiques mais aussi, apporter une certaine tolérance aux pannes. En effet, les réseaux qui prennent en charge des applications telles que la sûreté de fonctionnement ou encore, la conduite des véhicules autonomes, doivent être protégés contre les défaillances. Le groupe TSN étudie un protocole de tolérance aux pannes dans la spécification IEEE 802.1CB qui peut venir en complément des protocoles de haute disponibilité préconisés par la norme CEI 62439-3.s