ก่อนจะพูดถึง Ethernet TSN ขอเกริ่นประวัติของเครือข่ายสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมซักหน่อยละกันครับ
ในช่วงปี 1990 ซึ่งถือว่าเป็นช่วงเริ่มแรกของเครือข่ายสำหรับใช้ในอุตสาหกรรม มีหลายมาตรฐานการสื่อสารที่ถูกสร้างขึ้น โดยมีมาตรฐานมากกว่า 40 ตัวที่แข่งขันกัน จึงสร้างความสับสนให้กับผู้ใช้ที่ไม่รู้จะเลือกใช้อันไหน แต่เนื่องจากการแข่งขันเพื่อการอยู่รอดในตลาด แล้วท้ายสุดก็เหลือมาตราฐานที่เราคุ้นชินกันอยู่ เช่น CC-Link, PROFIBUS และ DeviceNet โดยมาตราฐานเหล่านี้โดยส่วนใหญ่แล้วจะใช้ RS485 เป็นพื้นฐานสำหรับการสื่อสารจะยังคงมีความนิยมในตอนต้นของทศวรรษ 2000
หลังจากนั้นเนื่องจากความต้องการที่จะอยากให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าที่เป็นอยู่ ก็ได้มีการมีมาตราฐานใหม่โดยใช้เครือข่าย Ethernet เป็นฐาน ตัวอย่างเช่น PROFINET, Ethernet/IP, EtherCAT
อย่างไรก็ตามก็ยังมีปัญหาที่ทำให้ไม่สะดวกในการใช้ Ethernet ในอุตสาหกรรมหรือโรงงาน โดยประเด็นสำคัญคือ:
- ความขาดคุณสมบัติการเรียลไทม์
- ความทนทานต่อสภาพแวดล้อม เช่น อุณหภูมิ, ความชื้น, ฝุ่น และ noise เป็นต้น
นั้นเองทำให้ในช่วงปี 2019 ได้มีการนำเสนอ มาตรฐาน “Ethernet TSN (Time Sensitive Network)” โดยอ้างอิงจากมาตรฐาน “Ethernet AVB”อีกทีนึง โดยตอนแรกมาตรฐานรับรองเพียงแค่ระบบ 100Mbps และ 1Gbps แต่ในปัจจุบัน (ปี 2022) ก็มีอุปกรณ์ที่รองรับถึง 10Gbps และ 25Gbps แล้วเหมือนกัน
ส่วนเรื่องความทนทานต่อสภาพแวดล้อมนั้น IEEE802 ได้แก้ไขโดยการกำหนดเฉพาะ Encoding/Decoding เท่านั้น ส่วนด้าน physical layer จะให้ หน่วยงานมาตรฐานและกลุ่มอุตสาหกรรม นั้นไปกำหนดกันเองได้ (อุปกรณ์ที่ใช้ภายในอาคาร/นอกอาคาร หรือ อุปกรณ์ที่ใช้ภายในรถยนต์ นั้นต่างมีสภาพแวดล้อมที่ต่างกัน จึงเป็นสาเหตุที่ทาง IEEE802 ให้ไปกำหนดกันเอง)
Ethernet TSN นั้นดูเหมือนจะเป็นสิ่งใหม่แต่จริงๆแล้ว Ethernet TSN นั้นได้ปรับปรุงเปลี่ยนแปลงเฉพาะ layer 2, 1 ของ OSI model เพราะฉะนั้นจึงสามารถความเข้ากันได้ของระบบ Ethernet ปัจจุปันได้อย่างราบรื่น นอกจากนั้นยังมีจุดเด่นอีกคือ
- การซิงโครไนส์เวลา (Synchronization)
- ความเชื่อถือ (Reliability)
- ความเร่ง (Latency)
- การจัดการทรัพยากร (Resource Management)
คุณสมบัติสำคัญของ Ethernet TSN อย่างนึงคือ ความสามารถในการรับส่งข้อมูลแบบแบบเรียลไทม์ ดังนั้น Ethernet TSN สามารถนำไปประยกต์ใช้งานด้านสตรีมมิ่ง เช่น ภาพและเสียง หรือ แม้แต่ระบบที่ต้องการส่งรับข้อมูลที่ต้องการให้มีดีเลย์น้อย โดย Ethernet TSN นั้นจะแบ่งข้อมูลออกเป็น 5 ระดับหรือคลาสดังนี้:
คลาส CDT (Control Data Traffic) ใช้สำหรับ จัดการข้อมูลควบคุมที่ต้องการในเวลารอบการทำงานแบบรีลไทม์ (Hard Real-Time) หรือข้อมูลที่ต้องการให้มีดีเลย์น้อยๆ โดยจะเป็นคลาสที่มีความสำคัญ (Priority) สูงที่สุด
คลาส AV แบ่งเป็น AV คลาส A และ AV คลาส B ใช้สำหรับ จัดการข้อมูลสตรีมเช่นวิดีโอและเสียง เป็นคลาสที่รับประกันแบนด์วิดท์ได้ คลาส AV A มีลำดับความสำคัญเป็น “5” และคลาส AV B มีลำดับความสำคัญเป็น “4”
Control Traffic ใช้สำหรับควบคุมโพรโทคอลของ Ethernet TSN เพื่อให้ระบบทำงานถูกต้อง
Best Effort ใช้สำหรับการถ่ายโอนไฟล์หรือการ access เข้าเว็บต่าง จะทำการรับส่งข้อมูลในในช่วงรอบการทำงานที่ว่างๆ ของคลาส CDT และ AV คลาส A/B Best Effort นั้นมีลำดับความสำคัญที่ต่ำกว่าคลาสอื่น ๆ คือ “2” หรือ “1”
สำหรับการประยุกต์ใช้ในงานอุตสาหกรรมนั้น จะเป็นการใช้เทคนิคการแบ่งเวลาแบบหลายช่วงผ่านการซิงโครไนซ์เวลา โดยเวลาถูกแบ่งเป็น “ช่วงเวลาที่ใช้เฉพาะกับ CDT” และ “ช่วงเวลาอื่น ๆ” สองช่วงเวลานี้รวมกันเป็น Cycle เดียว ซึ่งจะทำซ้ำต่อเนื่องไปเรื่อยๆ โดย CDT ที่มีช่วงเวลาเฉพาะของตนเองทำให้สามารถส่งรับข้อมูลแบบรีลไทม์โดยไม่มีการรบกวนจากทราฟิกอื่น ๆ
ถ้าจะให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น สามารถดูได้จากรูปด้านล่าง รูปซ้ายคือ Ethernet แบบที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบัน ส่วนรูปขวาจะเป็น Ethernet TSN ซึ่งข้อมูลที่อยู่ในคลาส CDT จะได้รับ priority มากกว่า จะเสมือนว่าข้อมูลในคลาส CDT เป็นเส้นทางพิเศษ กรณีส่งข้อมูลจาก TX ไป RX ข้อมูลอื่นๆต้องหยุดรอให้ข้อมูลในคลาส CDT วิ่งไปก่อน จึงทำให้เราสามารถนำมาใช้กับทำงานแบบรีลไทม์ได้
ก็จบไปกับบทความเรื่อง Ethernet TSN ครับ เราคงต้องดูกันต่อไปว่า Ethernet TSN นั้นจะมีบทบาทและจะมีส่วนสำคัญในการเปลี่ยนแปลงงานอุตสาหกรรมในอนาคตขนาดไหน ทั้งนี้ทั้งนั้นการเลือกใช้งานจริงจะอยู่ที่ผู้ใช้เองว่ามีความต้องการแบบไหน ถ้าในระบบของเราไม่ได้มีความจำเป็นสำหรับงานรีลไทม์ ก็อาจจะไม่จำเป็นต้องใช้ Ethernet TSN แต่หากต้องการ Ethernet TSN ก็เป็นตัวเลือกนึงที่น่าสนใจครับ