DDS融合TSN：实时数据交换解决方案

工业物联网（IIoT）通过利用来自多个来源的实时数据来创建更智能的应用程序和系统。这需要语法上的互操作性-以可发现且明确的方式交换结构化数据的能力。它是构建IIoT组件和系统的连接基础架构的最低要求。

工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium）的IIoT连接框架（IICF）定义了IIoT连接堆栈，负责为上述应用程序的数据交换提供语义协作能力，同时隐藏底层传输和网络的细节（图1）。框架层通常在软件中实现，而最低层在硬件中实现。

这种方法使IIoT应用程序和组件开发人员可以轻松地专注于定义和使用结构化数据模型，用于管理数据交换的服务质量（QoS）以及围绕数据对象的安全策略，而无需担心较低级别的内容。因此，使用连接框架可降低集成成本和加快上市时间。

这种方法使IIoT应用程序和组件开发人员可以轻松地专注于定义和使用结构化数据模型，用于管理数据交换的服务质量（QoS）以及围绕数据对象的安全策略，而无需担心较低级别的内容。因此，使用连接框架可降低集成成本和加快上市时间。

图1. IIC IIoT连接堆栈

标准化连接框架层的需求在操作技术（OT）领域得到了很好的确立，因为应用程序和组件通常由供应商生态系统构建，这些供应商都需要在面对满足关键性能的要求同时协同工作。但是，它仍然是信息技术（IT）领域的一个相对较新的概念，开发人员习惯于在软件中构建特定的数据交换层，这有利于开发而非性能。IICF参与了几个IIoT软件连接框架标准。使用标准化的软件连接框架，垂直行业可以开发通用的共享数据模型库，进一步加速市场。

对于软件的集成和自治，IICF将对象管理组（OMG）数据分发服务（DDS）确定为连接的核心标准。DDS实际上是一系列的软件规范，定义了实时系统的软件数据总线，在实时系统中数据流的延迟、抖动、吞吐量、可扩展性和可用性至关重要。DDS不仅支持对时间敏感的OT通信要求，还支持IT通信需求; 因此，它是构建下一代IIoT系统的理想选择。事实上，在IIoT中采用DDS的场景仍在不断增长，以各个行业和系统为中心的软件标准正在除了DDS之外如汽车（AUTOSAR Adaptive），机器人技术（ROS2），智能电网（OpenFMB），航空电子设备（FACE），医疗（OpenICE）军用车辆（GVA）等等中不断出现。

对于时间敏感的应用程序，硬件新设施一直低于连接堆栈的网络层（图1）。最近，IEEE时间敏感网络（TSN）标准已经推出，以提供有界低延迟、低包延迟变化和低包丢失的保证包传输。TSN是一系列协调使用的硬件规范。TSN的基本组成部分（图2）包括：

时间同步：参与实时通信的所有设备都具有对时间的同步。
调度和传输的规划：所有参与实时通信的设备在处理和转发通信包时都遵循相同的规则。
通信路径的选择、路径保留和容错：所有参与实时通信的设备在选择通信路径、预留带宽和时隙时都遵循相同的规则，可能使用多个同时路径来实现容错。

图2.调度的实时数据流：DDS主题自然地映射到TSN流

人们对在IIOT中使用TSN越来越感兴趣，尤其是在工业控制和汽车垂直行业中。Avnualliance已经成为一个致力于创建一个可互操作的生态系统的社区，通过认证使用TSN开放标准为不同应用程序提供精确的时间和低延迟需求。

然而，应用程序和组件开发人员面临着一个实际挑战：如何在需要共享和使用时间敏感数据的软件应用程序中有效地使用TSN硬件（如交换机、终端节点）的功能？

为了解决这一挑战，OMG最近宣布开发了一个DDS-TSN标准，以便使用DDS数据总线的软件应用程序能够部署在支持TSN的网络上，并利用该网络（图3）。这项标准化工作将定义把DDS功能映射到TSN概念的规则，以便以标准化的方式支持在TSN网络上设计、部署和执行DDS系统。通过将DDS置于TSN之上，系统架构师和应用程序开发人员可以轻松地利用具有TSN高级网络功能的DDS软件数据总线，创建具有高确定性、可靠性、可扩展性和可用性特性的强大的分布式数据中心软件集成框架。

图3 DDS-TSN标准为应用程序开发人员提供了一个完整的时间敏感的IIOT连接堆栈和简单的高级面向数据的接口

结果表明，DDS和TSN非常适合并完美互补。DDS规范系列为IIOT连接堆栈上较高的软件组件定义了软件数据总线，如图1所示，而TSN规范系列定义了堆栈最低层的硬件接口和信令。两者都是为时间敏感的应用而设计的。两者都是横向标准，适用于许多垂直市场。软件组件使用DDS定义的数据类型和服务质量（QoS）策略，如延迟\预算、传输优先级、资源限制，这些限制直接映射到配置TSN网络所需的参数。事实上，TSN硬件可以使强制执行某些QoS策略（如延迟\预算）成为可能，这是DDS标准对时间敏感的应用程序预先考虑到的，但如果没有专门的硬件（如TSN），则无法强制执行。一对多流的TSN方法自然地与DDS中以数据为中心的基于发布 - 订阅主题的数据流对齐，如图2所示。

对于IIoT社区来说，这是令人兴奋的消息！随着DDS-TSN标准的出现，IIoT网络将能够融合到单一商品硬件解决方案中，以实现所有数据的实时交换。软件组件只需使用DDS软件数据总线进行通信（图4），只需通过DDS-TSN QoS策略以声明方式指定各种数据流的及时性要求。

图4.应用程序使用DDS-TSN标准启用的QoS策略和配置参数简单配置时间敏感数据流

DDS-TSN解决方案将自动执行时间敏感的需求，并有选择地将时间敏感的数据流映射到后台的TSN硬件，从而减轻系统架构师和应用程序开发人员处理TSN网络配置复杂性的负担。

一个结合DDS-TSN的连接堆栈将简化时间敏感的软件组件和系统的开发和集成，包括工业控制，汽车和智能交通。今天的IIoT社区非常需要新标准来有效地获得TSN的好处。

本文转自微信公众号【DDS论坛】

译文连载

RTPS规范-译文连载：实时发布订阅协议（RTPS）DDS互操作网络协议规范-中文翻译_001

DDS规范-译文连载：DDS (Data Distribution Service) 数据分发服务-规范中文翻译_001