Alors que les réseaux basés sur l’Ethernet continuent d'évoluer, deux groupes industriels ont récemment annoncé leur intention de passer à un niveau supérieur afin d’étendre cette fois la technologie à des Système d'Information Industriel (SII ou OT) et de communication sans fil où le facteur temps joue un rôle important. Pour sa part, l’Ethernet Alliance voudrait rendre les communications des réseaux de technologie opérationnelle (OT), que l’on trouve en général dans les environnements d'automatisation des bâtiments et de l'industrie, plus rapides et plus simples. L'Ethernet Alliance réunit divers acteurs du secteur des communications, dont Broadcom, Cisco, Dell, Juniper, Intel, mais aussi des universités et des industriels. 

Ethernet à paires torsadées 

Historiquement, les réseaux OT ont été séparés des réseaux IT basés sur l’Ethernet, et « si ces réseaux fonctionnent efficacement aujourd'hui, ils utilisent encore des protocoles de réseau disparates et dépassés ». Ils sont lents, généralement 31,2 kb/s, et ont besoin de passerelles de traduction pour convertir les données pour qu’elles soient transmises par Ethernet. « La technologie Single Pair Ethernet (SPE) a été développée pour répondre aux défis et aux topologies des réseaux OT », a expliqué Peter Jones, président de l'Ethernet Alliance et ingénieur distingué chez Cisco. « La spécification IEEE 802.3cg publiée en février 2020 est la norme dont nous avons toujours eu besoin pour les réseaux OT », a-t-il ajouté. L'Alliance veut encourager l’application de la norme pour augmenter la valeur des réseaux OT et améliorer les résultats commerciaux. L'objectif ultime étant de créer un réseau à protocole unique à l'échelle de l'entreprise qui réponde à la fois aux besoins de l’IT et de l'OT. « La convergence de ces deux réseaux est essentielle pour atteindre les objectifs de l’Industrie 4.0 », a-t-il ajouté. 

Lors de la création de la norme « cg », le groupe de travail IEEE 802.3cg Task Force s’est intéressé de près aux besoins des réseaux OT. Les nombreuses implémentations propriétaires présentent des éléments communs. La plupart sont électriquement conformes à la norme RS-485, ont deux topologies principales et partagent une couche physique commune, le câble à paire torsadée. La technologie Single Pair Ethernet (SPE) exploite ces éléments communs pour faciliter l’adoption de l’Ethernet et de tous ses avantages sans avoir à « réinventer la roue » pour ainsi dire », comme l’a déclaré Bob Voss, président de la sous-commission SPE et ingénieur principal senior chez Panduit. 

Une évolution nécessaire

Dans le passé, l’usage de l'Ethernet dans les réseaux OT obligeait à adapter le réseau pour qu'il fonctionne avec l'Ethernet BASE-T normal. C'était efficace, mais cela créait des obstacles, ce qui en limitait l'adoption. « La technologie Single Pair Ethernet (SPE) fait tomber ces barrières », a déclaré M. Voss. « De plus, les protocoles OT actuels posent un problème de compétences : les personnes ayant des connaissances exclusives dans ces réseaux importants atteignent l’âge de la retraite. Cela crée un énorme risque pour la continuité des activités. Et, comme les entreprises veulent des bâtiments plus intelligents pour créer des espaces de travail plus agréables et plus productifs, il faut une fonctionnalité de niveau supérieur dans les réseaux OT, et l’Ethernet en est l’élément clé », a encore déclaré M. Voss. 

Dans le monde du sans fil, le développement de la 5G et de la 802.11 a suscité un intérêt pour l'extension de la technologie TSN (Time-Sensitive Networking) Ethernet au sans fil. C’est à l’Avnu Alliance que l‘on doit cette volonté de fusionner le sans fil et le TSN Ethernet. L’Alliance compte parmi ses membres plus de 95% des fournisseurs de silicium Ethernet, plus l'industrie automobile et les fournisseurs audiovisuels. On y trouve notamment Cisco, Intel, Bose, Bosch et Extreme. L’Avnu Alliance a défini les exigences en matière d'interopérabilité. Il fait aussi fonction d’autorité de certification, c’est-à-dire qu’elle accorde la certification pour les produits interopérables – dont le TSN. Mais elle ne procède pas elle-même aux essais physiques des produits. Ils sont effectués par un réseau de laboratoires enregistrés. Par exemple, le laboratoire d'interopérabilité de l'Université du New Hampshire fait partie des installations de test enregistrées auprès de l’Avnu Alliance. 

Réseaux sans fil sensibles au temps 

Le Time-Sensitive Networking (TSN) regroupe un ensemble de normes développées par le groupe de travail IEEE 802.1 TSN. « Il définit un nouvel ensemble de mécanismes permettant d'assurer la synchronisation temporelle et la ponctualité (livraison déterministe de données) des données sensibles au temps dans un réseau local partagé avec d'autres types d'applications de pointe », a déclaré Dave Cavalcanti, président du groupe de travail Wireless TSN Workgroup de l'Avnu Alliance et ingénieur principal chez Intel. Les normes TSN définissent de nouvelles fonctions pour les réseaux locaux basés sur la norme 802, comme la mise en forme du trafic, la préemption des trames, l'ordonnancement du trafic, le contrôle des entrées et la redondance transparente. Quand toutes les parties d'un réseau fonctionnent avec le même sens du temps de référence, le trafic peut être coordonné sur la base d'une planification en temps réel. Cette méthode permet de mieux contrôler la latence pour le trafic à temps critique. « Ces nouvelles fonctionnalités offrent une toute nouvelle couche de contrôle pour la gestion du trafic sur Ethernet », a déclaré M. Cavalcanti. Selon lui, les normes IEEE 802.1 TSN ont connu une forte croissance au cours des trois à cinq dernières années, en particulier sur le marché industriel. 

Les communications sans fil utilisant le TSN permettent non seulement la mobilité, mais elles sont également flexibles et réduisent les coûts de câblage. « Les capacités du TSN sur un réseau sans fil peuvent par exemple permettre aux fabricants de reconfigurer facilement les systèmes d'automatisation et de contrôle industriels, mais aussi d'optimiser le routage et l’usage des robots mobiles et des véhicules à guidage automatique », a expliqué M. Cavalcanti. Le système d'automatisation industrielle et les robots mobiles sont des cas d’usage importants, car le sans fil est fondamental pour la mobilité, la flexibilité et la reconfigurabilité des tâches et des itinéraires. « Les systèmes de réseau électrique sont un autre cas d’usage intéressant du TSN sur un réseau sans fil, car ces systèmes couvrent des zones très diverses, depuis des zones locales (des sous-stations, par exemple) jusqu’à des zones plus larges (distribution et transmission). « Les systèmes de contrôle industriels pourraient également exploiter la connectivité sans fil, mais ils devront bénéficier du plus haut niveau de déterminisme et de fiabilité et s'appuyer exclusivement sur une programmation en fonction du temps (IEEE 802.1Qbv) sur des liaisons sans fil », a déclaré M. Cavalcanti.