解析時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) TSN

    時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN：Time Sensitive Networking ）指的是IEEE802.1工作組中的TSN任務(wù)組正在開發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保以太網(wǎng)能夠?yàn)殛P(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)定一致的服務(wù)級(jí)別。

TSN標(biāo)準(zhǔn)之誕生

    眾所周知，通用以太網(wǎng)是以非同步方式工作的，網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備都可以隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間上既不精準(zhǔn)也不確定；同時(shí)，廣播數(shù)據(jù)或視頻等大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸，也會(huì)因網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而導(dǎo)致通訊的延遲甚至癱瘓。因此，通用以太網(wǎng)技術(shù)僅僅是解決了許多設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)連接的問(wèn)題，但卻并沒(méi)有很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間實(shí)時(shí)、確定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

    出于對(duì)設(shè)備控制性能的要求，工業(yè)制造領(lǐng)域比較早地意識(shí)到了這一點(diǎn)，于是從上世紀(jì)末開始，業(yè)內(nèi)多家協(xié)議組織（如：PI、ODVA、ETG、ESPG）分別基于原有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開發(fā)出各自的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，并將其應(yīng)用到工業(yè)制造現(xiàn)場(chǎng)。

    不過(guò)，我們真的很難將這些所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議稱為“標(biāo)準(zhǔn)”。盡管它們普遍有著相似的用戶需求和細(xì)分市場(chǎng)，但實(shí)際上相互之間的生態(tài)系統(tǒng)卻有著極大的差異。它們中大多會(huì)通過(guò)一個(gè)組織運(yùn)營(yíng)，而在其身后則有著來(lái)自市場(chǎng)中某個(gè)主流玩家的引導(dǎo)和資助。用戶和制造商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、診斷，維護(hù)和使用過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都需要面臨不同的技術(shù)方案，例如：芯片、主板、連接器、線纜、軟件等等，這無(wú)疑會(huì)帶來(lái)技術(shù)實(shí)施的復(fù)雜性和成本的增加。

    另外，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程的推進(jìn)，工業(yè)制造系統(tǒng)正在變得越來(lái)越龐大，各類設(shè)備間的互聯(lián)互通也開始變得越來(lái)越重要，這幾乎將成為智能制造成功的關(guān)鍵。然而多種以太網(wǎng)協(xié)議的并存卻恰恰成了這其中的一個(gè)巨大障礙。因?yàn)槲覀冋娴暮茈y想象在制造業(yè)現(xiàn)場(chǎng)從信息、控制、傳感和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等各個(gè)層面會(huì)只使用來(lái)自某一家/或一個(gè)組織的產(chǎn)品系統(tǒng)和解決方案，而與此同時(shí)這些總線系統(tǒng)之間卻基本談不上有什么兼容性和互操作性。

    所以，在工業(yè)制造領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)一直迫切需要有一種具備時(shí)間確定性的通用以太網(wǎng)技術(shù)。然而事實(shí)上，這樣的需求，卻不僅僅是來(lái)自于工業(yè)制造行業(yè)。比如在音頻視頻領(lǐng)域或汽車行業(yè)，多通道數(shù)據(jù)的同步傳輸也需要有一種可靠的、具備時(shí)間確定性的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，以幫助簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)中的線路敷設(shè)。

    2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務(wù)組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)膯?wèn)題。這一點(diǎn)立刻受到來(lái)自汽車和工業(yè)等領(lǐng)域人士的關(guān)注。2012年，AVB任務(wù)組在其章程中擴(kuò)大了時(shí)間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時(shí)將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的：TSN任務(wù)組。

    所以，TSN其實(shí)指的是在IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)框架下，基于特定應(yīng)用需求制定的一組“子標(biāo)準(zhǔn)”，旨在為以太網(wǎng)協(xié)議建立“通用”的時(shí)間敏感機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間確定性，如圖1所示。而既然是隸屬于IEEE802.1下的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，TSN就僅僅是關(guān)于以太網(wǎng)通訊協(xié)議模型中的第二層，也就是數(shù)據(jù)鏈路層（更確切的說(shuō)是MAC層）的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。請(qǐng)注意，是一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而不是一種協(xié)議，就是說(shuō)TSN將會(huì)為以太網(wǎng)協(xié)議的MAC層提供一套通用的時(shí)間敏感機(jī)制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時(shí)間確定性的同時(shí)，為不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互操作提供了可能性。

TSN標(biāo)準(zhǔn)之技術(shù)內(nèi)容

    TSN標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的技術(shù)內(nèi)容非常多，在協(xié)議實(shí)施時(shí)并非每一種都要用到，如圖2所示。而在這其中對(duì)于工業(yè)制造領(lǐng)域來(lái)說(shuō)比較重要的部分主要包括幾個(gè)方面：

    ●802.1ASrev時(shí)鐘同步，確保連接在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，并達(dá)到微秒級(jí)的精度誤差；

    ●802.1Qbv時(shí)間感知調(diào)度程序，為優(yōu)先級(jí)較高的時(shí)間敏感型關(guān)鍵數(shù)據(jù)分配特定的時(shí)間槽，并且在規(guī)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都必須優(yōu)先確保重要數(shù)據(jù)幀的通過(guò)；

    ●802.1Qcc網(wǎng)絡(luò)管理和配置，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置，以滿足設(shè)備節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)需求的各種變化；

   ●...

    在TSN標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中，IEEE負(fù)責(zé)在802架構(gòu)體系中的網(wǎng)間互操作、安全性和整體網(wǎng)絡(luò)管理等方面的標(biāo)準(zhǔn)制定和應(yīng)用推薦，目前他們正在落實(shí)完成剩余的TSN子標(biāo)準(zhǔn)。除此以外，還有很多獨(dú)立的第三方組織也參與到了TSN標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試、推廣、產(chǎn)品認(rèn)證等各項(xiàng)工作中，例如：AVNU和IIC。

    AVNU組織，為各種使用開放標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用方案中的時(shí)間精確性和低延遲特性部分提供認(rèn)證服務(wù)，以確保其滿足TSN網(wǎng)絡(luò)元素的合規(guī)性和互操作性要求。目前他們已經(jīng)完成了運(yùn)營(yíng)理念的論證，并已經(jīng)在2017年開始了設(shè)備的認(rèn)證工作。

    IIC工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟整合了相關(guān)組織和技術(shù)資源，一方面為組織成員提供測(cè)試平臺(tái)，另一方面則幫助推進(jìn)TSN標(biāo)準(zhǔn)在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

    目前有很多來(lái)自各行業(yè)的產(chǎn)品和服務(wù)供應(yīng)商都已經(jīng)加入到了該組織中。2017下半年以來(lái)，尤其是在SPSIPCDrive期間，不少?gòu)S商開始就其產(chǎn)品在TSN技術(shù)上的進(jìn)展發(fā)表聲明，甚至直接演示或發(fā)布了一些有關(guān)TSN技術(shù)的產(chǎn)品和解決方案。例如：

    ●EtherCAT組織發(fā)表了關(guān)于TSN技術(shù)的白皮書；

    ●Beckhoff發(fā)布了其首款TSN橋接通訊模塊EK1000；

    ●NI發(fā)布了多款集成TSN技術(shù)的控制器，如：CompactDAQ、CompactRIO...等；

    ●PI組織宣布將會(huì)在新的ProfiNet協(xié)議中使用TSN技術(shù)，并計(jì)劃在2019年中發(fā)布該協(xié)議或相關(guān)產(chǎn)品；

    ●SERCOS在SPSIPCDrive上展示了由TSN交換機(jī)橋接組成的Rexroth運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；

    ●SIEMENS已經(jīng)確定會(huì)在今年的漢諾威展上演示基于TSN的OPCUAPub/Sub技術(shù)在控制層（如機(jī)器人）上的應(yīng)用；

    ●包括ADI、瑞薩、TI等在內(nèi)的芯片廠商，和包括華為、CISCO、BELDEN等在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商，都在不同場(chǎng)合演示說(shuō)明了目前TSN的發(fā)展?fàn)顩r以及各自在該技術(shù)上的能力；

    ●...

    目測(cè)2018年還會(huì)有更多有關(guān)TSN技術(shù)和產(chǎn)品的更新。

    值得一提的是，除了上述這些TSN技術(shù)相關(guān)組織外，一些制造業(yè)的自動(dòng)化產(chǎn)品廠商（如：B&R）還在去年成立了一個(gè)叫做OPCUATSNShaper的會(huì)議組織，旨在共同推廣基于TSN的OPCUA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

    這并不難理解，因?yàn)槿缜八觯琓SN僅僅是為以太網(wǎng)提供了一套MAC層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它解決的是網(wǎng)絡(luò)通訊中數(shù)據(jù)傳輸及獲取的可靠性和確定性的問(wèn)題；而如果要真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的互操作，還需要有一套通用的數(shù)據(jù)解析機(jī)制，這就是OPCUA，如圖3所示。

    綜上所述，TSN技術(shù)為所有工業(yè)以太網(wǎng)在協(xié)議第二層（MAC層）提供了相互聯(lián)通/融合的機(jī)會(huì)，它有能力在協(xié)議第2層提供網(wǎng)絡(luò)間的互操作性，從而幫助實(shí)現(xiàn)真正意義上的網(wǎng)絡(luò)融合；TSN可以應(yīng)用于現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如：PROFINET、EtherNet/IP，SERCOS、POWERLINK等，以幫助其獲得：更廣泛、優(yōu)質(zhì)的硬件支持；協(xié)議第2層互通融合的實(shí)時(shí)通訊模型；網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，實(shí)現(xiàn)千兆（甚至更高帶寬）以太網(wǎng)等。