時間敏感網(wǎng)絡（TSN：Time Sensitive Networking ）指的是IEEE802.1工作組中的TSN任務組正在開發(fā)的一套協(xié)議標準。該標準定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制，為標準以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保以太網(wǎng)能夠為關鍵數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)定一致的服務級別。

TSN標準之誕生

    眾所周知，通用以太網(wǎng)是以非同步方式工作的，網(wǎng)絡中任何設備都可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)的傳輸時間上既不精準也不確定；同時，廣播數(shù)據(jù)或視頻等大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸，也會因網(wǎng)絡負載的增加而導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備共享網(wǎng)絡基礎設施和數(shù)據(jù)連接的問題，但卻并沒有很好的實現(xiàn)設備之間實時、確定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

    出于對設備控制性能的要求，工業(yè)制造領域比較早地意識到了這一點，于是從上世紀末開始，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)場總線技術(shù)開發(fā)出各自的實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，并將其應用到工業(yè)制造現(xiàn)場。

    不過，我們真的很難將這些所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議稱為“標準”。盡管它們普遍有著相似的用戶需求和細分市場，但實際上相互之間的生態(tài)系統(tǒng)卻有著極大的差異。它們中大多會通過一個組織運營，而在其身后則有著來自市場中某個主流玩家的引導和資助。用戶和制造商在產(chǎn)品設計、制造、運行、診斷，維護和使用過程中的每個環(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，這無疑會帶來技術(shù)實施的復雜性和成本的增加。

    另外，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進程的推進，工業(yè)制造系統(tǒng)正在變得越來越龐大，各類設備間的互聯(lián)互通也開始變得越來越重要，這幾乎將成為智能制造成功的關鍵。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巨大障礙。因為我們真的很難想象在制造業(yè)現(xiàn)場從信息、控制、傳感和執(zhí)行機構(gòu)等各個層面會只使用來自某一家/或一個組織的產(chǎn)品系統(tǒng)和解決方案，而與此同時這些總線系統(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)制造領域長期以來一直迫切需要有一種具備時間確定性的通用以太網(wǎng)技術(shù)。然而事實上，這樣的需求，卻不僅僅是來自于工業(yè)制造行業(yè)。比如在音頻視頻領域或汽車行業(yè)，多通道數(shù)據(jù)的同步傳輸也需要有一種可靠的、具備時間確定性的網(wǎng)絡通訊技術(shù)，以幫助簡化復雜系統(tǒng)中的線路敷設。

    2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}。這一點立刻受到來自汽車和工業(yè)等領域人士的關注。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網(wǎng)的應用需求和適用范圍，并同時將任務組名稱改為現(xiàn)在的：TSN任務組。

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

TSN標準之技術(shù)內(nèi)容

    TSN標準中涉及到的技術(shù)內(nèi)容非常多，在協(xié)議實施時并非每一種都要用到，如圖2所示。而在這其中對于工業(yè)制造領域來說比較重要的部分主要包括幾個方面：

    ●802.1ASrev時鐘同步，確保連接在網(wǎng)絡中各個設備節(jié)點的時鐘同步，并達到微秒級的精度誤差；

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

    ●802.1Qcc網(wǎng)絡管理和配置，用于實現(xiàn)對網(wǎng)絡參數(shù)的動態(tài)配置，以滿足設備節(jié)點和數(shù)據(jù)需求的各種變化；

   ●...

    在TSN標準的制定過程中，IEEE負責在802架構(gòu)體系中的網(wǎng)間互操作、安全性和整體網(wǎng)絡管理等方面的標準制定和應用推薦，目前他們正在落實完成剩余的TSN子標準。除此以外，還有很多獨立的第三方組織也參與到了TSN標準的測試、推廣、產(chǎn)品認證等各項工作中，例如：AVNU和IIC。

    AVNU組織，為各種使用開放標準的應用方案中的時間精確性和低延遲特性部分提供認證服務，以確保其滿足TSN網(wǎng)絡元素的合規(guī)性和互操作性要求。目前他們已經(jīng)完成了運營理念的論證，并已經(jīng)在2017年開始了設備的認證工作。

    IIC工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟整合了相關組織和技術(shù)資源，一方面為組織成員提供測試平臺，另一方面則幫助推進TSN標準在各行業(yè)領域的應用。

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

    ●EtherCAT組織發(fā)表了關于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組織宣布將會在新的ProfiNet協(xié)議中使用TSN技術(shù)，并計劃在2019年中發(fā)布該協(xié)議或相關產(chǎn)品；

    ●SERCOS在SPSIPCDrive上展示了由TSN交換機橋接組成的Rexroth運動控制系統(tǒng)；

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

    ●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)絡設備提供商，都在不同場合演示說明了目前TSN的發(fā)展狀況以及各自在該技術(shù)上的能力；

    ●...

    目測2018年還會有更多有關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)相關組織外，一些制造業(yè)的自動化產(chǎn)品廠商（如：B&R）還在去年成立了一個叫做OPCUATSNShaper的會議組織，旨在共同推廣基于TSN的OPCUA協(xié)議標準。

    這并不難理解，因為如前所述，TSN僅僅是為以太網(wǎng)提供了一套MAC層的協(xié)議標準，它解決的是網(wǎng)絡通訊中數(shù)據(jù)傳輸及獲取的可靠性和確定性的問題；而如果要真正實現(xiàn)網(wǎng)絡間的互操作，還需要有一套通用的數(shù)據(jù)解析機制，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/融合的機會，它有能力在協(xié)議第2層提供網(wǎng)絡間的互操作性，從而幫助實現(xiàn)真正意義上的網(wǎng)絡融合；TSN可以應用于現(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層互通融合的實時通訊模型；網(wǎng)絡帶寬的提升，實現(xiàn)千兆（甚至更高帶寬）以太網(wǎng)等。