確定性是工業(yè)連接設計中的一個重要考量因素。工業(yè)控制和自動化應用需要以特定的時間間隔發(fā)送和接收數(shù)據，另外還需要以非常低的延遲提供有保證的數(shù)據。數(shù)據丟失 (例如在關鍵的噴氣推進系統(tǒng)中) 會導致非常危險的后果。

IEEE 802.1 Ethernet是一種廣泛部署的企業(yè)網絡標準，其設計初衷并非為了滿足工業(yè)應用的這種確定性要求。為實現(xiàn)確定性，工業(yè)連接器、電纜和控制器中仍然使用以太網的專屬增強標準，如EtherCAT、PROFINET或SERCOS III，其結果是導致工業(yè)網絡的標準混亂，各個部分無法互相通信。由于缺乏安全性和互操作性，這種四分五裂的網絡在工業(yè)控制網絡與工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 和工業(yè)4.0應用集成的過程中就成為了瓶頸。

隨著IEEE 802.1 Ethernet標準的發(fā)展，時效性網絡 (TSN - Time-Sensitive Networking) 的出現(xiàn)終于解決了這個問題。除了具有標準以太網的優(yōu)點外，TSN還可以通過非常低的延遲和抖動來實現(xiàn)確定性。這就為聚合企業(yè)與工廠連接提供了可能性，也是工業(yè)企業(yè)接受IIoT的一個重要原因。

時效性網絡標準

在過去的幾年間，IEEE的TSN任務組為現(xiàn)有802.1標準增加了一系列擴展，以在傳輸數(shù)據包時嚴格遵守企業(yè)互聯(lián)網上時間敏感流量的延遲和吞吐量要求，將其配置為適合特定的使用情況。

這些標準規(guī)定了時間敏感型流量 (time-sensitive traffic) 和最大傳輸流量 (best-effort traffic) 的優(yōu)先級準則，為各種流量類型定義了八個VLAN優(yōu)先級。系統(tǒng)會為每個端到端數(shù)據包流分配這八個VLAN優(yōu)先級中的一個。最高VLAN優(yōu)先級通常分配給時間敏感型流量。

例如，汽車的安全數(shù)據 (如車道偏離警告) 和發(fā)動機定時相關數(shù)據需要有保證的低延遲。而對于導航和信息娛樂流量，這個要求就寬松得多。在這種情況下，TSN很有用，因為它可以在不違反時效要求的情況下，用一根以太網電纜傳輸所有數(shù)據流，減少在車上為各種流量類型安裝多條電纜的成本、重量和人力。

下圖顯示了針對TSN增強的標準套件。圖中列出了TSN的時間同步、按計劃交付和軟件定義配置等功能的關鍵能力標準。

針對時效性網絡增強的IEEE802.1標準套件 (資料來源：Practical Industrial Internet of Things Security)

時間同步

IEEE 802.1AS規(guī)定了TSN中的時間同步，這有助于建立通信設備之間通用的時間概念。IEEE 1588精確時間同步協(xié)議 (PTP - Precision Time Protocol) 標準用于在網絡中的設備和交換機之間分配精確的基準時間。IEEE 1588ASrev為TSN提供IEEE 1588配置文件。此標準還允許使用外部參考 (如GPS) 來同步時間。TSN的先導測試 (Pilot test) 報告其時間同步精度低于100納秒。

流量調度

IEEE 802.1Qbv定義了一個時間感知整形器 (Time Aware Shaper)，有助于對TSN基礎設施中的流量進行優(yōu)先級排序。時間感知整形器將數(shù)據交換分成多個循環(huán)重復的固定長度時間周期。通信各方同意TSN通信將這些周期劃分成多個時隙，每個時隙可以分配八個VLAN優(yōu)先級中的一個或多個。

TSN定義了三種流量類型：

網絡和系統(tǒng)配置

IEEE 802.1Qcc定義了TSN系統(tǒng)配置。TSN使用軟件定義的網絡概念來自動設置和配置各種設備及網絡裝置。通信各方預先同意TSN對定時、調度和QoS指標的配置，然后在不同的TSN端點和交換機之間應用這些配置。自動化簡化了網絡的調配和管理，并提高了網絡的可靠性和可擴展性。

打造支持TSN的工業(yè)產品

TSN主要與普渡 (Purdue) 控制層級中的0級、1級和2級工業(yè)控制及自動化產品相關。因此，TSN的增強功能適用于目前使用標準以太網或其某個專利版本的各種控制器、I/O設備、傳感器和執(zhí)行器。即使是通常更堅固的工業(yè)電纜和連接器，可能也需要隨著TSN的發(fā)展而發(fā)展。

TSN目前處于早期采用階段。為了最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，理想情況下，TSN需要新的以太網交換機和支持TSN的端點。但是，TSN也支持向后兼容，任何以太網設備應該都能在TSN網絡中正常工作。比較復雜的棕地場景需要支持TSN的協(xié)議轉換器和網關。

標準以太網的TSN增強位于TCP/IP協(xié)議棧的第2層。因此，更高層級的通信標準不受這些增強的影響。許多框架和應用層協(xié)議 (如OPC-UA) 也在采用TSN。

工業(yè)、嵌入式和汽車領域的主要供應商正齊聚一堂，為各種行業(yè)用例定義TSN要求，并將TSN概念擴展到無線網絡。

結論

時效性網絡是標準以太網的一個很有前途的發(fā)展方向，因為它可以將IIoT的優(yōu)勢擴展到循環(huán)時間比較短但頻率很高的工業(yè)控制領域。作為一種新興技術，TSN仍在各種孵化試驗臺上進行著大量的先導測試。不過，距離TSN產品遍地開花的日子應該也不遠了。

審核編輯：郭婷