時間敏感網絡（ TSN：Time Sensitive Networking ）指的是 IEEE 802.1 工作組中的 TSN 任務組正在開發(fā)的一套協議標準。該標準定義了以太網數據傳輸的時間敏感機制，為標準以太網增加了確定性和可靠性，以確保以太網能夠為關鍵數據的傳輸提供穩(wěn)定一致的服務級別。

 

 

我們知道，通用以太網是以非同步方式工作的，網絡中任何設備都可以隨時發(fā)送數據，因此在數據的傳輸時間上既不精準也不確定；同時，廣播數據或視頻等大規(guī)模數據的傳輸，也會因網絡負載的增加而導致通訊的延遲甚至癱瘓。因此通用以太網技術僅僅是解決了許多設備共享網絡基礎設施和數據連接的問題，但卻并沒有很好的實現設備之間實時、確定和可靠的數據傳輸。

 

 

HMS 發(fā)布的最新工業(yè)網絡市場報告顯示

工業(yè)以太網份額首次超過現場總線

 

出于對設備控制性能的要求，工業(yè)制造領域比較早的意識到了這一點，于是從上世紀末開始，業(yè)內多家協議組織（如：PI、ODVA、ETG、ESPG）分別基于原有的現場總線技術開發(fā)出各自的實時工業(yè)以太網協議，并將其應用到工業(yè)制造現場。

 

 

不過，我們真的很難將這些所謂的工業(yè)以太網協議稱為“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，這無疑會帶來技術實施的復雜性和成本的增加。

 

 

另外，隨著工業(yè)互聯網進程的推進，工業(yè)制造系統正在變得越來越龐大，各類設備間的互聯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。然而多種以太網協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)現場從信息、控制、傳感和執(zhí)行機構...等各個層面會只使用來自某一家/或一個組織的產品系統和解決方案，而與此同時這些總線系統之間卻基本上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技術。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)，多通道數據的同步傳輸也需要有一種可靠的、具備時間確定性的網絡通訊技術，以幫助簡化復雜系統中的線路敷設。

 

 

2006 年，IEEE 802.1 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絡中數據實時同步傳輸的問題。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的應用需求和適用范圍，并同時將任務組名稱改為現在的：TSN 任務組。

 

 

所以，TSN 其實指的是在 IEEE 802.1 標準框架下，基于特定應用需求制定的一組“子標準”，旨在為以太網協議建立“通用”的時間敏感機制，以確保網絡數據傳輸的時間確定性。而既然是隸屬于 IEEE 802.1 下的協議標準，TSN 就僅僅是關于以太網通訊協議模型中的第二層，也就是數據鏈路層（更確切的說是 MAC 層）的協議標準。請注意，是一套協議標準，而不是一種協議，就是說 TSN 將會為以太網協議的 MAC 層提供一套通用的時間敏感機制，在確保以太網數據通訊的時間確定性的同時，為不同協議網絡之間的互操作提供了可能性。

 

 

TSN 標準中涉及到的技術內容非常多，在協議實施時并非每一種都需要用到。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以下幾個方面：

802.1 ASrev 時鐘同步

確保連接在網絡中各個設備節(jié)點的時鐘同步，并達到微秒級的精度誤差；

802.1 Qbv 時間感知調度程序

時間感知調度程序會為優(yōu)先級較高的時間敏感型關鍵數據分配特定的時間槽，并且在規(guī)定的時間節(jié)點，網絡中所有節(jié)點都必須優(yōu)先確保重要數據幀的通過；

802.1 Qcc 網絡管理和配置

用于實現對網絡參數的動態(tài)配置，以滿足設備節(jié)點和數據需求的各種變化；

...

 

 

在 TSN 標準的制定過程中，IEEE 負責在 802 架構體系中的網間互操作、安全性和整體網絡管理...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 網絡元素的合規(guī)性和互操作性要求。

 

目前他們已經完成了運營理念的論證，并已經在 2017 年開始了設備的認證工作。

 

IIC 的 TSN 測試板

IIC 工業(yè)互聯網聯盟，整合了相關組織和技術資源，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)的產品和服務供應商都已經加入到了該組織中。

 

2017 下半年以來，尤其是在 SPS IPC Drive 期間，不少廠商開始就其產品在 TSN 技術上的進展發(fā)表聲明，甚至直接演示或發(fā)布了一些有關 TSN 技術的產品和解決方案。例如：

 

 

EtherCAT 組織發(fā)表了關于 TSN 技術的白皮書；

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 技術的控制器，如：CompactDAQ、CompactRIO...等；

PI 組織宣布將會在新的 ProfiNet 協議中使用 TSN 技術，并計劃在 2019 年中發(fā)布該協議或相關產品；

 

 

SERCOS 在 SPS IPC Drive 上展示了由 TSN 交換機橋接組成的 Rexroth 運動控制系統；

SIEMENS 已經確定會在今年的漢諾威展上演示基于 TSN 的 OPC UA Pub/Sub 技術在控制層（如機器人）上的應用；

包括 ADI、瑞薩、TI ... 等在內的芯片廠商，和包括華為、CISCO、BELDEN ... 等在內的網絡設備提供商，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上的能力；

...

 

目測 2018 年還會有更多有關 TSN 技術和產品的更新。

 

 

值得一提的是，除了上述這些 TSN 技術相關組織外，一些制造業(yè)的自動化產品廠商（如：B&R）還在去年成立了一個叫做 OPC UA TSN Shaper 的會議組織，旨在共同推廣基于 TSN 的 OPC UA 協議標準。

 

 

這并不難理解，因為如前所述，TSN 僅僅是為以太網提供了一套 MAC 層的協議標準，它解決的是網絡通訊中數據傳輸及獲取的可靠性和確定性的問題；而如果要真正實現網絡間的互操作，還需要有一套通用的數據解析機制，這就是 OPC UA。

 

 

總的來說：

TSN 技術為所有工業(yè)以太網在協議第二層（MAC 層）提供了相互聯通/融合的機會...

它有能力在協議第 2 層提供網絡間的互操作性，從而幫助實現真正意義上的網絡融合；

TSN 可以應用于現有的工業(yè)以太網協議，如：PROFINET、EtherNet/IP，SERCOS、POWERLINK...等，以幫助其獲得：

更廣泛、優(yōu)質的硬件支持

協議第 2 層互通融合的實時通訊模型

網絡帶寬的提升，實現千兆（甚至更高帶寬）以太網