為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)“筑路”

今天，我們這個(gè)世界的運(yùn)行對于“數(shù)據(jù)”的依賴越來越強(qiáng)。數(shù)據(jù)不僅僅為我們的行動(dòng)提供參考依據(jù)，有時(shí)還會(huì)直接參與決策，向機(jī)器發(fā)出指令，而且這樣的場景正在滲透進(jìn)一些更為“關(guān)鍵”的領(lǐng)域，比如工業(yè)制造。

所謂“要想富，先修路”，現(xiàn)實(shí)世界中交通的改善會(huì)提高人流、物流等生產(chǎn)要素的流通效率，進(jìn)而提振整個(gè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展。同樣的道理，在虛擬的數(shù)字世界也適用——我們只有為數(shù)據(jù)的流通提供一個(gè)高效的網(wǎng)絡(luò)，才能釋放出其巨大的能量。可不幸的是，這樣的網(wǎng)絡(luò)，在以往的工業(yè)領(lǐng)域并不那么暢通。

為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)“筑路”

為工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交互“筑路”的想法，其實(shí)早已有之。上個(gè)世紀(jì)70年代，隨著可編程邏輯控制器（PLC）和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行分布式控制逐漸成為剛需，由此催生了工業(yè)現(xiàn)場總線，將以往彼此孤立的設(shè)備聯(lián)通起來。正如每個(gè)技術(shù)在發(fā)展初期都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)叢生的“戰(zhàn)國”時(shí)代，工業(yè)現(xiàn)場總線也不例外，而且由于工業(yè)領(lǐng)域獨(dú)特的“垂直化”的生態(tài)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致這些標(biāo)準(zhǔn)直至今日也沒能統(tǒng)一起來，這也使得數(shù)據(jù)的流通被局限在了有限的范圍內(nèi)，對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和彼此之間的數(shù)據(jù)共享非常不利。

這種標(biāo)準(zhǔn)林立、彼此割據(jù)帶來的“痛點(diǎn)”，隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，也變得越來越“痛”。于是，在21世紀(jì)初，人們推出了“工業(yè)以太網(wǎng)”。顧名思義，工業(yè)以太網(wǎng)就是將“統(tǒng)一”了IT領(lǐng)域的以太網(wǎng)架構(gòu)，引入到工業(yè)領(lǐng)域，統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介質(zhì)，也以此為契機(jī)實(shí)現(xiàn)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層上標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。

這個(gè)理想看上去很美，但是需要注意的是，工業(yè)以太網(wǎng)前面仍然被冠以“工業(yè)”二字，這是因?yàn)槠渑c傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)是不同的。標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)采用的是載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）的機(jī)制，當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)生沖突時(shí)，必須延遲一定時(shí)間后重發(fā)報(bào)文，如遇到網(wǎng)絡(luò)擁堵，有的報(bào)文可能長時(shí)間無法發(fā)送出去。所以從本質(zhì)上講，以太網(wǎng)是一個(gè)對時(shí)間不敏感、不確定性的網(wǎng)絡(luò)。而工業(yè)自動(dòng)化控制，優(yōu)先考慮的就是實(shí)時(shí)性，以確保數(shù)據(jù)報(bào)文的準(zhǔn)時(shí)送達(dá)。為了適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用中這樣的要求，就需要對標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)進(jìn)行“改造”，在其基礎(chǔ)上修改或增加了一些特定的協(xié)議以保證實(shí)時(shí)性和確定性，讓其成為一個(gè)確定性的網(wǎng)絡(luò)，這就形成了所謂的工業(yè)以太網(wǎng)。

但各個(gè)廠商在對同一個(gè)以太網(wǎng)進(jìn)行改造時(shí)的思路和方法不盡相同，這就造成了同樣叫“工業(yè)以太網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上是無法真正實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作的，為了讓數(shù)據(jù)在這些“子”網(wǎng)絡(luò)間流通，人們不得不增加額外的網(wǎng)關(guān)。這就好比是大家都修了同樣的“路”，但是不同路網(wǎng)上的交通規(guī)則卻是不同的，想在這樣的路網(wǎng)之間順暢無障礙地奔馳，并不容易。

與此同時(shí)，更大的一個(gè)挑戰(zhàn)在于，工業(yè)4.0等智能制造概念的提出，需要與之相配的網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)支持不同類型的數(shù)據(jù)流通，無論是制造現(xiàn)場控制所需的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，還是生產(chǎn)管理與優(yōu)化所需的非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，都需要在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行集中和處理，對于一些全局優(yōu)化的工作可以不通過傳統(tǒng)層級(jí)的控制器，而直接連通邊緣側(cè)和云端。也就是說，一個(gè)理想的工業(yè)應(yīng)用中的以太網(wǎng)架構(gòu)，應(yīng)該是既能滿足OT（運(yùn)營技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性控制要求，又能支持IT（信息技術(shù)）領(lǐng)域大吞吐量數(shù)據(jù)傳輸需要的融合性的網(wǎng)絡(luò)，這樣才能將工業(yè)生產(chǎn)全流程的數(shù)據(jù)匯聚起來，不留信息死角。 實(shí)現(xiàn)這樣的理想，必須對我們所熟悉的以太網(wǎng)來一次深度的改造，打造一個(gè)滿足制造業(yè)要求，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議規(guī)范，同時(shí)這也是擺脫不同總線標(biāo)準(zhǔn)之間互通互操作性方面的障礙的唯一出路。TSN（Time Sensitive Network，時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)）由此誕生了。

邁向TSN之路

雖然今天我們探討最多的是TSN在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，但實(shí)際上它緣起于一個(gè)音視頻領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。為了有效解決音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)膯栴}， IEEE 802.1工作組于2006年成立AVB音頻視頻橋接任務(wù)組，并取得了卓有成效的進(jìn)展。很快人們就意識(shí)到，AVB的一系列研究成果，與解決以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間確定性問題之間，有很多共通之處。于是在2012年，AVB任務(wù)組擴(kuò)大了時(shí)間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并將任務(wù)組名稱改為“TSN任務(wù)組”。

TSN需要應(yīng)對的挑戰(zhàn)，主要有三個(gè)方面：時(shí)間同步、調(diào)度和流量整形，以及通信路徑的選擇、預(yù)留和容錯(cuò)。 ?時(shí)間同步：此舉是為網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)共同的時(shí)間參考，提供彼此同步的時(shí)鐘，也是為端到端的傳輸延遲提供一個(gè)協(xié)商的基準(zhǔn)。 ?調(diào)度和流量整形：允許在同一網(wǎng)絡(luò)上共存不同優(yōu)先級(jí)的流量類別，每個(gè)類別對可用帶寬和端到端延遲都有不同的要求，由此實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)流量類型的同網(wǎng)傳輸。 ?通信路徑的選擇，預(yù)留和容錯(cuò)：定義所有參與實(shí)時(shí)通信的設(shè)備在選擇通信路徑、預(yù)留帶寬和時(shí)隙方面需要遵循相同的規(guī)則，使其可以利用多條路徑來實(shí)現(xiàn)故障排除，確保網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。 經(jīng)過多年的發(fā)展，TSN已經(jīng)在IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)框架下，定義出了一系列的“子標(biāo)準(zhǔn)”，形成了一套完整的協(xié)議，為以太網(wǎng)協(xié)議的MAC層提供通用處理機(jī)制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的時(shí)間確定性（實(shí)時(shí)性）的同時(shí)，也讓不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互操作成為了可能性。

表1：TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（資料來源：網(wǎng)絡(luò)）

當(dāng)然，從標(biāo)準(zhǔn)的制訂到行業(yè)普遍接受、大范圍的商用，還需要一個(gè)漫長的過程，對于工業(yè)制造業(yè)這種行事縝密的領(lǐng)域，人們考慮權(quán)衡的因素就更多了。因此，圍繞著TSN整個(gè)生態(tài)體系的搭建，人們的努力一直沒有停止，各個(gè)技術(shù)供應(yīng)商都從不同層面，為TSN最終的落地提供著支持，積聚著能量。

圖1，安富利的TSN HW Eval Kit（圖源：安富利） 比如，安富利就為開發(fā)者提供了一個(gè)時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)硬件評(píng)估套件（TSN HW Eval Kit）。這是一個(gè)利用現(xiàn)有的Xilinx和安富利的硬件資源搭建的TSN平臺(tái)，開發(fā)者可以利用它實(shí)現(xiàn)TSN的原型開發(fā)和驗(yàn)證，為最終的方案實(shí)現(xiàn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2：基于安富利TSN HW Eval Kit的TSN系統(tǒng)框圖（圖源：安富利） 總之，工業(yè)4.0以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的興起，讓人們踏上了一條對以太網(wǎng)進(jìn)行深度“魔改”之路，作為這次“魔改”成果的TSN正在前面向我們招手，現(xiàn)在是時(shí)候加快腳步，向著這個(gè)目標(biāo)沖刺了。