TSN對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)伸出的時(shí)間援手

在IIoT和工業(yè)4.0的推動(dòng)下，TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）已經(jīng)不算是一個(gè)新技術(shù)了，但仍在關(guān)鍵的發(fā)展階段。作為IEEE定義的一大以太網(wǎng)擴(kuò)展，TSN可以說為工業(yè)場(chǎng)景中的以太網(wǎng)賦予了新的生機(jī)。這是以太網(wǎng)作為一種傳統(tǒng)的“BestEffort”網(wǎng)絡(luò)，在某些時(shí)間敏感的應(yīng)用上開始有些不夠看了，難以滿足實(shí)時(shí)性上的要求。

再加上工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景中以太網(wǎng)增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的混亂，安全性和互操作性缺失，不利于打造一個(gè)互聯(lián)的IIoT。而TSN通過對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間同步、流量調(diào)度和互操作性等方面的優(yōu)化，提高提高了工業(yè)以太網(wǎng)的整體質(zhì)量，做到了極低的延遲和抖動(dòng)。

與OPC-UA的結(jié)合

即便TSN為工業(yè)自動(dòng)化帶來了穩(wěn)健的通信方案，但仍存在一些限制和缺陷，比如困擾工業(yè)用戶多年的頑疾，控制器與控制器通信之間的多廠商互操作性，這個(gè)問題在網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中尤其明顯。但如今業(yè)界已經(jīng)意識(shí)到這個(gè)問題，云服務(wù)廠商、OPC基金會(huì)和主要自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商紛紛達(dá)成共識(shí)，開始推行OPC-UA OverTSN這種基于物聯(lián)網(wǎng)機(jī)制的高層工業(yè)通信協(xié)議來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

OPC-UA TSN首批支持廠商 / OPC Foundation

OPC-UA是一種完全開放的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，在OPC-UA OverTSN網(wǎng)絡(luò)的支持下，TSN依然可以解決工業(yè)通信中數(shù)據(jù)傳輸和可靠性、確定性的問題，而OPC-UA則提供了一套通用的數(shù)據(jù)解析機(jī)制，確保多供應(yīng)商的方案之間可以做到互相通信，真正做到一個(gè)獨(dú)立于廠商、低延遲、高魯棒性的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。

5G與TSN的集成

在現(xiàn)代與未來工業(yè)通信場(chǎng)景中，除了至關(guān)重要的有線網(wǎng)絡(luò)外，無線網(wǎng)絡(luò)同樣不可缺少。尤其是5G這樣的移動(dòng)通信技術(shù)。我們提到5G時(shí)，腦海中浮現(xiàn)的特色有大帶寬、低延遲和高可靠性等，而這些特色對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化中的不少移動(dòng)應(yīng)用都能使用，比如機(jī)器人和AGV控制、5G PLC等等。

再加上URLLC（超可靠低延遲通信）是5G定義的三大場(chǎng)景之一，5G進(jìn)入工業(yè)市場(chǎng)可以說是理所當(dāng)然的一件事，而5G與TSN的交集也由此誕生。3GPP在R16中制定了對(duì)TSN的5G支持，并在R17做了進(jìn)一步的增強(qiáng)，以求實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)與TSN網(wǎng)絡(luò)的無縫集成。一個(gè)成功集成5G的TSN網(wǎng)絡(luò)，不僅可以提供不受線纜限制的設(shè)備接入，又能做到低延遲、低抖動(dòng)、高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

LAN9668 TSN以太網(wǎng)交換機(jī)芯片 / Microchip

盡管5G與TSN集成的愿景很美好，但還是存在一些潛在的實(shí)現(xiàn)問題。比如要做到低延遲、低抖動(dòng)，5G網(wǎng)絡(luò)必須在部署上下大功夫，因?yàn)闊o線傳輸一向容易被環(huán)境影響，難以對(duì)延遲做出保證。此外就是5G與TSN網(wǎng)絡(luò)之間的時(shí)間同步，目前兩者采用的都是不同的時(shí)間同步機(jī)制，要想真正集成的話，就必須做好時(shí)間同步上的協(xié)調(diào)，這也是目前主要的研究方向之一。

TSN向其他市場(chǎng)的延展

近幾年內(nèi)，汽車市場(chǎng)朝自動(dòng)駕駛的的過渡可以說改變了整個(gè)行業(yè)，自動(dòng)駕駛作為一種便利化技術(shù)，可以節(jié)省駕駛員不少時(shí)間。然而，自動(dòng)駕駛同樣是一個(gè)講究安全、可靠性與性能的技術(shù)，在車身內(nèi)處理器、傳感器等半導(dǎo)體元件越來越多的前提下，汽車的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)同樣需要重新設(shè)計(jì)。

Quartz2 TSN以太網(wǎng)交換機(jī)芯片 / 博通

在汽車這般重要的通信與控制設(shè)備中，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免通信中斷等情況的發(fā)生，通常都會(huì)準(zhǔn)備冗余網(wǎng)絡(luò)方案。為此傳統(tǒng)的CAN和LIN等總線技術(shù)率先被刷下，留下FlexRay和以太網(wǎng)。然而上文中我們也已經(jīng)提到了自動(dòng)駕駛的等級(jí)提升下，傳感器越來越多，處理器的算力也越來越大，速率和帶寬要求會(huì)進(jìn)一步提高。如今的以太網(wǎng)方案已經(jīng)面向千兆網(wǎng)絡(luò)，也因此成了構(gòu)建汽車冗余網(wǎng)絡(luò)方案的首選。

以太網(wǎng)中常見的有IEEE 802.1D、IEEE 802.1w和ITU G.8032。然而，這些方案在延遲上并不算優(yōu)秀，如果發(fā)生故障轉(zhuǎn)移通常需要50毫秒以上的時(shí)間，對(duì)于高速行駛的汽車來說，這50毫秒的時(shí)間就是生與死的區(qū)別，所以還是得TSN出馬。汽車與工業(yè)自動(dòng)化雙雙驅(qū)動(dòng)下，相信TSN很快就能為這兩大傳統(tǒng)場(chǎng)景普及到穩(wěn)健的以太網(wǎng)絡(luò)。