時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)支持工業(yè)控制

確定性是工業(yè)連接設(shè)計中的一個重要因素。工業(yè)控制和自動化應(yīng)用需要以特定時間間隔發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這些應(yīng)用程序還要求以有限的低延遲保證數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)丟失（例如，在關(guān)鍵任務(wù)噴氣推進(jìn)系統(tǒng)的情況下）可能會導(dǎo)致危險的后果。

IEEE 802.1 以太網(wǎng)是一種廣泛部署的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計目的并不是為了滿足工業(yè)應(yīng)用的這些確定性要求。為實現(xiàn)確定性，工業(yè)連接器、電纜和控制器中仍使用以太網(wǎng)的專有增強(qiáng)功能（如 EtherCAT、PROFINET 或 SERCOS III）。結(jié)果是支離破碎的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。由于缺乏安全性和互操作性，分段網(wǎng)絡(luò)成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和工業(yè) 4.0 應(yīng)用集成的瓶頸。

作為 IEEE 802.1 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 正面解決了這些問題。除了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的優(yōu)勢之外，TSN 還可以提供具有有限低延遲和抖動的確定性。這提供了融合企業(yè)和工廠連接的路線圖。這也是工業(yè)公司采用 IIoT 的一個令人信服的理由。

時間敏感的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

在過去幾年中，IEEE 的 TSN 任務(wù)組為現(xiàn)有 802.1 標(biāo)準(zhǔn)添加了一系列擴(kuò)展，以支持?jǐn)?shù)據(jù)包傳輸，同時遵守同一互連企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上對時間敏感的流量的嚴(yán)格延遲和吞吐量要求。延遲和吞吐量是可配置的，以適應(yīng)特定的用例。

這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了在時間敏感和盡力而為的流量之間分配時間的準(zhǔn)則。定義了八個 VLAN 優(yōu)先級以區(qū)分各種流量類型。每個端到端數(shù)據(jù)包流都分配了八個 VLAN 優(yōu)先級之一。最高 VLAN 優(yōu)先級通常分配給時間敏感的流量。

例如，在車輛中，安全（例如，車道偏離警告）和發(fā)動機(jī)正時相關(guān)數(shù)據(jù)需要保證延遲。對于導(dǎo)航和信息娛樂流量，要求要寬松得多。TSN 在此類用例中很有用，因為它可以在不影響時序要求的情況下通過同一以太網(wǎng)電纜組合所有流。這減少了為各種交通類型在車輛中安裝多條電纜的成本、重量和勞動力。

圖 1顯示了為 TSN 增強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)套件。圖表中突出顯示了 TSN 在時間同步、計劃交付和軟件定義配置方面的關(guān)鍵能力標(biāo)準(zhǔn)。

圖 1：為時間敏感網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的 IEEE 802.1 標(biāo)準(zhǔn)套件（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，這有助于在通信設(shè)備之間建立通用的時間概念。IEEE 1588 精確時間協(xié)議 (PTP) 標(biāo)準(zhǔn)用于在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和交換機(jī)之間分發(fā)準(zhǔn)確的定時參考。IEEE 1588ASrev 為 TSN 提供 IEEE 1588 配置文件。該標(biāo)準(zhǔn)還允許使用外部參考（例如 GPS）來同步時間。TSN 的試點(diǎn)測試報告時間同步精度低于 100 納秒。

交通調(diào)度

IEEE 802.1Qbv 定義了一種時間感知整形器，有助于確定 TSN 基礎(chǔ)設(shè)施中流量的優(yōu)先級。時間感知整形器將數(shù)據(jù)交換分成固定長度、重復(fù)的時間周期。同行同意 TSN 通信將這些周期劃分為時隙。每個時隙都可以分配給八個 VLAN 優(yōu)先級中的一個或多個。

TSN 定義了三種流量類型：

預(yù)定流量：預(yù)定流量示例包括需要有限延遲和零擁塞損失的工業(yè)自動化和控制流量。

盡力而為流量：盡力而為流量由沒有特定服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 要求的一般以太網(wǎng)流量組成。

預(yù)留流量：預(yù)留流量類型由分配在具有指定帶寬預(yù)留的不同時隙中的幀組成。

網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)概念來自動設(shè)置和配置設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。同行提前就時序、調(diào)度和 QoS 指標(biāo)的 TSN 配置達(dá)成一致。然后在各種 TSN 端點(diǎn)和交換機(jī)上提供這些配置。自動化簡化了配置和管理，并提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可擴(kuò)展性。

構(gòu)建支持 TSN 的工業(yè)產(chǎn)品

TSN 主要與 Purdue 控制層次結(jié)構(gòu)中的 0、1、2 級工業(yè)控制和自動化產(chǎn)品相關(guān)。因此，TSN 增強(qiáng)功能適用于目前使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或其專有變體之一的各種控制器、I/O 設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器。通常更堅固的工業(yè)電纜和連接器可能也需要與 TSN 一起發(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(wǎng)交換機(jī)和支持 TSN 的端點(diǎn)。但 TSN 也是為向后兼容而設(shè)計的。任何以太網(wǎng)設(shè)備都應(yīng)該在 TSN 網(wǎng)絡(luò)中正常工作。棕地場景需要支持 TSN 的協(xié)議轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)關(guān)。

TSN 對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的增強(qiáng)位于 TCP/IP 堆棧的第 2 層。因此，更高層的通信標(biāo)準(zhǔn)不受這些增強(qiáng)的影響。許多框架和應(yīng)用層協(xié)議，如 OPC-UA 也正在采用 TSN。

主要的工業(yè)、嵌入式和汽車供應(yīng)商齊聚一堂，為各種行業(yè)用例定義 TSN 要求，并將 TSN 概念擴(kuò)展到無線網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)論

時間敏感型網(wǎng)絡(luò)是對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的一種很有前途的演進(jìn)，因為它將 IIoT 的優(yōu)勢擴(kuò)展到緊密環(huán)路的工業(yè)控制域。TSN作為一項新興技術(shù)，目前還在各個孵化試驗臺進(jìn)行大量試點(diǎn)測試。然而，距離符合 TSN 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品成為常態(tài)可能不會太遠(yuǎn)。

關(guān)鍵點(diǎn)：

IEEE 802.1 以太網(wǎng)無法為工業(yè)應(yīng)用提供確定性性能。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)是具有確定性功能的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的演變。

支持 TSN 的產(chǎn)品支持使用基于開放標(biāo)準(zhǔn)的 IP/以太網(wǎng)技術(shù)升級工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

審核編輯：湯梓紅