虹科干貨 | 在工業(yè)4.0階段，如何利用TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)打造數(shù)字化工廠？（1）

Time Sensitive Networking

數(shù)字化工廠對(duì)通信的互操作性和簡單性要求更高，而TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）則是專門為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的新一代以太網(wǎng)技術(shù)。雖然TSN的引入需要根據(jù)不同的行業(yè)領(lǐng)域逐步進(jìn)行，但在一些諸如鐵路、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域，正在采用TSN作為其新平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)IT/OT網(wǎng)絡(luò)。目前，虹科的TSN IP核、TSN板卡、TSN交換機(jī)等多種TSN解決方案已嵌入到工業(yè)部門的終端設(shè)備、TSN測試設(shè)備和鐵路系統(tǒng)中。

Part 1

推進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)OT/IT的融合

在工業(yè)自動(dòng)化和數(shù)字化深入發(fā)展的工業(yè)3.0階段，生產(chǎn)和管理之間相互關(guān)聯(lián)的金字塔形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被重新定義。如圖1所示，在金字塔的底層，生產(chǎn)通常由定義輸入和輸出邏輯的PLC控制。在更高的層面上，SCADA 和工業(yè) MES 生產(chǎn)管理軟件從底層的媒介工具接收信息。在金字塔的最高點(diǎn)，ERP類全方面資源管理軟件將用于規(guī)劃企業(yè)的整體業(yè)務(wù)操作。

圖1工業(yè)3.0階段的金字塔示意圖

數(shù)字化進(jìn)程的演變基于對(duì) "數(shù)據(jù) "的大量使用，并旨在通過對(duì)產(chǎn)品和生產(chǎn)的全面了解，獲得更大的生產(chǎn)力。這種正全球推進(jìn)的行業(yè)數(shù)字化正迫使運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)（Operational Technologies - OT）和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Information Technologies - IT）通過網(wǎng)關(guān)技術(shù)互連。在 OT 和 IT 兩個(gè)世界中部署的技術(shù)通常完全不同，并且通常不可互操作。這種不匹配導(dǎo)致了大量異構(gòu)設(shè)備的出現(xiàn)，這被稱為“棕色地帶（Brownfield）”。

然而，OT/IT的融合并沒有因此而停滯，相反，它提出了一種在鏈路層使用對(duì)OT/IT兩個(gè)世界都有效的通信技術(shù)解決方案。通過這種方式，在同質(zhì)工廠中實(shí)現(xiàn)全對(duì)全數(shù)據(jù)交換拓?fù)涫强尚械?。如圖2所示，在底部靠近生產(chǎn)裝置附近放置了一個(gè)基于分布式控制的結(jié)構(gòu)，即基于一定的智能和通信能力的輸入/輸出單元。這種稱為 Field I/O 的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)大的計(jì)算和通信邊緣計(jì)算設(shè)備以及本地服務(wù)器連接構(gòu)成了本地云（Local Cloud）。

圖2 工業(yè)4.0階段的支柱示意圖

在這種情況下，傳統(tǒng)的基于層的通信和網(wǎng)絡(luò)安全計(jì)劃不再有效，包括在現(xiàn)場I/O中的單元將直接與應(yīng)用和服務(wù)進(jìn)行通信，因而需要一個(gè)單一的OT與IT互連網(wǎng)絡(luò)，即所謂的工廠主干網(wǎng)（Factory Backbone）。然而，要從理論走向?qū)嵺`，則需要一種有效的通信技術(shù)來支持 OT 流量的實(shí)時(shí)行為和 IT應(yīng)用程序所需的大帶寬。此外，它必須是安全的，甚至是可互操作的、標(biāo)準(zhǔn)化的和免許可的。而時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，則是成為這一需求的最佳方案。

Part 2

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN

自1983 年本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解決方案被標(biāo)準(zhǔn)化為以太網(wǎng)以來，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)便已經(jīng)從技術(shù)和應(yīng)用層面上得到了發(fā)展。雖然它最初的用途是面向本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，但以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到其他多個(gè)領(lǐng)域。事實(shí)上，它已成為現(xiàn)場總線的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并因在工業(yè)（Profinet、以太網(wǎng) IP、Ethercat、Sercos III 等）、電氣行業(yè)（IEC 61850的高可用性以太網(wǎng)）和汽車行業(yè)中的廣泛應(yīng)用而脫穎而出。

過去出現(xiàn)的多種基于以太網(wǎng)的方案解決了以太網(wǎng)在其原始版本中的一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)：缺乏實(shí)時(shí)通信支持。由于這些專有解決方案的應(yīng)用，OT中對(duì)確定性的要求已被滿足。然而，不同制造商的解決方案缺乏可解釋性，限制了最終用戶向獨(dú)特的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施自由演進(jìn)的能力。因此，市場需要具有確保長久使用且獨(dú)立于供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)解決方案。這樣的方案將顯著降低設(shè)備成本和維護(hù)工作量，并大大簡化數(shù)據(jù)分析服務(wù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、MES或ERP等工業(yè)軟件的集成工作。

從這個(gè)意義上說，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組定義的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)集在 IEEE 802 上提供確定性通信服務(wù)，而這組標(biāo)準(zhǔn)被稱為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN)。目前，原AVB工作組已更名為IEEE TSN 任務(wù)組，負(fù)責(zé)制定與TSN相關(guān)的所有標(biāo)準(zhǔn)。TSN技術(shù)的基礎(chǔ)是時(shí)間整形器（Time-Aware Shaper）。該機(jī)制旨在將以太網(wǎng)中的通信分為固定持續(xù)時(shí)間的重復(fù)循環(huán)，這些循環(huán)根據(jù)組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)允許的 TSN 配置分為臨時(shí)窗口，可以為每個(gè)時(shí)間窗口配置和分配八個(gè)可用的以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí)中的一個(gè)或多個(gè)。時(shí)間感知整形器的操作細(xì)節(jié)在 IEEE 802.1Qbv 標(biāo)準(zhǔn)中被定義。

考慮到這種區(qū)分能力，TSN定義了三種基本的流量類型：計(jì)劃流量、盡力而為流量和預(yù)留流量。計(jì)劃流量適用于硬實(shí)時(shí)消息，盡力而為流量是對(duì)任何其他服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)均不敏感的常規(guī)以太網(wǎng)流量，而分配給不同時(shí)間窗口且為每個(gè)優(yōu)先級(jí)類型設(shè)置了預(yù)留帶寬的消息被視為預(yù)留流量。這種特定的帶寬預(yù)留容量對(duì)于具有軟實(shí)時(shí)要求的信息（例如視頻流）非常有用。

圖3根據(jù) TSN 流量類型在時(shí)間窗口 (Slots) 中的分布

圖 3 顯示了 TSN 通信的基本時(shí)序圖。在圖3中，每個(gè)周期由 2 個(gè)插槽組成。計(jì)劃流量分配給第一個(gè)，而盡力而為流量和預(yù)留流量則在第二個(gè)中并存。典型配置中每個(gè)周期需要 8 個(gè)插槽，這為定義每個(gè)數(shù)據(jù)流的詳細(xì) QoS 參數(shù)提供了足夠的多功能性。