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時間敏感網(wǎng)絡(luò)是什么鬼？

2018/5/17 15:58:01 標(biāo)簽：中國傳動網(wǎng)

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（ TSN：Time Sensitive Networking ）指的是 IEEE 802.1 工作組中的 TSN 任務(wù)組正在開發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保以太網(wǎng)能夠為關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)定一致的服務(wù)級別。

我們知道，通用以太網(wǎng)是以非同步方式工作的，網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備都可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)的傳輸時間上既不精準(zhǔn)也不確定；同時，廣播數(shù)據(jù)或視頻等大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸，也會因網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而導(dǎo)致通訊的延遲甚至癱瘓。因此通用以太網(wǎng)技術(shù)僅僅是解決了許多設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)連接的問題，但卻并沒有很好的實現(xiàn)設(shè)備之間實時、確定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

HMS 發(fā)布的最新工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場報告顯示

工業(yè)以太網(wǎng)份額首次超過現(xiàn)場總線

出于對設(shè)備控制性能的要求，工業(yè)制造領(lǐng)域比較早的意識到了這一點，于是從上世紀(jì)末開始，業(yè)內(nèi)多家協(xié)議組織（如：PI、ODVA、ETG、ESPG）分別基于原有的現(xiàn)場總線技術(shù)開發(fā)出各自的實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，并將其應(yīng)用到工業(yè)制造現(xiàn)場。

不過，我們真的很難將這些所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議稱為“標(biāo)準(zhǔn)”。盡管它們普遍有著相似的用戶需求和細(xì)分市場，但實際上相互之間的生態(tài)系統(tǒng)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(dǎo)和資助。用戶和制造商在產(chǎn)品設(shè)計、制造、運行、診斷，維護(hù)和使用過程中的每個環(huán)節(jié)都需要面臨不同的技術(shù)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(shù)實施的復(fù)雜性和成本的增加。

另外，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程的推進(jìn)，工業(yè)制造系統(tǒng)正在變得越來越龐大，各類設(shè)備間的互聯(lián)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(guān)鍵。然而多種以太網(wǎng)協(xié)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(xiàn)場從信息、控制、傳感和執(zhí)行機(jī)構(gòu)...等各個層面會只使用來自某一家/或一個組織的產(chǎn)品系統(tǒng)和解決方案，而與此同時這些總線系統(tǒng)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(lǐng)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(wǎng)技術(shù)。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(lǐng)域或汽車行業(yè)，多通道數(shù)據(jù)的同步傳輸也需要有一種可靠的、具備時間確定性的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，以幫助簡化復(fù)雜系統(tǒng)中的線路敷設(shè)。

2006 年，IEEE 802.1 工作組成立 AVB 音頻視頻橋接任務(wù)組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}。這一點立刻受到來自汽車和工業(yè)等領(lǐng)域人士的關(guān)注。2012年，AVB 任務(wù)組在其章程中擴(kuò)大了時間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的：TSN 任務(wù)組。

所以，TSN 其實指的是在 IEEE 802.1 標(biāo)準(zhǔn)框架下，基于特定應(yīng)用需求制定的一組“子標(biāo)準(zhǔn)”，旨在為以太網(wǎng)協(xié)議建立“通用”的時間敏感機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性。而既然是隸屬于 IEEE 802.1 下的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，TSN 就僅僅是關(guān)于以太網(wǎng)通訊協(xié)議模型中的第二層，也就是數(shù)據(jù)鏈路層（更確切的說是 MAC 層）的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。請注意，是一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而不是一種協(xié)議，就是說 TSN 將會為以太網(wǎng)協(xié)議的 MAC 層提供一套通用的時間敏感機(jī)制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時間確定性的同時，為不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互操作提供了可能性。

TSN 標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的技術(shù)內(nèi)容非常多，在協(xié)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(lǐng)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(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備節(jié)點的時鐘同步，并達(dá)到微秒級的精度誤差；

802.1 Qbv 時間感知調(diào)度程序

時間感知調(diào)度程序會為優(yōu)先級較高的時間敏感型關(guān)鍵數(shù)據(jù)分配特定的時間槽，并且在規(guī)定的時間節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都必須優(yōu)先確保重要數(shù)據(jù)幀的通過；

802.1 Qcc 網(wǎng)絡(luò)管理和配置

用于實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的動態(tài)配置，以滿足設(shè)備節(jié)點和數(shù)據(jù)需求的各種變化；

...

在 TSN 標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，IEEE 負(fù)責(zé)在 802 架構(gòu)體系中的網(wǎng)間互操作、安全性和整體網(wǎng)絡(luò)管理...等方面的標(biāo)準(zhǔn)制定和應(yīng)用推薦，目前他們正在落實完成剩余的 TSN 子標(biāo)準(zhǔn)。

除此以外，還有很多獨立的第三方組織也參與到了 TSN 標(biāo)準(zhǔn)的測試、推廣、產(chǎn)品認(rèn)證...等各項工作中，例如：AVNU 和 IIC。

AVNU 組織，為各種使用開放標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用方案中的時間精確性和低延遲特性部分提供認(rèn)證服務(wù)，以確保其滿足 TSN 網(wǎng)絡(luò)元素的合規(guī)性和互操作性要求。

目前他們已經(jīng)完成了運營理念的論證，并已經(jīng)在 2017 年開始了設(shè)備的認(rèn)證工作。

IIC 的 TSN 測試板

IIC 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，整合了相關(guān)組織和技術(shù)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(jìn) TSN 標(biāo)準(zhǔn)在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前有很多來自各行業(yè)的產(chǎn)品和服務(wù)供應(yīng)商都已經(jīng)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(chǎn)品在 TSN 技術(shù)上的進(jìn)展發(fā)表聲明，甚至直接演示或發(fā)布了一些有關(guān) TSN 技術(shù)的產(chǎn)品和解決方案。例如：

EtherCAT 組織發(fā)表了關(guān)于 TSN 技術(shù)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(shù)的控制器，如：CompactDAQ、CompactRIO...等；

PI 組織宣布將會在新的 ProfiNet 協(xié)議中使用 TSN 技術(shù)，并計劃在 2019 年中發(fā)布該協(xié)議或相關(guān)產(chǎn)品；

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

SIEMENS 已經(jīng)確定會在今年的漢諾威展上演示基于 TSN 的 OPC UA Pub/Sub 技術(shù)在控制層（如機(jī)器人）上的應(yīng)用；

包括 ADI、瑞薩、TI ... 等在內(nèi)的芯片廠商，和包括華為、CISCO、BELDEN ... 等在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商，都在不同場合演示說明了目前 TSN 的發(fā)展?fàn)顩r以及各自在該技術(shù)上的能力；

...

目測 2018 年還會有更多有關(guān) TSN 技術(shù)和產(chǎn)品的更新。

值得一提的是，除了上述這些 TSN 技術(shù)相關(guān)組織外，一些制造業(yè)的自動化產(chǎn)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(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

這并不難理解，因為如前所述，TSN 僅僅是為以太網(wǎng)提供了一套 MAC 層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它解決的是網(wǎng)絡(luò)通訊中數(shù)據(jù)傳輸及獲取的可靠性和確定性的問題；而如果要真正實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的互操作，還需要有一套通用的數(shù)據(jù)解析機(jī)制，這就是 OPC UA。