以太網(wǎng)在20世紀80年代早期被引入到辦公室，那時由于其高達10Mb/s的吞吐量而廣受業(yè)界歡迎。但在接下來的工業(yè)控制自動化領域，以太網(wǎng)卻遇到了三個方面的挑戰(zhàn)，即：實時性、標準化和可靠性。

最關鍵的是，為了滿足自動化的實時要求，工業(yè)應用必須保證傳輸帶寬和傳輸延遲。傳統(tǒng)以太網(wǎng)則不能提供延遲和帶寬保證。相反，如果操作需要，在峰值時間存儲的幀數(shù)多于網(wǎng)橋緩沖存儲器可以容納的幀數(shù)，以太網(wǎng)還可以隨時丟棄幀。另外，由于幀長不同，網(wǎng)絡還會出現(xiàn)延遲抖動。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和工業(yè)4.0的出現(xiàn)，進一步推動著工業(yè)自動化體系結構朝著更具互操作性、靈活性和無縫性方向發(fā)展。今天，市場上有多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，被普遍采用的實時工業(yè)以太網(wǎng)主要有EtherCAT、PROFINET、POWERLINK、CC-Link等，這些協(xié)議都是在標準以太網(wǎng)的基礎上修改或增加了一些特定的協(xié)議以保證實時性和確定性。但是由于這些都是非標準以太網(wǎng)，在易用性、互操作性、帶寬和設備成本上均存在不足。

那么，究竟有沒有一種通信標準能夠?qū)崿F(xiàn)一網(wǎng)到底，同時實時性足夠高呢?

01 應運而生的TSN

時間敏感網(wǎng)絡(TSN-time sensetive networking)就是為了滿足工業(yè)實時通信的需求，在標準以太網(wǎng)內(nèi)提供“確定性”而開發(fā)的一組IEEE 802.1和IEEE 802.3標準，位于EtherNet/IP網(wǎng)絡體系結構中的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層，旨在通過標準以太網(wǎng)技術解決控制系統(tǒng)的最新需求。通過將時間關鍵型和盡力而為的數(shù)據(jù)集中到標準以太網(wǎng)中，TSN節(jié)省了成本并改進了互操作性。

圖1：具有TSN功能的EtherNet/IP網(wǎng)絡體系結構(圖源：網(wǎng)絡)

02 TSN的六大亮點

顧名思義，TSN是一種注重“時間”的技術。開發(fā)TSN就是為了提供一種方法來確保信息能夠在“確定的”時間內(nèi)從A點傳輸?shù)紹點。TSN的出現(xiàn)是以太網(wǎng)標準不斷發(fā)展演進的過程，從本質(zhì)上說，它為以太網(wǎng)增加了更大的“確定性”。這也是TSN能在市場上脫穎而出的重要原因。

亮點1標準化

TSN位于EtherNet/IP 7層模型中的第2層，是數(shù)據(jù)鏈路層的標準，它與以前的以太網(wǎng)具有向上兼容性和硬實時能力。通過802.1AS-rev，TSN還定義了一種可互操作的統(tǒng)一方法，用于同步網(wǎng)絡中的分布式時鐘。這一特點是TSN相對其他標準的壓倒性優(yōu)勢，因為該標準與任何組織或公司無關。對于一個多年來一直在與多種不兼容的專有通信協(xié)議作斗爭的工業(yè)自動化市場，TSN帶來的好處無需贅述。

亮點2可擴展性

與以前的工業(yè)以太網(wǎng)相比，TSN另一突出的技術優(yōu)勢就是它的可擴展性。TSN沒有針對特定的傳輸速率進行定義，使用者可根據(jù)網(wǎng)絡拓撲選擇合適的數(shù)據(jù)速率，100 Mb/s、1 Gb/s、10 Mb/s或5 Gb/s，這些都是可行的。由此還衍生出另一好處，即統(tǒng)一的網(wǎng)絡基礎設施可以減輕負責設置和維護網(wǎng)絡人員的工作負擔。

亮點3延遲

對于工業(yè)通信應用，保證延遲是至關重要的。有了TSN，不同的流量等級可以在網(wǎng)絡上共存，而不會對來自低優(yōu)先級的流量產(chǎn)生影響。也就是說，TSN允許關鍵消息與其他低等級的以太網(wǎng)流量在同一通信線路發(fā)送，而不受干擾或延遲。

亮點4安全性增強

由于TSN使用的是標準以太網(wǎng)，因此已經(jīng)部署在IT網(wǎng)絡中的安全機制可以應用于使用TSN的網(wǎng)絡控制，從而以較低的成本確保了網(wǎng)絡的安全性。

亮點5實現(xiàn)網(wǎng)絡融合

TSN使以前出于操作完整性、實時性能、安全性等原因而分開的網(wǎng)絡和系統(tǒng)得以融合，打破了關鍵系統(tǒng)和非關鍵系統(tǒng)之間的通信障礙，這也是IIoT和工業(yè)4.0的基本概念。此外，更高層協(xié)議可與TSN結合，因為TSN位于數(shù)據(jù)鏈路層，其中包括OPC-UA以及其他協(xié)議等。

亮點6實施成本低

通過在單個網(wǎng)絡基礎設施上聚合不同的流量等級，可以顯著降低系統(tǒng)的總體成本。硬件和維護成本因網(wǎng)絡所需設備和電纜數(shù)量減少而降低。

03 從傳統(tǒng)以太網(wǎng)邁向TSN

HMS Networks對工業(yè)網(wǎng)絡市場的年度研究表明，從新安裝節(jié)點來看，預計2020年工業(yè)以太網(wǎng)的市場份額將增加到64%(去年為59%)，而現(xiàn)場總線的市場份額將下降到30%(去年為35%)。從工業(yè)互聯(lián)角度看，EtherNet/IP和PROFINET居首，EtherCAT位居第三。無線互聯(lián)技術占有6%的市場份額，其中WLAN仍是最受歡迎的技術，其次是藍牙。

圖2：HMS Networks預估2020工業(yè)網(wǎng)絡市場份額(圖源：HMS)

綜合來看，大量的物聯(lián)網(wǎng)應用需求是近些年TSN火爆的重要原因。在IEEE，許多組織的代表正在共同努力以進一步推進標準的實施，增加穩(wěn)定性，提高性能，使TSN變得更加強大。目前，參與商業(yè)應用的公司有很多，比如思科、Broadcom、TTTech、NI、TI、NXP、ADI等，他們一直致力于開發(fā)專為惡劣環(huán)境設計的TSN交換機、芯片、軟件平臺等。

思科公司所有型號的IE-4000都支持TSN，從Cisco IOS軟件版本15.2(5)E2開始，TSN功能可用。IE-4000作為一個TSN橋運行，實現(xiàn)了ieee802.1Qbv和ieee802.1AS功能，支持通過其以太網(wǎng)接口的數(shù)百個TSN流。

2017年NI就推出了兩款多時隙以太網(wǎng)機箱，在cDAQ-9185和cDAQ-9189中采用基于時間同步的最新以太網(wǎng)標準，提供與TSN的緊密時間同步，以簡化和改善同步分布式系統(tǒng)的可擴展性。

2018年TI推出了業(yè)界首款多協(xié)議千兆位時間敏感網(wǎng)絡處理器系列產(chǎn)品。高度集成的Sitara AM6x處理器系列提供工業(yè)級可靠性。通過支持特定子系統(tǒng)中TSN標準和其他工業(yè)協(xié)議的千兆吞吐率，Sitara AM6x處理器可以在單個網(wǎng)絡上融合以太網(wǎng)和實時數(shù)據(jù)流量。此功能對于工業(yè)4.0應用中的實時通信至關重要，并且可在工廠中實現(xiàn)軟件可重新配置的網(wǎng)絡物理系統(tǒng)。

圖3：NXP LS1021A TSN參考設計板卡(圖源：NXP)

恩智浦(NXP)LS1021A TSN參考設計平臺包括QorIQ Layerscape LS1021A工業(yè)應用處理器和SJA1105T TSN交換機。LS1021ATSN由帶有Xenomai實時Linux的工業(yè)Linux SDK支持，它提供了在SJA1105T上配置TSN的實用程序，開發(fā)人員可基于該平臺進行快速設計。

ADI Chronous是一系列領先的終端到企業(yè)工業(yè)以太網(wǎng)連接解決方案，專門為加速實現(xiàn)工業(yè)4.0而設計，適用于苛刻的時間關鍵型環(huán)境。

隨著網(wǎng)絡從傳統(tǒng)現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)向TSN，設計和實現(xiàn)階段將出現(xiàn)多種挑戰(zhàn)。但有一點是肯定的，即現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會在一夜之間消失。相反，今天PROFINET、EtherCAT等廣泛使用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議均對TSN表示了支持，這使得逐步過渡到TSN成為可能。