誰(shuí)能讓工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“一網(wǎng)到底”？TSN表示“我能行”

以太網(wǎng)在20世紀(jì)80年代早期被引入到辦公室，那時(shí)由于其高達(dá)10Mb/s的吞吐量而廣受業(yè)界歡迎。但在接下來(lái)的工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域，以太網(wǎng)卻遇到了三個(gè)方面的挑戰(zhàn)，即：實(shí)時(shí)性、標(biāo)準(zhǔn)化和可靠性。

最關(guān)鍵的是，為了滿足自動(dòng)化的實(shí)時(shí)要求，工業(yè)應(yīng)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(shí)間存儲(chǔ)的幀數(shù)多于網(wǎng)橋緩沖存儲(chǔ)器可以容納的幀數(shù)，以太網(wǎng)還可以隨時(shí)丟棄幀。另外，由于幀長(zhǎng)不同，網(wǎng)絡(luò)還會(huì)出現(xiàn)延遲抖動(dòng)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和工業(yè)4.0的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)著工業(yè)自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)朝著更具互操作性、靈活性和無(wú)縫性方向發(fā)展。今天，市場(chǎng)上有多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，被普遍采用的實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上修改或增加了一些特定的協(xié)議以保證實(shí)時(shí)性和確定性。但是由于這些都是非標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，在易用性、互操作性、帶寬和設(shè)備成本上均存在不足。

那么，究竟有沒(méi)有一種通信標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)一網(wǎng)到底，同時(shí)實(shí)時(shí)性足夠高呢?

01 應(yīng)運(yùn)而生的TSN

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN-time sensetive networking)就是為了滿足工業(yè)實(shí)時(shí)通信的需求，在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)內(nèi)提供“確定性”而開(kāi)發(fā)的一組IEEE 802.1和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，位于EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層，旨在通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)解決控制系統(tǒng)的最新需求。通過(guò)將時(shí)間關(guān)鍵型和盡力而為的數(shù)據(jù)集中到標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中，TSN節(jié)省了成本并改進(jìn)了互操作性。

圖1：具有TSN功能的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(圖源：網(wǎng)絡(luò))

02 TSN的六大亮點(diǎn)

顧名思義，TSN是一種注重“時(shí)間”的技術(shù)。開(kāi)發(fā)TSN就是為了提供一種方法來(lái)確保信息能夠在“確定的”時(shí)間內(nèi)從A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)。TSN的出現(xiàn)是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展演進(jìn)的過(guò)程，從本質(zhì)上說(shuō)，它為以太網(wǎng)增加了更大的“確定性”。這也是TSN能在市場(chǎng)上脫穎而出的重要原因。

亮點(diǎn)1標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，它與以前的以太網(wǎng)具有向上兼容性和硬實(shí)時(shí)能力。通過(guò)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(luò)中的分布式時(shí)鐘。這一特點(diǎn)是TSN相對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)的壓倒性優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)與任何組織或公司無(wú)關(guān)。對(duì)于一個(gè)多年來(lái)一直在與多種不兼容的專有通信協(xié)議作斗爭(zhēng)的工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)，TSN帶來(lái)的好處無(wú)需贅述。

亮點(diǎn)2可擴(kuò)展性

與以前的工業(yè)以太網(wǎng)相比，TSN另一突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是它的可擴(kuò)展性。TSN沒(méi)有針對(duì)特定的傳輸速率進(jìn)行定義，使用者可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x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(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可以減輕負(fù)責(zé)設(shè)置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)人員的工作負(fù)擔(dān)。

亮點(diǎn)3延遲

對(duì)于工業(yè)通信應(yīng)用，保證延遲是至關(guān)重要的。有了TSN，不同的流量等級(jí)可以在網(wǎng)絡(luò)上共存，而不會(huì)對(duì)來(lái)自低優(yōu)先級(jí)的流量產(chǎn)生影響。也就是說(shuō)，TSN允許關(guān)鍵消息與其他低等級(jí)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(diǎn)4安全性增強(qiáng)

由于TSN使用的是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，因此已經(jīng)部署在IT網(wǎng)絡(luò)中的安全機(jī)制可以應(yīng)用于使用TSN的網(wǎng)絡(luò)控制，從而以較低的成本確保了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

亮點(diǎn)5實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合

TSN使以前出于操作完整性、實(shí)時(shí)性能、安全性等原因而分開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)得以融合，打破了關(guān)鍵系統(tǒng)和非關(guān)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(jié)合，因?yàn)門(mén)SN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(diǎn)6實(shí)施成本低

通過(guò)在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上聚合不同的流量等級(jí)，可以顯著降低系統(tǒng)的總體成本。硬件和維護(hù)成本因網(wǎng)絡(luò)所需設(shè)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(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的年度研究表明，從新安裝節(jié)點(diǎn)來(lái)看，預(yù)計(jì)2020年工業(yè)以太網(wǎng)的市場(chǎng)份額將增加到64%(去年為59%)，而現(xiàn)場(chǎng)總線的市場(chǎng)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(wú)線互聯(lián)技術(shù)占有6%的市場(chǎng)份額，其中WLAN仍是最受歡迎的技術(shù)，其次是藍(lán)牙。

圖2：HMS Networks預(yù)估2020工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)份額(圖源：HMS)

綜合來(lái)看，大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(jìn)一步推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，增加穩(wěn)定性，提高性能，使TSN變得更加強(qiáng)大。目前，參與商業(yè)應(yīng)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(kāi)發(fā)專為惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)的TSN交換機(jī)、芯片、軟件平臺(tái)等。

思科公司所有型號(hào)的IE-4000都支持TSN，從Cisco IOS軟件版本15.2(5)E2開(kāi)始，TSN功能可用。IE-4000作為一個(gè)TSN橋運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了ieee802.1Qbv和ieee802.1AS功能，支持通過(guò)其以太網(wǎng)接口的數(shù)百個(gè)TSN流。

2017年NI就推出了兩款多時(shí)隙以太網(wǎng)機(jī)箱，在cDAQ-9185和cDAQ-9189中采用基于時(shí)間同步的最新以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，提供與TSN的緊密時(shí)間同步，以簡(jiǎn)化和改善同步分布式系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

2018年TI推出了業(yè)界首款多協(xié)議千兆位時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)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(jí)可靠性。通過(guò)支持特定子系統(tǒng)中TSN標(biāo)準(zhǔn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)上融合以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流量。此功能對(duì)于工業(yè)4.0應(yīng)用中的實(shí)時(shí)通信至關(guān)重要，并且可在工廠中實(shí)現(xiàn)軟件可重新配置的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)。

圖3：NXP LS1021A TSN參考設(shè)計(jì)板卡(圖源：NXP)

恩智浦(NXP)LS1021A TSN參考設(shè)計(jì)平臺(tái)包括QorIQ Layerscape LS1021A工業(yè)應(yīng)用處理器和SJA1105T TSN交換機(jī)。LS1021ATSN由帶有Xenomai實(shí)時(shí)Linux的工業(yè)Linux SDK支持，它提供了在SJA1105T上配置TSN的實(shí)用程序，開(kāi)發(fā)人員可基于該平臺(tái)進(jìn)行快速設(shè)計(jì)。

ADI Chronous是一系列領(lǐng)先的終端到企業(yè)工業(yè)以太網(wǎng)連接解決方案，專門(mén)為加速實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0而設(shè)計(jì)，適用于苛刻的時(shí)間關(guān)鍵型環(huán)境。

隨著網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)向TSN，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段將出現(xiàn)多種挑戰(zhàn)。但有一點(diǎn)是肯定的，即現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會(huì)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(duì)TSN表示了支持，這使得逐步過(guò)渡到TSN成為可能。