工业4.0时代需要的是怎样的网络

以太网在计算机与自动化网络领域中同样是一种可靠的有线传输方案。这种开放的协议标准允许终端能够快速便捷地连接，并且能够快捷地在相对便宜的硬件设备中交换数据。然而，以太网最初的设计并不是为了满足自动化技术的要求，尤其是在保证实时性通信方面。因此，自动化中各种总线系统在顶层设计实现专有的实时性协议时，对以太网的物理层进行了创新。这些系统通常会导致网络基础架构的独占使用以及对供应商的依赖性。

目前，对于时效性和非时效性网络数据，一般都是分开单独来处理的，以消除相互的负面干扰。在未来，工业4.0应用将需要越来越通用的以太网网络，如果用传统的方法来实现满足上述功能需求的通用以太网网络，付出的代价会非常大，因此，时效性网络旨在提出一种方案来解决现有的问题。

实时通信

对时间周期以及周期的波动性的严格控制，包括传输过程中的控制和输送技术领域，是自动化领域一系列应用中的先决条件。这些应用领域所需的数据传输时间明显小于1 ms，除了这些需要“硬”实时功能的应用之外，其他应用（如过程自动化）可在较长的时间周期中实现“软”实时功能，不过，这些应用也需要严格的时序控制。各种实时通信方法，如EtherCat（以太网控制自动化技术）或Profinet 技术中的IRT，都是专门为严格控制时间序列而开发的。虽然它们都是基于传统的以太网技术来开发的，但它们彼此不兼容，这种不兼容性导致了网络碎片化。

为什么选择时效性网络？

在大多数情况下，包括自动化行业（如制造业）在内的传统以太网网络的工作是基于将信息技术（IT）与运营技术（OT）分开的高级自动化金字塔。信息技术（IT）包括典型的终端设备（如打印机和个人计算机）的经典办公通信场景。运营技术（OT）是由系统、机器和软件组成的，用于处理过程控制和自动化的技术。这两个领域从根本上决定了它们通信方式的不同，信息技术（IT）依赖于带宽，而运营技术（OT）则更聚焦于实用性（如图1所示）。因此，信息技术（IT）层面的数据流通常被标记为非关键类别，而数据流在OT层面被特指为（时间）关键类别。最终，每个层级的数据流都有一个特定的通信标准。虽然具有TCP / IP协议的以太网总线系统在IT领域上占了绝对的主导地位，但各种需要保证延迟时间满足特定需求的总线系统（比如现场总线系统）也广泛应用于运营技术（OT）领域。因此，每个供应商通常都会推广一个特定的现场总线系统。对于用户来说，这意味着选择控制器基本上也就决定了总线的规格。因此，终端用户通常的选择通常受制于制造商，因为不同的总线系统彼此间不兼容。

最初，信息技术（IT）与运营技术（OT）之间几乎没有任何联系。今天，数据的连续传输是数字化时代所有形态和以及规模的企业所必备基本需求。持续稳定的通信对于云端的数据获取，远程访问或设备连接等要求的满足至关重要。未来将更加重视普世的以及协议统一的网络。在工业4.0以及物联网（IOT）背景下描述或者已经实施的基于建立灵活，智能制造的工业互联网的计划已经进入了一个重组的阶段。包括组件，设备以及工厂在内的智能制造环节之间互相进行不间断地数据共享，以便于用自动化地方式优化智能制造地各个环节。同时，这些变化也已经对建立的自动化模型产生了深远的影响。

图1 自动化领域金字塔转换架构

由于整合的优势，传统的自动化领域正在转型为一个广义上的网络，这些网络能够直接和更高级别的传感器直接连接与控制。现场和控制层面的分离正在逐渐消解，因此一个统一的并且相互关联的网络至关重要，这个网络中的关键数据流可以与非关键数据流同时传输并且不会产生影响彼此的消极反应。因此，现有的以太网必须要做出相应的改变以适应现在的网络需求。旨在通过共享以太网基础设施实现融合关键和非关键数据流的以太网子标准目前正在制定和改进的过程中。

时效性网络相比于传统以太网的优势包括：（1）保证整个网络中实时关键数据的延迟时间；（2）通过融合网络能够将关键和非关键数据流同时传输；（3）更高级的协议层可以共享通用网络基础设施；（4）在运营技术（OT）领域之外也能够实时进行控制；（5）不依赖于供应商。

什么是时效性网络？

时效性网络是在IEEE 802.1 TSN任务组中一系列以太网子标准定义组成的。TSN通过扩展和调整现有的以太网标准，致力于实现在信息技术（IT）和工业运行技术（OT）之间的融合。

时效性网络技术旨在对开放式系统互连（Open System Interconnection）第二层协议进行规范化与标准化，以便不同的协议可以在相同的基础架构上运行。这项技术的难点在于如何配置关键和非关键数据流，使其既不影响实时性，也不影响性能。

核心要素

所有网络设备都具有相同的参考时钟，这是必不可少的先决条件。网络中所有交换机和终端都必须是时间同步的。通过有选择地使用两种不同的方法来改善这些功能（如表1所列）。

表1 时效性网络标准一览

除了通用的IEEE 1588规范之外，时效性网络任务组还采用了一个特殊的配置文件，规定了IEEE 1588与IEEE 802.1Q结合使用的规范。这个配置文件的目的是将不需要1588-2008标准全部功能的协议加速应用到具体场景中。由于这个配置文件不能满足所有自动化要求，因此需要重新设计，现在经过改进的标准被称为IEEE 802.1AS-rev。

第二个核心功能是利用融合网络处理关键和非关键数据流的传输。关键数据流必须保证在预定时间内传输，而非关键数据流通常优先级较低。根据IEEE 802.1Q已经建立的8个数据流类别用来考虑各种数据流的优先级。但是，服务质量（QoS）的标准定义并不能实现关键和非关键数据流的并行传输。由于以太网交换机中的缓冲机制，尽管传输路径中的数据流有最高优先级，低优先级以太网数据仍然可能导致延迟，因此，我们引入新的优先权机制来改善和调节之前模式存在的问题。另外，数据形式可以根据应用的需求来重新塑造或者改善调度机制，下面具体阐述其中的两种机制。

IEEE 802.1Qav — 基于可信因子的整形算法

该标准定义了一种数据流算法，该算法对于满足实时要求的数据流的优先级比最高优先级的数据流优先级更高。基于可信因子的整形算法（CBS）由IEEE 802.1工作组于2009年开发，用于时效性网络（TSN）音频/视频桥接（AVB）的预研技术。整形器给数据流分配置信因子，只要可信因子保持在置信区间范围内，就发送具有保留带宽的数据包。在传输过程中，可信因子在不断消耗，直至下降到置信区间之外，才停止数据包的发送。一旦在传输过程中可信因子降至置信区间之外，则相邻的最优级别的数据包将会接替传输任务。如果这种方法对具有保留带宽的数据包的传输产生了延迟，则可以相应地增加可信因子的值来实现在最优级别的数据包发送完成后，能够连续发送最高优先级的以太网数据帧。

IEEE 802.1Qbv — 时间感知调度系统

调度系统的最基本功能是创建相等的离散时间片（时间周期），这些时间片段或时隙用来分配给不同类别的数据。时间感知形成器为不同类别的数据流提供了一个固定的时间表，以实现对网络中数据流的预开始和到达时间的估计。这种策略使得系统遵守定义的传输时间的同时，同步多个数据流的功能实现成为可能。由于调度系统需要保持同步，因此所有网络参与者都知道何时以及哪个优先级的数据包将被传输与处理。

除了时间同步和各种数据流整形和调度机制之外，其他子标准已经或正在制定中，这些不同的标准更像是一系列差异化的解决方案，而不是一个一体化解决方案。通过不同的模块组合来满足某些应用场景的要求，从而可以使时效性网络（TSN）适应每个特定的应用场景。

弗劳恩霍夫光子微系统研究所（IPMS）的IP核目前已实现IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qav和实时媒体访问控制（MAC）的功能。

基于FPGA的TSN_IP核

由于时效性网络功能的广泛性，可以通过可编程门阵列（FPGA）实现系统功能的集成，与和许多功能确定的集成电路（IC）相比，FPGA可以通过灵活的编程实现系统功能的变化，配置逻辑门阵列（门阵列）可以实现复杂的数字功能。FPGA与IC相比，其优势包括如下：•开发成本显着降低；•系统功能实现的时间更短；•灵活的可扩展性和可编程性。

由于某些时效性网络（TSN）的标准目前仍在修订和制定中，因此可扩展性和可重复编程性仍然是功能实现的关键因素。

总结和展望

通过不同的方法实现对不同实时性要求的功能。时效性网络（TSN）为满足这些要求奠定了坚实的基础，同时也为实现各种延迟、抖动和可靠性要求提供了较大的动态范围。虽然标准制定过程尚未完成，各种标准的实施仍在进行中，但核心功能已经可以集成到产品中，并且可以通过相应的IP核服务支持后续的功能完善或升级。当基础设施内的所有组件和设备都兼容时效性网络（TSN）时，时效性网络（TSN）将充分发挥其潜力。许多工业设备和交换器制造商正在努力制造与时效性网络（TSN）兼容的产品。在 “接插集会”期间，所有制造商的产品都需要经过符合标准的互操作性测试，弗劳恩霍夫光子微系统研究所（IPMS）目前正在工业互联网联盟（IIC）和工业4.0网络实验室（LNI）插头测试中测试自己的TSN_CTRL IP核功能。