TSN：从汽车AVB到工业物联网的途径

时间敏感网络(TSN)的持续发展已导致IEEE 802.1和IEEE 802.3标准发生重大更新。TSN本质上是一个确定性以太网扩展集，同时也是音频视频桥接(AVB)的后继者——最初设计用于支持专业音频和视频环境(如现场DJ演出)中的实时媒体流传输的IEEE项目。

但是，AVB引起了汽车制造商的注意，由此便播下了萌发TSN的种子。人们对未来汽车的先进性已期许良久，设想其将具备高速IP网络连接、智能自动驾驶员辅助/制动系统、信息娱乐门户、简化的内部线束以及更轻的总重量。推动这些特性实现的过程也为工业自动化行业带来了许多额外好处。

利用以太网创建一种融合的IEEE 802规范是消除各种障碍的最显而易见的解决方案。更具体而言，汽车行业可以使用确定性以太网来克服有限的车载带宽，而不需要求助繁杂的传统网络协议(例如FlexRay、LIN和MOST)来将汽车的各种系统连接在一起。

把上述句子中的车载部分及其对汽车专用协议的引用去掉，您就能大致感受到随着工业物联网(或工业4.0)日益受到关注，汽车行业所面临的挑战。

1.支持混合流量

以太网已被当作一种通用汽车网络，它可以简化车内不同的域架构。通过TSN，以太网在工业网络中可以发挥类似的作用，处理自动化和控制系统、电力设施、风力涡轮机、印刷机器中的混合流量1。

TSN擅长传输带时间戳的延迟敏感数据，无论同一网络上是否可能存在任何“尽力而为”流量。这对以太网来说至关重要，因为相比以前的仅承载实时数据而没有混杂多种协议的自动化网络，以太网的噪声要高得多。

TSN设计用于处理多种流量类型。

2.提供互操作能力

使用大批量生产的标准器件非常重要，尤其是在工业物联网(IIoT)中，原因是规模和成本这样的核心问题阻碍了当前很多网络方法。

依靠特殊的基于ASIC的工业以太网实现方案和/或传统现场总线(包括但不限于汽车所用的现场总线，例如CAN)，在扩展性或性价比方面要劣于仅仅依靠商业芯片的方案，后者还能支持常规HTTP接口、网络服务和诊断2。TSN有助于降低成本并为未来扩展打开方便之门。

3.确保严密同步

AVB演变为TSN是为了处理要求特别严苛的应用，例如高级驾驶辅助系统(ADAS) 3。ADAS需要多个系统协同工作才能解决制动距离与人类反应时间问题。

TSN有多种机制来确保类似环境(例如IIoT)下的确定性：

u 对精密时间协议的改进

u 任何数据流都有冗余路径可用

u 以较低的带宽通过以太网将服务质量融合到TSN上

(不影响实时保证)

u 保留带宽——这是从AVB继承过来的一个核心特性，用于确保确定性性能

4.提供足够的带宽

相对于传统串行现场总线，即从PROFIBUS®到Modbus®的一切，以太网有一个决定性优势，那就是它能为所有类型的应用提供更多的带宽。特别是在汽车中，CAN的有限数据速率和容量使其不适用于下一代车载应用，这就为以太网(以AVB的形式)打开了大门。

“机器视觉和3D扫描等应用需要大量带宽。”

对于控制系统中仍在使用的许多现场总线而言，情况也是如此。机器视觉和3D扫描等应用越来越重要，这些应用需要大量带宽，以太网上的TSN可以满足需求。

5.使网络基础设施更简单

TSN旨在提供一种统一且易用的实现确定性以太网的方法。它不依赖多种基础设施来处理不同类型的流量，一切都可以通过以太网传输。

AutomaTIon World的David Greenfield于2015年主持了一个播客节目，其中虽然没有专门提到TSN，但很好地介绍了以太网相对于现场总线的一般优势4。以太网POWERLINK®标准化组织的嘉宾Sari Germanos谈到了复杂应用(如上一节中提到的那些)如何突破传统网络架构的限制。

TSN形式的以太网已经在解决汽车中的这个问题。最近EE TImes的一篇文章讨论了如果不必支持传统技术，就可以重新安排车辆中的不同域架构。以太网将充当“连接各种应用域的骨干总线”，从而更好地利用带宽。对于工业物联网，它同样适用5。

NaTIonal Instruments的AVnu Alliance工业部门主席Todd Walter在Design World上发表的文章中称：“随着(工业)物联网的普及，数据量的增加和分布广泛的网络将需要新的标准来共享和传输关键信息2。正如救护车或消防车在紧急情况下拥有交通优先权一样，TSN标准可确保关键的时间敏感数据在标准网络基础设施上及时传输。”

TSN不再只是一个理想化项目，而是已成为被行业组织认证的广泛使用的标准。上面列出的几点表明它已拥有强大的技术基础。接下来要观察的是其测试和部署如何展开。

2016年2月下旬，Bosch Rexroth、Schneider Electric、NaTIonal Instruments和Kuka宣布他们将联手开发全球首个TSN测试平台6。该测试平台旨在将不同业务流量整合到以太网TSN网络上。它将测试TSN的多供应商互操作性，以及其安全特性、性能、延迟、与基于云的控制系统的集成。

National Instruments主持测试平台开发工作。其高管之一Eric Starkloff评论说，TSN是“工业物联网未来发展的必要条件”，并强调其从专业视听技术发展到现在的融合式确定性以太网，可谓进步惊人。工业物联网的范围可能极为广大，但许多企业在理解和利用其优势方面仍有很长的路要走。一个成熟和广泛采用的TSN将有助于他们达成目标。