谁能让工业物联网“一网到底”？TSN表示“我能行”

以太网在20世纪80年代早期被引入到办公室，那时由于其高达10Mb/s的吞吐量而广受业界欢迎。但在接下来的工业控制自动化领域，以太网却遇到了三个方面的挑战，即：实时性、标准化和可靠性。

最关键的是，为了满足自动化的实时要求，工业应用必须保证传输带宽和传输延迟。传统以太网则不能提供延迟和带宽保证。相反，如果操作需要，在峰值时间存储的帧数多于网桥缓冲存储器可以容纳的帧数，以太网还可以随时丢弃帧。另外，由于帧长不同，网络还会出现延迟抖动。

工业物联网(IIoT)和工业4.0的出现，进一步推动着工业自动化体系结构朝着更具互操作性、灵活性和无缝性方向发展。今天，市场上有多种工业以太网协议，被普遍采用的实时工业以太网主要有EtherCAT、PROFINET、POWERLINK、CC-Link等，这些协议都是在标准以太网的基础上修改或增加了一些特定的协议以保证实时性和确定性。但是由于这些都是非标准以太网，在易用性、互操作性、带宽和设备成本上均存在不足。

那么，究竟有没有一种通信标准能够实现一网到底，同时实时性足够高呢?

01 应运而生的TSN

时间敏感网络(TSN-time sensetive networking)就是为了满足工业实时通信的需求，在标准以太网内提供“确定性”而开发的一组IEEE 802.1和IEEE 802.3标准，位于EtherNet/IP网络体系结构中的第二层——数据链路层，旨在通过标准以太网技术解决控制系统的最新需求。通过将时间关键型和尽力而为的数据集中到标准以太网中，TSN节省了成本并改进了互操作性。

图1：具有TSN功能的EtherNet/IP网络体系结构(图源：网络)

02 TSN的六大亮点

顾名思义，TSN是一种注重“时间”的技术。开发TSN就是为了提供一种方法来确保信息能够在“确定的”时间内从A点传输到B点。TSN的出现是以太网标准不断发展演进的过程，从本质上说，它为以太网增加了更大的“确定性”。这也是TSN能在市场上脱颖而出的重要原因。

亮点1标准化

TSN位于EtherNet/IP 7层模型中的第2层，是数据链路层的标准，它与以前的以太网具有向上兼容性和硬实时能力。通过802.1AS-rev，TSN还定义了一种可互操作的统一方法，用于同步网络中的分布式时钟。这一特点是TSN相对其他标准的压倒性优势，因为该标准与任何组织或公司无关。对于一个多年来一直在与多种不兼容的专有通信协议作斗争的工业自动化市场，TSN带来的好处无需赘述。

亮点2可扩展性

与以前的工业以太网相比，TSN另一突出的技术优势就是它的可扩展性。TSN没有针对特定的传输速率进行定义，使用者可根据网络拓扑选择合适的数据速率，100 Mb/s、1 Gb/s、10 Mb/s或5 Gb/s，这些都是可行的。由此还衍生出另一好处，即统一的网络基础设施可以减轻负责设置和维护网络人员的工作负担。

亮点3延迟

对于工业通信应用，保证延迟是至关重要的。有了TSN，不同的流量等级可以在网络上共存，而不会对来自低优先级的流量产生影响。也就是说，TSN允许关键消息与其他低等级的以太网流量在同一通信线路发送，而不受干扰或延迟。

亮点4安全性增强

由于TSN使用的是标准以太网，因此已经部署在IT网络中的安全机制可以应用于使用TSN的网络控制，从而以较低的成本确保了网络的安全性。

亮点5实现网络融合

TSN使以前出于操作完整性、实时性能、安全性等原因而分开的网络和系统得以融合，打破了关键系统和非关键系统之间的通信障碍，这也是IIoT和工业4.0的基本概念。此外，更高层协议可与TSN结合，因为TSN位于数据链路层，其中包括OPC-UA以及其他协议等。

亮点6实施成本低

通过在单个网络基础设施上聚合不同的流量等级，可以显著降低系统的总体成本。硬件和维护成本因网络所需设备和电缆数量减少而降低。

03 从传统以太网迈向TSN

HMS Networks对工业网络市场的年度研究表明，从新安装节点来看，预计2020年工业以太网的市场份额将增加到64%(去年为59%)，而现场总线的市场份额将下降到30%(去年为35%)。从工业互联角度看，EtherNet/IP和PROFINET居首，EtherCAT位居第三。无线互联技术占有6%的市场份额，其中WLAN仍是最受欢迎的技术，其次是蓝牙。

图2：HMS Networks预估2020工业网络市场份额(图源：HMS)

综合来看，大量的物联网应用需求是近些年TSN火爆的重要原因。在IEEE，许多组织的代表正在共同努力以进一步推进标准的实施，增加稳定性，提高性能，使TSN变得更加强大。目前，参与商业应用的公司有很多，比如思科、Broadcom、TTTech、NI、TI、NXP、ADI等，他们一直致力于开发专为恶劣环境设计的TSN交换机、芯片、软件平台等。

思科公司所有型号的IE-4000都支持TSN，从Cisco IOS软件版本15.2(5)E2开始，TSN功能可用。IE-4000作为一个TSN桥运行，实现了ieee802.1Qbv和ieee802.1AS功能，支持通过其以太网接口的数百个TSN流。

2017年NI就推出了两款多时隙以太网机箱，在cDAQ-9185和cDAQ-9189中采用基于时间同步的最新以太网标准，提供与TSN的紧密时间同步，以简化和改善同步分布式系统的可扩展性。

2018年TI推出了业界首款多协议千兆位时间敏感网络处理器系列产品。高度集成的Sitara AM6x处理器系列提供工业级可靠性。通过支持特定子系统中TSN标准和其他工业协议的千兆吞吐率，Sitara AM6x处理器可以在单个网络上融合以太网和实时数据流量。此功能对于工业4.0应用中的实时通信至关重要，并且可在工厂中实现软件可重新配置的网络物理系统。

图3：NXP LS1021A TSN参考设计板卡(图源：NXP)

恩智浦(NXP)LS1021A TSN参考设计平台包括QorIQ Layerscape LS1021A工业应用处理器和SJA1105T TSN交换机。LS1021ATSN由带有Xenomai实时Linux的工业Linux SDK支持，它提供了在SJA1105T上配置TSN的实用程序，开发人员可基于该平台进行快速设计。

ADI Chronous是一系列领先的终端到企业工业以太网连接解决方案，专门为加速实现工业4.0而设计，适用于苛刻的时间关键型环境。

随着网络从传统现场总线转向TSN，设计和实现阶段将出现多种挑战。但有一点是肯定的，即现有的工业以太网协议不会在一夜之间消失。相反，今天PROFINET、EtherCAT等广泛使用的工业以太网协议均对TSN表示了支持，这使得逐步过渡到TSN成为可能。