確定性是工業(yè)連接設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素。工業(yè)控制和自動(dòng)化應(yīng)用需要以特定時(shí)間間隔發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這些應(yīng)用程序還要求以有限的低延遲保證數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)丟失（例如，在關(guān)鍵任務(wù)噴氣推進(jìn)系統(tǒng)的情況下）可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的后果。

IEEE 802.1 以太網(wǎng)是一種廣泛部署的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)目的并不是為了滿足工業(yè)應(yīng)用的這些確定性要求。為實(shí)現(xiàn)確定性，工業(yè)連接器、電纜和控制器中仍使用以太網(wǎng)的專有增強(qiáng)功能（如 EtherCAT、PROFINET 或 SERCOS III）。結(jié)果是支離破碎的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。由于缺乏安全性和互操作性，分段網(wǎng)絡(luò)成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和工業(yè) 4.0 應(yīng)用集成的瓶頸。

作為 IEEE 802.1 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 正面解決了這些問題。除了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)之外，TSN 還可以提供具有有限低延遲和抖動(dòng)的確定性。這提供了融合企業(yè)和工廠連接的路線圖。這也是工業(yè)公司采用 IIoT 的一個(gè)令人信服的理由。

時(shí)間敏感的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

在過去幾年中，IEEE 的 TSN 任務(wù)組為現(xiàn)有 802.1 標(biāo)準(zhǔn)添加了一系列擴(kuò)展，以支持?jǐn)?shù)據(jù)包傳輸，同時(shí)遵守同一互連企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上對(duì)時(shí)間敏感的流量的嚴(yán)格延遲和吞吐量要求。延遲和吞吐量是可配置的，以適應(yīng)特定的用例。

這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了在時(shí)間敏感和盡力而為的流量之間分配時(shí)間的準(zhǔn)則。定義了八個(gè) VLAN 優(yōu)先級(jí)以區(qū)分各種流量類型。每個(gè)端到端數(shù)據(jù)包流都分配了八個(gè) VLAN 優(yōu)先級(jí)之一。最高 VLAN 優(yōu)先級(jí)通常分配給時(shí)間敏感的流量。

例如，在車輛中，安全（例如，車道偏離警告）和發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)需要保證延遲。對(duì)于導(dǎo)航和信息娛樂流量，要求要寬松得多。TSN 在此類用例中很有用，因?yàn)樗梢栽诓挥绊憰r(shí)序要求的情況下通過同一以太網(wǎng)電纜組合所有流。這減少了為各種交通類型在車輛中安裝多條電纜的成本、重量和勞動(dòng)力。

圖 1顯示了為 TSN 增強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)套件。圖表中突出顯示了 TSN 在時(shí)間同步、計(jì)劃交付和軟件定義配置方面的關(guān)鍵能力標(biāo)準(zhǔn)。

圖 1：為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的 IEEE 802.1 標(biāo)準(zhǔn)套件（來源：Practical Industrial Internet of Things Security）

時(shí)間同步

IEEE 802.1AS 規(guī)定了 TSN 中的時(shí)間同步，這有助于在通信設(shè)備之間建立通用的時(shí)間概念。IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議 (PTP) 標(biāo)準(zhǔn)用于在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和交換機(jī)之間分發(fā)準(zhǔn)確的定時(shí)參考。IEEE 1588ASrev 為 TSN 提供 IEEE 1588 配置文件。該標(biāo)準(zhǔn)還允許使用外部參考（例如 GPS）來同步時(shí)間。TSN 的試點(diǎn)測(cè)試報(bào)告時(shí)間同步精度低于 100 納秒。

交通調(diào)度

IEEE 802.1Qbv 定義了一種時(shí)間感知整形器，有助于確定 TSN 基礎(chǔ)設(shè)施中流量的優(yōu)先級(jí)。時(shí)間感知整形器將數(shù)據(jù)交換分成固定長度、重復(fù)的時(shí)間周期。同行同意 TSN 通信將這些周期劃分為時(shí)隙。每個(gè)時(shí)隙都可以分配給八個(gè) VLAN 優(yōu)先級(jí)中的一個(gè)或多個(gè)。

TSN 定義了三種流量類型：

預(yù)定流量：預(yù)定流量示例包括需要有限延遲和零擁塞損失的工業(yè)自動(dòng)化和控制流量。

盡力而為流量：盡力而為流量由沒有特定服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 要求的一般以太網(wǎng)流量組成。

預(yù)留流量：預(yù)留流量類型由分配在具有指定帶寬預(yù)留的不同時(shí)隙中的幀組成。

網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)配置

IEEE 802.1Qcc 定義了 TSN 系統(tǒng)配置。TSN 使用軟件定義的網(wǎng)絡(luò)概念來自動(dòng)設(shè)置和配置設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。同行提前就時(shí)序、調(diào)度和 QoS 指標(biāo)的 TSN 配置達(dá)成一致。然后在各種 TSN 端點(diǎn)和交換機(jī)上提供這些配置。自動(dòng)化簡化了配置和管理，并提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可擴(kuò)展性。

構(gòu)建支持 TSN 的工業(yè)產(chǎn)品

TSN 主要與 Purdue 控制層次結(jié)構(gòu)中的 0、1、2 級(jí)工業(yè)控制和自動(dòng)化產(chǎn)品相關(guān)。因此，TSN 增強(qiáng)功能適用于目前使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或其專有變體之一的各種控制器、I/O 設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器。通常更堅(jiān)固的工業(yè)電纜和連接器可能也需要與 TSN 一起發(fā)展。

TSN 目前處于早期采用階段。為了最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，理想情況下，TSN 需要新的以太網(wǎng)交換機(jī)和支持 TSN 的端點(diǎn)。但 TSN 也是為向后兼容而設(shè)計(jì)的。任何以太網(wǎng)設(shè)備都應(yīng)該在 TSN 網(wǎng)絡(luò)中正常工作。棕地場(chǎng)景需要支持 TSN 的協(xié)議轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)關(guān)。

TSN 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的增強(qiáng)位于 TCP/IP 堆棧的第 2 層。因此，更高層的通信標(biāo)準(zhǔn)不受這些增強(qiáng)的影響。許多框架和應(yīng)用層協(xié)議，如 OPC-UA 也正在采用 TSN。

主要的工業(yè)、嵌入式和汽車供應(yīng)商齊聚一堂，為各種行業(yè)用例定義 TSN 要求，并將 TSN 概念擴(kuò)展到無線網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)論

時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的一種很有前途的演進(jìn)，因?yàn)樗鼘?IIoT 的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到緊密環(huán)路的工業(yè)控制域。TSN作為一項(xiàng)新興技術(shù)，目前還在各個(gè)孵化試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行大量試點(diǎn)測(cè)試。然而，距離符合 TSN 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品成為常態(tài)可能不會(huì)太遠(yuǎn)。

關(guān)鍵點(diǎn)：

IEEE 802.1 以太網(wǎng)無法為工業(yè)應(yīng)用提供確定性性能。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是具有確定性功能的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的演變。

支持 TSN 的產(chǎn)品支持使用基于開放標(biāo)準(zhǔn)的 IP/以太網(wǎng)技術(shù)升級(jí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

審核編輯：湯梓紅