自动化中的TSN将何时以及以何种形式出现

如今，任何从事工业通信工作的人都必然会遇到时间敏感网络（TSN）的话题。TSN一定会来;唯一需要澄清的是它将何时以及以何种形式出现。然而，即使在今天，它在工业通信方面的优势也并不总是显而易见的。

历史

以太网在 1980 年代初被引入办公室，并由于其（当时）耸人听闻的 10 Mbps 的高吞吐量而迅速变得非常流行。但是，这种以太网对于实时应用并不实用，因为它使用了一种称为派对线路的通用介质。在高利用率下发生的碰撞在办公室环境中引起了问题。

在其开发的下一步中，通过引入交换网络消除了冲突。此外，在服务质量 （QoS） 方面，引入了以太网数据报优先级。

对于工业应用，保证延迟尤为重要。尽管有QoS，但办公室中使用的标准以太网只能保证一定程度的延迟，尤其是在网络利用率高的情况下。

造成这种情况有几个原因，主要原因是商用多端换机中常用的存储转发策略以及无法保留带宽的事实。

图1.以太网帧：与TSN数据流标识相关的数据字段显示为绿色。

存储和转发意味着交换机在转发之前接收完整的数据报。这在交换机的处理方面具有优势，但也带来了可能产生负面影响的潜在问题 影响延迟和可靠性：

通过交换机时，数据报的延迟量取决于其长度。如果开关是级联的，效果就会放大。

由于交换机没有无限的存储容量，因此如果网络过度使用（流量过多），它可以拒绝数据报;这意味着数据报（即使是那些被赋予更高优先级的数据报）也可能丢失。

长数据报可能会阻塞端口相对较长的时间。

开关级联从一开始就在工业环境中提出了挑战。除了IT领域使用的星形拓扑外，线形、环形和树形拓扑也经常用于自动化。这些经过调整的拓扑结构 显著降低以太网安装布线要求和成本。因此，在工业中，采用直通策略的 2 端换机被集成到现场设备中。直通意味着数据报是 在完全接收之前转发。

图2.拓扑。

必须保证始终有足够的带宽（和缓冲区空间）可用于高优先级数据报。标准以太网尚无法提供此功能。

一种尺寸适合一切：迄今为止的工业以太网

由于传统以太网没有足够的带宽预留功能，自动化专家于 2000 年开始开发自己的以太网扩展。然而，他们走的道路却大相径庭。区分以下方法：

使用以太网作为现场总线传输介质的协议。这些协议声称自己完全控制以太网介质。传统的TCP/IP通信只能通过现场总线（EtherCAT和POWERLINK）或通过现场总线分配的通道（Sercos）进行背负式通信。带宽控制牢牢掌握在现场总线手中。®®

通过以太网上的时间切片过程保证带宽预留的协议。这里应该提到PROFINET IRT。IRT 可在运行软实时或后台流量的同一电缆上实现硬确定性实时数据传输。传输路径的精确时序模型对于规划时间片是必要的。®

基于以太网电缆共享的协议。这些协议使用 QoS，在工厂和过程自动化应用中很常见。PROFINET RT和EtherNet/IP是值得注意的例子。这些协议仅限于软实时范围（周期时间≥ 1 ms）。

图3.定时模型：PHY、电缆和开关会导致数据传输延迟。这必须与时隙方法（PROFINET IRT和TSN时间感知整形器（TAS））一起考虑。

对于这些标准，需要特殊的硬件支持，因此需要特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP®也基于带直通的嵌入式2端换机，因此它们在这里也不例外。ADI公司的fido5000等基于硬件的灵活多协议解决方案以优雅的方式解决了这一问题。

输入TSN

借助TSN，成功开发了符合IEEE 802.1的标准以太网扩展，该扩展摆脱了过去的限制。因此，ISO 7 层模型中现在有一个标准化的第 2 层，与以前的以太网和硬实时功能向上兼容。在802.1AS-rev中，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。由于尽力而为的通信始终与TSN进行，因此对于硬实时应用程序以及所有其他应用程序（Web服务器，SSH等）都可以使用电缆。TSN在这方面与PROFINET IRT没有什么不同，它还提供了相当的性能。

TSN的新功能是需要更广泛的网络配置。集中式或分散式配置是可能的。目前正在讨论和实施这两种类型的配置。两种配置机制之间的互操作性是未来的发展目标。

这一切都很好，但是TSN的实际优势是什么？

最常见的答案是，随着市场的扩大，市场上也出现了更便宜的网络接口。毕竟，TSN未来也将出现在楼宇自动化和汽车行业。事实上，嵌入式TSN解决方案的市场预计将大大大于目前所有工业以太网解决方案的市场总和。

与以前的工业以太网方法相比，TSN最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同，TSN没有针对特定的传输速率进行定义。TSN可用于100 Mbps，就像1 Gbps，10 Mbps或5 Gbps一样。

它还使拓扑得到更好的优化，因为现在可以为各个段选择调整的数据速率。无论是 Gbps、100 Mbps 还是 10 Mbps，都使用统一的第 2 层 — IEEE802.1/TSN。

统一的网络基础设施还可以帮助负责设置和维护网络的人员，因为借助TSN，解决方案现在可以用于自动化以外的领域：建筑，过程和工厂自动化以及能源分配。

这给我们带来了下一个优势，即训练因素。TSN已经成为许多大学的话题，大多处于研究阶段。然而，技术和职业学院已经对这个话题表现出兴趣。我们可以相当肯定地说，TSN将成为工程师，技术人员和技术工人的基本知识。不再需要对不同的现场总线进行再培训。

棕地，或者今天的协议会发生什么？

在几乎所有与TSN相关的工作组中，都有一个反复出现的主题：如何保障向TSN的过渡和对现有装置（如棕地应用）的供应？

图4.棕地：TSN部门与PROFINET和EtherCAT相结合。

在所有方面，重点是使客户能够轻松平稳地过渡到TSN。今天已经可以说，现有的工业以太网协议不会在一夜之间消失。相反，今天使用PROFINET，EtherNet/IP，EtherCAT或类似广泛使用的工业以太网协议的任何人都可以安全地假设他或她也将能够在10年内使用这些协议运行网络，并获得支持和更换部件。

所有工业以太网组织都提供模型，描述现有工厂如何与新的基于TSN的设备合作。与现有工业网络的接口由网关（Sercos），耦合器（EtherCAT）或没有任何特殊硬件（PROFINET RT）组成。特别是PROFINET和EtherNet/IP计划将其完整的协议作为第2层在TSN上提供。

这使得逐步过渡到TSN成为可能。

总之，TSN将在新装置中随处可见，并以逐步引入现有装置的孤岛或段的形式出现。

然而，有了TSN，工业以太网领域将有新的参与者。OPC UA，它与新的传输协议PUB / SUB一起与TSN一起，已经被视为经典协议的竞争对手。对于现场设备制造商来说，这意味着必须支持经典的工业以太网解决方案以及TSN和新的参与者。

审核编辑：郭婷