深入了解TSN,可能成为未来工业通信统一标准的工业网络技术

　　随着工业物联网的发展，不同的场景与应用对数据传输的要求不一，网络部署面临着新的需求和挑战，为了有效解决以太网通讯的不确定问题，实现真正的实时通讯，各大厂商开始大力引入和推广时间敏感网络（TSN）。

　　TSN拥有许多传统工业网络架构难以实现的功能，它的前世今生是什么？TSN能为IT与OT深度融合带来哪些契机？最新的行业动态又有哪些？近日，研华科技联合CC-Link协会通过两岸连线直播的形式举办了在线会议，我们不妨通过这次会议，来深入了解TSN这一可能成为未来工业通信统一标准的工业网络技术。

　　TSN，未来已来

　　工业以太网不是一个新的概念，在它蓬勃发展的期间诞生了几十种通讯协议。研华工业物联网事业群资深开发经理张亦诚表示，目前工业领域所使用的通讯协议形色不一，每一个协议背后也都各自有支持的厂商，虽然单独来看都各具优势，但最大的问题就是彼此不相容，难以形成统一的标准。“语言”不通为实时通讯带来很大难度，想享受“书同文，车同轨”式的便利，统一标准的TSN也就应运而生。

　　传统工业网络存在延迟和实时控制困难的问题，传输速度无法超过100 Mb/s，扩展性也因此受到影响。不同的通讯协议只能使用专有的硬软件，更是严重限制了用户使用的灵活性、设备互操作性，增加了维护和运营成本。参与本次会议的4位专家一致认为，在工业互联网时代，企业亟需最大程度保持敏捷、灵活，以提高效率和迅速响应能力，TSN的出现正解决了这一问题。

　　CLPA中国支部高级工程师杨凯表示，在目前的工厂网络里，不同的生产线上，可能会存在例如Profinet、CC-Link等不同的总线协议，不同产线之间的数据交互和信息化改造始终是用户的痛点。而传统的工业实时以太网，一般采取预留带宽的方式来保证数据的实时性和准确性，但可靠性和实时性的表现着实一般。TSN作为以太网扩充的协议标准，在实现数据融合传输、打破信息孤岛，以及实现互联互通等方面展现出了前所未有的潜力。

　　TSN原本是起源于Ethernet AVB（Audio Video Bridging）的标准化规格，它在被赋予了同步时间、控制A/V机器机能、预约频宽等功能后，由IEEE（电气和电子工程师协会）不断增修，普及到了工业、汽车等行业，并在2012年将其正式改名为TSN。显而易见，在未来，工业以太网将从个别规格向共通网络规格移转。CLPA中国台湾地区事务局长陈重光介绍道，近年来，除了IEEE将该规格同步到IEC的国际标准规格上外，CC-Link协会、PI、OPC UA等开放式网络协会团体也正在研讨将TSN作为开放型网络的适用性。

　　陈重光表示，目前，TSN的各项征订规格的板块仍在组建当中，作为工业网络常会使用的技术规格，其中IEEE802.1AS-Rev和1588 PTP用于定义网络上连接机器的同步时间；IEEE802.1Qbv将通讯帧分类，确保优先通讯频宽；IEEE802.1Qbu则负责定义优先级的通讯帧，在进入优先度高的频宽时会分割通讯帧，并让优先度高的优先通行。陈重光解释道：“在现有网络下，整体的通讯效率会受到低速通讯帧速度的影响，在使用TSN技术时，就像将公路上的快慢车道实行分离，让特定的通讯协议优先通行。”

　　

　　针对用户对TSN使用的顾虑，研华工业物联网事业群产品总监林玉伟解释道：“融合不是为了取代，所有工厂原有的以太网协议还是会存在，TSN只是作为一个统一的标准，充当这些有分歧的协议的媒介，其目的都是达到融合的效果。”

　　抢先一步，研华发布TSN交换机

　　现如今，用户想要向TSN标准逐步靠拢，不仅需要具备TSN的网关进行不同协议之间的转换，还需要TSN交换机来传输和汇聚数据。陈重光表示：“TSN因本身所具备的及时性、低延迟、高速大容量通讯，具备时间戳记、混合IP通讯等多种通讯协议功能，本领和优势更加显著。”这也让相关厂商看到了其中无限的商机。

　　在TSN交换机的研发中，研华无疑抢先了一步。在此次会议上，研华正式发布了EKI-8500G工业级TSN以太网交换机，成为当前全球为数不多的采用TSN芯片方案的TSN交换机。

　　该新品区别于市面上大部分利用FPGA（现场可编程门阵列）设计的TSN交换机，EKI-8500G采用TSN专用芯片设计，具备8个千兆RJ45端口+ 2个千兆SFP端口，以及双12？48 VDC电源输入和1 x继电器输出。林玉伟向大家详细介绍了EKI-8500G所具备的4大核心特色：时间同步、优先流量调度、时间感知整形器、高可靠的冗余资料传输。

　　所谓时间同步（IEEE 802.1AS）：在传统的时间同步通讯架构中，设备之间的时间来源不一，及时性的需求也不一样，TSN能使时间不同步的设备共用一个精准的时间来源，这样的同步机制在半导体制造、汽车制造业等领域中，能够保障机器行云流水的运作。

　　所谓流量调度功能（IEEE 802.1Qbu）：一般的通讯架构中，重要的OT资料出现的时候，也并不会中断正在传输的资料，使得重要讯息被延迟，从而带来停机损失。TSN的优先流量调度机制可以中断当前正在传输的低优先级资料，礼让重要资料先行，OT等重要的资讯就不会因此被抢占传输资源。

　　所谓时间感知整形器（IEEE 802.1Qbv）：TSN的标准在资料注列中架设了时间开关的闸门，使得实时性资料在固定时间内传输，不受其他非实时性资料的影响。简单来说，这个机制是根据已知且设定的时间表来进行开关驱动。不同于传统交换机的QOS功能，TSN交换机会对优先等级高的数据采取预支、预留手段，以保障数据流通的实时性。

　　所谓高可靠性的冗余资料传输（IEEE 802.1CB）：资料在传输的时候，设备会生成一份复制的备份档案，两份档案会走在不同的传输路径上，如果两者都顺利抵达，备份档就会被自动删除。如果有一条路径因故被中断，另外一条路径的备份档仍会抵达终点，确保资料被送到目的地。

　　除了可以实现以上4大功能外，为应对工业应用场景，新产品体积更小，可在-40~75℃的温度区间内稳定运转，林玉伟也补充道：“该产品让资讯传输的环境在拥有IT频宽的同时，具备了OT的精准和稳定性。”研华EKI-8510G工业交换机，为IIOT工业物联网带来高时效、低延迟，及稳定可靠的运行能力。

　　未来除了交换机产品外，林玉伟也表示研华还会有更多口数交换机、网关、配置软件等TSN关键产品的推出计划。会议当天观众互动热烈，有观众在线提出问题：“如果工厂PLC等设备不支持TSN，要如何解决兼容问题？”

　　林玉伟对此解释道：“TSN是一个统一的标准，老旧工厂内设备间想要支持TSN，当然还需要借助交换机、网关、对应的软件等产品。但以PLC为例，作为工厂里最主要的控制器，其技术匹配度已经走在设备的最前端。在TSN的各种以太网协议发布时，很多PLC厂商都嗅到商机，并积极、大力地推广，工厂的PLC产品一旦先行，周边的设备也一定要跟齐，因此产品设备的部分，客户其实并不用担心，厂商会帮我们解决。”

　　TSN开启IT和OT融合的新曙光

　　当然，除了产品供应商的积极研发外，为主动拥抱TSN的时代，2019年2月，CC-Link协会就发布了全新的通讯协议CC-Link IE TSN。这一举动拓展了CC-Link IE基于工业以太网实现企业从信息层到应用层纵向整合的先进通信技术。CLPA中国支部高级工程师杨凯补充道：“相对于传统的CC-Link以及CC-Link IE，CC-Link IE TSN在开放性方面是史无前例的。”完全开放的架构也是为了方便更多厂商进行合作，以共同建立TSN标准的生态圈。

　　据悉，包括三菱在内的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生产厂商，现已陆续推出从PLC、运动控制器到交换机、I/O、伺服、机器人等全线产品。除了CC-Link IE TSN外，Modbus、Profinet、EtherNet/IP等协议也都纷纷上新，加入TSN的大家庭中。此外，在全球范围内，设置了多个TSN试验床，测试床旨在加速推动着技术落地，帮助TSN在不同行业，尤其是在交通、5G垂直市场应用、汽车、半导体等领域施展拳脚。在本次线上会议上，四位专家不约而同都表现出了对TSN生态圈的乐观态度，认为未来有望在5年内建立亚洲TSN生态圈。

　　在工业通讯领域，现场总线技术从推出到落地大概花了10年时间，以太网技术的大规模运用则花了差不多5年，而新兴的TSN则有望在未来的3~5年内走向成熟。对于用户或厂家来说，开发产品从立项到研发量产，再到推向市场也仅再需1~2年的时间。杨凯解释道：“这就好比3G、4G、5G技术的迭代，我们能够发现，新技术从推出到落地再到成熟的生命周期，一直在不断缩短。”

　　过去，一个新技术的发展演进，要先经过一连串小规模或特定应用的试点，然后再慢慢向全行业扩散。而TSN技术不一样，它像是个含着金钥匙降临的新生儿，因为行业的认可度极高，我们今天所看到的TSN发展现状，是多个领域协会和联盟共同推进的结果。其实，TSN技术的未来已经到来。对于TSN的发展前景，嘉宾分析认为业内人士已都信心满满，张亦诚表示：“在国内已经有大批厂家投入了TSN产品的研发，TSN有望很快席卷全球。”

　　未来，工业自动化和控制系统将致力于满足高可用性和实时通讯的需求。值得欣慰的是，标准组织和独立的网络协议供应商均已达成共识，洞见了这一发展趋势的潜力，共同携手推进TSN这一下一代工业网络标准。借助这股东风，脱离现有专属架构的限制，落地工业物联网和实现IT、OT融合的宏图大业又向前大跨了一步。让我们共同期待TSN产业生态圈的成型与壮大，未来让新兴通讯技术的基石，垫在每一个IIOT世界探索者的脚下。
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