自动化中的TSN：我们现在处在什么阶段？

作者：Volker E. Goller

ADI公司

近来，任何从事工业通信的人都会面对时间敏感型网络（TSN）的话题。TSN必将到来；这只是个时间和方式问题。然而，即使到今天，人们对它在工业通信领域的优势并不是很清楚。

历史回顾

以太网在20世纪80年代初被引入办公领域，并因其惊人的10Mbps的高吞吐量（相对于当时而言）迅速普及。然而，这种以太网对于实时应用来说并不实用，因为它使用被称为“合用线”的通用介质。在高利用率的情况下容易发生冲突，导致办公设置问题。

后来随着以太网的发展，通过引入交换网络解决了冲突问题。此外，通过服务质量（QoS）引入了以太网数据报文优先级。

对于工业应用，保证低延迟尤为重要。尽管有QoS，但在办公环境中使用的标准以太网只能保证延迟低至某一点，尤其是在高网络利用率的情况下。

这源于诸多原因，而主要原因是商用多端口交换机常用的存储转发策略和不可能预留带宽的事实。

存储转发意味着交换机在转发之前要收到完整的数据报文。这在交换机处理方面具有优势，但也带来了潜在问题，会对延迟和可靠性产生负面影响：

• 当数据报文经过交换机时，会按照其长度生成一定的延迟。如果多个交换机级联，延迟影响会被放大。
• 由于交换机的存储容量不是无限的，如果网络使用过度（流量过多），它可能拒绝数据报文；这意味着可能会丢失数据报文（甚至那些优先级较高的数据报文）。
• 长数据报文会长时间堵塞端口。

交换机级联从一开始就给工业环境应用带来了挑战。除了用于IT领域中的星型拓扑结构以外，自动化领域也常使用线型、环型和树型拓扑结构。这些经过调整的拓扑结构大幅降低了以太网安装的布线要求和成本。因此，在工业应用中，采用直通式策略的双端口交换机被整合到现场设备中。直通式意味着数据报文在被完全接收前被转发。

图1.以太网帧： 与TSN数据流标识相关的数据字段用绿色表示。

图2.拓扑结构。

必须保证总是能为高优先级数据报文提供足够的带宽（和缓冲区空间）。标准以太网目前还无法做到这一点。

一体适用的技术：工业以太网横空出世

由于传统的以太网没有足够的带宽预留功能，自动化领域的专家从2000年就开始着手开发自己的以太网版本。然而，他们选取的开发路径各不相同。以下方法各有特色：

• 使用以太网作为现场总线传输介质的协议。这些协议要求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®）或现场总线（Sercos）分配的通道进行搭载。现场总线牢牢掌握着带宽控制。
• 通过以太网上的时间分片程序来保证带宽预留的协议。这里要提一下PROFINET® IRT。IRT支持在运行软实时或背景流量的相同电缆上进行确定性硬实时数据传输。时间片的规划需要一个精确的传输路径时序模型。
• 基于共享以太网电缆的协议。这些协议使用QoS并非常适用于工厂自动化和过程自动化应用。PROFINET RT和EtherNet/IP是值得关注的例子。这些协议仅限用于软实时（周期时间≥1 ms）范围。

图3.时序模型：PHY、电缆和交换机会影响到数据传输延迟。使用时隙方法（PROFINET IRT和TSN时间感知整形器（TAS））时必须考虑这一点。

这些标准需要特殊的硬件来支持，因此需要使用特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP®也是基于嵌入式双端口直通式交换机的，因此它们在这一点上也不例外。诸如ADI的fido5000之类的灵活、基于硬件的多协议解决方案以精简的方式解决了这个问题。

步入TSN

借助TSN，业界已经成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展版本，成功地摆脱了过去的限制。因此，ISO七层模型中的标准化第2层现在已经可以向上兼容之前的以太网和硬实时功能。通过802.1AS-rev，TSN还定义了可互操作的统一方法，用于同步网络中的分布式时钟。由于通过TSN总能实现“尽力而为”的通信，所以在硬实时应用以及所有其它应用（网络服务器、SSH等）中，共用电缆成为可能。在这方面，TSN与PROFINET IRT并没有什么不同，它也提供了相仿的性能。

采用TSN的新增需求是需要更广泛的网络配置。集中式或分布式配置均有可能。目前正在讨论和实施兼顾两种类型的配置。未来的发展目标是实现两种配置机制之间的互操作性。

这一切都再好不过了，TSN的实际优势到底是什么？

最常见的答案是，它提供了市面上更低成本的网络接口，并且适用于更广泛的市场。毕竟，TSN也能用于未来的楼宇自动化和汽车行业中。事实上，预计嵌入式TSN解决方案的市场规模将大大超过所有工业以太网解决方案当前市场的总和。

TSN相较以前的工业以太网方式最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同，TSN并不针对特定的传输速率进行定义。TSN可用于100 Mbps，也可同样用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。

它还更好地优化拓扑结构，因为现在可以针对各个不同的区段选择与之相适应的数据速率。无论是1 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有助于相关人员完成建立和维护网络的任务，因为通过TSN，解决方案现在可以用于自动化以外的其它领域，如建筑、过程和工厂自动化以及能源分配等。

这为我们带来了下一个优势，即培训因素。TSN已经成为许多大学的课题，多数尚处在研究阶段。然而，技术和职业学院已经对这个课题表现出极大的兴趣。我们可以相当负责任地说，TSN将成为工程师、技术人员和技术工人的必备基本知识。将不再需要针对不同的现场总线进行再培训。

“棕地”（Brownfield），即现有的协议该怎么办？

在几乎所有与TSN相关的工作组中，都会反复出现一个主题：如何同时保障向TSN的过渡和向现有安装系统（如“棕地”应用）的供給？

在各方面，强调的重点都是旨在让客户能够轻松顺利地过渡到TSN。今天，我们可以有把握地说，现有的工业以太网协议不会在一夜之间消失。与之相反，任何人当前正在使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或类似普遍的工业以太网协议，他们都可以很有把握地假定，在10年内他们还是能够使用这些协议运行网络，并获得支持和替换部件。

所有工业以太网组织都提供了模型，用来描述现有工厂如何与基于TSN的新设备协同工作。现有工业网络的接口由网关（Sercos）、带耦合器（EtherCAT）或没有任何特殊硬件（PROFINET RT）的接口组成。特别是PROFINET和EtherNet/IP计划将其完整协议作为第2层用于TSN。

这使得逐步过渡到TSN成为可能。

图4.棕地：TSN网络与PROFINET和EtherCAT相结合。

总之，TSN将在新装置中随处可见，并逐渐以岛或区段的形式导入至现有装置中。

然而，伴随着TSN，工业以太网领域将涌现出新的协议。带有新传输协议PUB/SUB的OPC UA与TSN一起，已被视为传统协议的竞争对手。对于现场设备的制造商来说，这意味着它们不得不同时支持传统的工业以太网解决方案以及TSN和新协议。

TSN和ADI公司

ADI公司一年多前收购了工业以太网的领先企业Innovasic，现已成功完成了整合。随着Innovasic的整合，fido5000系列工业双端口交换机已被纳入ADI公司产品线。该交换机支持所有相关的工业以太网协议，并支持TSN。

利用fido5000，现在就可以将产品规划过渡至TSN并同时满足当前需求（PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等）。借助fido5000还将使实现OPC UA PUB/SUB成为可能。借助fido5000，可将TSN规划为现有系统的一个更新。

fido5000系列仍在不断增强。我们将提供面向1 Gb应用的新产品，但10 Mb/100 Mb的产品仍将继续提供，以满足客户的要求。

借助fido5000系列提供的灵活性，能够可靠、高效地执行TSN移植。

TSN是一个机遇

TSN使得为所有工业通信创建一个统一的基础成为可能。一旦引入TSN，工业应用中的ISO七层模型的第1、2、3层将统一。这有可能使可扩展性和性能达到全新的水平。

基于此，上层通信是否也会标准化？是否有可能出现一个统一的OPC UA PUB/SUB？有可能。利用fido5000系列，用户能够为应对所有场景做好准备。

作者简介

Volker在时间敏感型网络技术的各种工业应用领域拥有超过30年的丰富经验。作为一名商用软件开发人员，Volker为无线和有线应用开发了各种通信协议和堆栈，同时积极参与领先的行业组织的新通信标准制定。