TSN对工业以太网伸出的时间援手

在IIoT和工业4.0的推动下，TSN（时间敏感网络）已经不算是一个新技术了，但仍在关键的发展阶段。作为IEEE定义的一大以太网扩展，TSN可以说为工业场景中的以太网赋予了新的生机。这是以太网作为一种传统的“Best Effort”网络，在某些时间敏感的应用上开始有些不够看了，难以满足实时性上的要求。
 
再加上工业自动化场景中以太网增强标准的混乱，安全性和互操作性缺失，不利于打造一个互联的IIoT。而TSN通过对以太网进行时间同步、流量调度和互操作性等方面的优化，提高提高了工业以太网的整体质量，做到了极低的延迟和抖动。
 
与OPC-UA的结合
 
即便TSN为工业自动化带来了稳健的通信方案，但仍存在一些限制和缺陷，比如困扰工业用户多年的顽疾，控制器与控制器通信之间的多厂商互操作性，这个问题在网关应用中尤其明显。但如今业界已经意识到这个问题，云服务厂商、OPC基金会和主要自动化技术供应商纷纷达成共识，开始推行OPC-UA Over TSN这种基于物联网机制的高层工业通信协议来应对这一挑战。
 

OPC-UA TSN首批支持厂商 / OPC Foundation

 
OPC-UA是一种完全开放的标准技术，在OPC-UA Over TSN网络的支持下，TSN依然可以解决工业通信中数据传输和可靠性、确定性的问题，而OPC-UA则提供了一套通用的数据解析机制，确保多供应商的方案之间可以做到互相通信，真正做到一个独立于厂商、低延迟、高鲁棒性的工业通信网络。
 
5G与TSN的集成
 
在现代与未来工业通信场景中，除了至关重要的有线网络外，无线网络同样不可缺少。尤其是5G这样的移动通信技术。我们提到5G时，脑海中浮现的特色有大带宽、低延迟和高可靠性等，而这些特色对于工业自动化中的不少移动应用都能使用，比如机器人和AGV控制、5G PLC等等。
 
再加上URLLC（超可靠低延迟通信）是5G定义的三大场景之一，5G进入工业市场可以说是理所当然的一件事，而5G与TSN的交集也由此诞生。3GPP在R16中制定了对TSN的5G支持，并在R17做了进一步的增强，以求实现5G系统与TSN网络的无缝集成。一个成功集成5G的TSN网络，不仅可以提供不受线缆限制的设备接入，又能做到低延迟、低抖动、高质量的网络传输。
 

LAN9668 TSN以太网交换机芯片 / Microchip

 
尽管5G与TSN集成的愿景很美好，但还是存在一些潜在的实现问题。比如要做到低延迟、低抖动，5G网络必须在部署上下大功夫，因为无线传输一向容易被环境影响，难以对延迟做出保证。此外就是5G与TSN网络之间的时间同步，目前两者采用的都是不同的时间同步机制，要想真正集成的话，就必须做好时间同步上的协调，这也是目前主要的研究方向之一。
 
TSN向其他市场的延展
 
近几年内，汽车市场朝自动驾驶的的过渡可以说改变了整个行业，自动驾驶作为一种便利化技术，可以节省驾驶员不少时间。然而，自动驾驶同样是一个讲究安全、可靠性与性能的技术，在车身内处理器、传感器等半导体元件越来越多的前提下，汽车的网络结构同样需要重新设计。
 

Quartz2 TSN以太网交换机芯片 / 博通
 

在汽车这般重要的通信与控制设备中，为了保证系统的稳定性，避免通信中断等情况的发生，通常都会准备冗余网络方案。为此传统的CAN和LIN等总线技术率先被刷下，留下FlexRay和以太网。然而上文中我们也已经提到了自动驾驶的等级提升下，传感器越来越多，处理器的算力也越来越大，速率和带宽要求会进一步提高。如今的以太网方案已经面向千兆网络，也因此成了构建汽车冗余网络方案的首选。
 
以太网中常见的有IEEE 802.1D、IEEE 802.1w和ITU G.8032。然而，这些方案在延迟上并不算优秀，如果发生故障转移通常需要50毫秒以上的时间，对于高速行驶的汽车来说，这50毫秒的时间就是生与死的区别，所以还是得TSN出马。汽车与工业自动化双双驱动下，相信TSN很快就能为这两大传统场景普及到稳健的以太网络。