时效性网络让工业控制如虎添翼

确定性是工业连接设计中的一个重要考量因素。工业控制和自动化应用需要以特定的时间间隔发送和接收数据，另外还需要以非常低的延迟提供有保证的数据。数据丢失 (例如在关键的喷气推进系统中) 会导致非常危险的后果。

IEEE 802.1 Ethernet是一种广泛部署的企业网络标准，其设计初衷并非为了满足工业应用的这种确定性要求。为实现确定性，工业连接器、电缆和控制器中仍然使用以太网的专属增强标准，如EtherCAT、PROFINET或SERCOS III，其结果是导致工业网络的标准混乱，各个部分无法互相通信。由于缺乏安全性和互操作性，这种四分五裂的网络在工业控制网络与工业物联网 (IIoT) 和工业4.0应用集成的过程中就成为了瓶颈。

随着IEEE 802.1 Ethernet标准的发展，时效性网络 (TSN - Time-Sensitive Networking) 的出现终于解决了这个问题。除了具有标准以太网的优点外，TSN还可以通过非常低的延迟和抖动来实现确定性。这就为聚合企业与工厂连接提供了可能性，也是工业企业接受IIoT的一个重要原因。

时效性网络标准

在过去的几年间，IEEE的TSN任务组为现有802.1标准增加了一系列扩展，以在传输数据包时严格遵守企业互联网上时间敏感流量的延迟和吞吐量要求，将其配置为适合特定的使用情况。

这些标准规定了时间敏感型流量 (time-sensitive traffic) 和最大传输流量 (best-effort traffic) 的优先级准则，为各种流量类型定义了八个VLAN优先级。系统会为每个端到端数据包流分配这八个VLAN优先级中的一个。最高VLAN优先级通常分配给时间敏感型流量。

例如，汽车的安全数据 (如车道偏离警告) 和发动机定时相关数据需要有保证的低延迟。而对于导航和信息娱乐流量，这个要求就宽松得多。在这种情况下，TSN很有用，因为它可以在不违反时效要求的情况下，用一根以太网电缆传输所有数据流，减少在车上为各种流量类型安装多条电缆的成本、重量和人力。

下图显示了针对TSN增强的标准套件。图中列出了TSN的时间同步、按计划交付和软件定义配置等功能的关键能力标准。

针对时效性网络增强的IEEE802.1标准套件 (资料来源：Practical Industrial Internet of Things Security)

时间同步

IEEE 802.1AS规定了TSN中的时间同步，这有助于建立通信设备之间通用的时间概念。IEEE 1588精确时间同步协议 (PTP - Precision Time Protocol) 标准用于在网络中的设备和交换机之间分配精确的基准时间。IEEE 1588ASrev为TSN提供IEEE 1588配置文件。此标准还允许使用外部参考 (如GPS) 来同步时间。TSN的先导测试 (Pilot test) 报告其时间同步精度低于100纳秒。

流量调度

IEEE 802.1Qbv定义了一个时间感知整形器 (Time Aware Shaper)，有助于对TSN基础设施中的流量进行优先级排序。时间感知整形器将数据交换分成多个循环重复的固定长度时间周期。通信各方同意TSN通信将这些周期划分成多个时隙，每个时隙可以分配八个VLAN优先级中的一个或多个。

TSN定义了三种流量类型：

 

●	计划流量：这种流量包括要求低延迟和零拥塞损失的工业自动化和控制流量。
●	最大传输流量：这种流量包括没有特定服务质量 (QoS) 要求的一般以太网流量。
●	预留流量：这种流量由不同时隙中分配的帧组成，系统为其预留指定的带宽。

 

网络和系统配置

IEEE 802.1Qcc定义了TSN系统配置。TSN使用软件定义的网络概念来自动设置和配置各种设备及网络装置。通信各方预先同意TSN对定时、调度和QoS指标的配置，然后在不同的TSN端点和交换机之间应用这些配置。自动化简化了网络的调配和管理，并提高了网络的可靠性和可扩展性。

打造支持TSN的工业产品

TSN主要与普渡 (Purdue) 控制层级中的0级、1级和2级工业控制及自动化产品相关。因此，TSN的增强功能适用于目前使用标准以太网或其某个专利版本的各种控制器、I/O设备、传感器和执行器。即使是通常更坚固的工业电缆和连接器，可能也需要随着TSN的发展而发展。

TSN目前处于早期采用阶段。为了最大限度地发挥其优势，理想情况下，TSN需要新的以太网交换机和支持TSN的端点。但是，TSN也支持向后兼容，任何以太网设备应该都能在TSN网络中正常工作。比较复杂的棕地场景需要支持TSN的协议转换器和网关。

标准以太网的TSN增强位于TCP/IP协议栈的第2层。因此，更高层级的通信标准不受这些增强的影响。许多框架和应用层协议 (如OPC-UA) 也在采用TSN。

工业、嵌入式和汽车领域的主要供应商正齐聚一堂，为各种行业用例定义TSN要求，并将TSN概念扩展到无线网络。

结论

时效性网络是标准以太网的一个很有前途的发展方向，因为它可以将IIoT的优势扩展到循环时间比较短但频率很高的工业控制领域。作为一种新兴技术，TSN仍在各种孵化试验台上进行着大量的先导测试。不过，距离TSN产品遍地开花的日子应该也不远了。

审核编辑：郭婷