文章來源：中國工業(yè)報
平臺是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心。從產(chǎn)業(yè)來看，IaaS平臺、PaaS平臺、邊緣平臺以及應用平臺等構成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的主體。但網(wǎng)絡尤其是內(nèi)場網(wǎng)絡的暢通才是實現(xiàn)平臺應用的先決條件。
時間敏感網(wǎng)絡（TSN，Time-Sensitive Networking）已成為工業(yè)有線網(wǎng)絡向下一代發(fā)展的業(yè)界共識。《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021-2023年）》明確要求：實施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)標桿計劃，支持工業(yè)企業(yè)綜合運用5G、時間敏感網(wǎng)絡（TSN）、邊緣計算等技術，提升行業(yè)應用各環(huán)節(jié)網(wǎng)絡化水平。作為面向工業(yè)智能化生產(chǎn)的新型網(wǎng)絡技術，TSN為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境提供了一種既支持高速率、大帶寬的數(shù)據(jù)采集，又兼顧高實時控制信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡。
解決互聯(lián)互通 助力工廠OICT融合
TSN是一項從視頻音頻數(shù)據(jù)領域延伸至工業(yè)領域、汽車領域的技術，最初來源于音視頻領域的應用需求，當時被稱為AVB（以太網(wǎng)音視頻橋接技術）。由于針對音視頻網(wǎng)絡需要較高的帶寬和最大限度的實時性，借助AVB能較好的傳輸高質量音視頻。
傳輸音頻和視頻信息的網(wǎng)絡需要遵守嚴格的時序規(guī)則，如果音頻或視頻信息不能遵守指定的時序規(guī)則到達目的地，接收設備（例如視頻屏幕或揚聲器）可能會發(fā)生視頻幀被丟棄、音頻偽像的情況。此外，這種網(wǎng)絡還需要可預測的延遲，保證視頻和相關音頻流之間的同步。
另一方面，在音視頻應用場景中有很多高清的數(shù)據(jù)要通過網(wǎng)絡傳輸?shù)教幚碇行模瑢挼男枨髽O大。為了最大限度的提供實時性，這些圖像、音頻必須實現(xiàn)高實時的傳輸與處理，可以想象其對帶寬和實時性的高要求。
2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務組，此后的幾年里，任務組成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}，受到工業(yè)、汽車等領域人士的關注。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網(wǎng)的應用需求和適用范圍，并同時將任務組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務組。
在工業(yè)領域，控制低時延、確定性的數(shù)據(jù)傳輸是剛需，而大量的工業(yè)實時以太網(wǎng)協(xié)議（如Ethernet/IP、Profinet、Modbus-IDA等）互不相通或相通難度、成本居高不下，網(wǎng)絡碎片化、OICT融合困難。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要一個可互操作的系統(tǒng)，能夠支持多協(xié)議在同一個網(wǎng)絡上實現(xiàn)互通和互操作。
工廠數(shù)字化的推進必須依賴于一個大容量、異構數(shù)據(jù)的標準與規(guī)范網(wǎng)絡。TSN技術的優(yōu)勢，恰好滿足了這個需求。TSN采用IEEE標準的統(tǒng)一網(wǎng)絡標準，改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡復雜、封閉、連接的困難，使得整個OICT融合中的效率得以提高，降低了不必要的網(wǎng)絡構建成本。
TSN在確保數(shù)據(jù)通信的實時性的同時，實現(xiàn)在同一個網(wǎng)絡中與其它開放式網(wǎng)絡、以及IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，從而解決互聯(lián)互通的問題，提高工業(yè)設備的連接性和確定性，實現(xiàn)OICT的融合。
圖為TSN在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中的位置（來源：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡（TSN）產(chǎn)業(yè)白皮書1.0）
以當下火熱的數(shù)字孿生為例，它與傳統(tǒng)建模仿真有一個較大的差異在于其實現(xiàn)“動態(tài)交互”。數(shù)字孿生通過對數(shù)據(jù)的采集，包括不確定、非線性任務中的變量采集，實現(xiàn)全局優(yōu)化的目標，這個過程可以采用機器學習對質量相關性進行分析，也可以對調度策略進行全局分析，之后再把這些分析與優(yōu)化的結果、算法與模型部署到現(xiàn)場控制器，并實時指導應用。
對于個性化生產(chǎn)而言，這需要實體與虛體的“實時”交互，但由于數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡復雜，因此對網(wǎng)絡提出了很高的要求，必須確保網(wǎng)絡的高速響應，否則難以達到動態(tài)與實時的效果。通過TSN網(wǎng)絡，實現(xiàn)傳感器、控制、運營在一個網(wǎng)絡架構中，確保整體運營的一致性。
TSN滿足智慧交通流數(shù)據(jù)實時性與確定性需求
在交通領域，大量傳感器數(shù)據(jù)的延遲產(chǎn)生于網(wǎng)絡延遲，尤其是高帶寬需求的流數(shù)據(jù)傳輸，造成基于視頻的檢測數(shù)據(jù)滯后，且滯后時間不可測、不確定，這些已經(jīng)成為影響交通數(shù)據(jù)實時融合、車路協(xié)同實時數(shù)據(jù)交換、高效實時控制的屏障。在有限的網(wǎng)絡帶寬之下，如何在不中斷大量的業(yè)務流數(shù)據(jù)的同時確保關鍵性控制數(shù)據(jù)的確定性、實時性傳輸，成為智能交通行業(yè)的一個痛點需求。TSN為解決該需求提供了非常好的解決方案。
比如，TSN是目前車載控制系統(tǒng)的非常好的選擇。在汽車控制系統(tǒng)中，剎車、引擎、懸掛等采用CAN總線（控制器局域網(wǎng)絡），而燈光、車門、遙控等采用LIN系統(tǒng)（一種串行通訊網(wǎng)絡，適用于對網(wǎng)絡帶寬、性能或容錯功能要求不高的應用）。但隨著自動駕駛或者智能駕駛的提出，CAN總線無論是帶寬還是延遲等性能已不能滿足需求。
TSN旨在為以太網(wǎng)協(xié)議建立“通用”的時間敏感機制，以確保網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性。同時利用數(shù)據(jù)整形，確保無論發(fā)生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯誤，均能強制實現(xiàn)可靠的通訊。此選項確保關鍵流量的復本在網(wǎng)絡中能以不相交集的路徑進行傳送，只保留首先到達目的地的任何封包，從而實現(xiàn)無縫冗余，達到超高的可靠性，這對車輛控制，尤其是無人駕駛非常重要。實際上，上述所有系統(tǒng)都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統(tǒng)一管理，從而降低給汽車和專業(yè)的A/V設備增加網(wǎng)絡功能的成本及復雜性。
在車輛中，實時功能對于某些應用至關重要。為確保這些實時功能可用，必須在以太網(wǎng)控制器中設置具有直接訪問硬件資源的機制。TSN構建了可擴展的以太網(wǎng)網(wǎng)絡，讓這些功能變現(xiàn)。為此，不同的消息按照其可用性分為了不同的等級，并對其延遲和優(yōu)先級進行了分類，每個消息類被分配到一個固定的帶寬。此外，TSN 還支持冗余以太網(wǎng)系統(tǒng)，為確保穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換定義了安全標準。
其優(yōu)勢如下：
基于時間片的流量調度，避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡的“流量餓死”；
保證業(yè)務傳輸?shù)膶崟r性和確定性，避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡的“擁塞”；
提供微秒級的周期調度，解決周期性和非周期性數(shù)據(jù)共存問題；
統(tǒng)一網(wǎng)絡標準，提供基于業(yè)務的時間編排，避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡復雜的網(wǎng)絡配置。
目前，很多廠商都將TSN與自身的硬件設備相結合，并達到了良好的效能。業(yè)內(nèi)典型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“根”技術解決方案廠商——東土科技，就是個不錯的踐行者。
東土科技全系列TSN工業(yè)網(wǎng)絡產(chǎn)品包含芯片、交換機、終端、交換軟件平臺、CNC及邊緣控制器等，其中SICOM3000TSN交換機于2021年9月28日在工業(yè)和信息化部主辦的“2021工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡創(chuàng)新大會”上榮獲首批“時間敏感網(wǎng)絡（TSN）產(chǎn)業(yè)鏈名錄計劃”測試認證證書，并已在重慶、西安、沈陽等地實際工廠進行應用，系統(tǒng)提供了微秒級確定性服務，保證實時性需求；產(chǎn)品可降低整個通信網(wǎng)絡復雜度，實現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)同時傳輸；有效提升了產(chǎn)線中工業(yè)控制流量傳輸?shù)膶崟r性、確定性和網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。
在接入普通交換機時，各業(yè)務流共享全部帶寬，在出口擁塞情況下，只有部分高優(yōu)先級業(yè)務流被轉發(fā)，其他流量被沖掉。但在TSN交換機中，可以設置最小時間精度為納秒級的顆粒度，并針對不同的業(yè)務優(yōu)先級分配不同的時間窗設置，各業(yè)務流均按時間片進行轉發(fā)，這樣即使在發(fā)生擁堵的情況下，也能保證特定業(yè)務流數(shù)據(jù)的確定性傳輸，從而滿足核心業(yè)務的實時性要求。
設備參數(shù)如下：
提供豐富的端口形態(tài)，10GBase-X SFP+接口; 100/1000Base-X SFP接口; 10/100/1000Base-T(X) RJ45電口，自動偵測，全/半雙工，MDI/MDI-X自適應;
支持TSN相關協(xié)議標準：IEEE 802.1AS-Rev / IEEE1588 / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qci / IEEE802.1CB / IEEE 802.1Qcc；
支持CNC集中網(wǎng)絡配置；
支持 IEEE 802.3 / 802.3u / 802.3x / 802.1D / 802.1W / 802.1P /802.1Q 標準；
IP40防護等級；
支持寬溫（-40℃～85℃）；
符合工業(yè)四級電磁兼容性要求。
圖為TSN網(wǎng)絡整體架構
面向未來，東土科技全系列TSN工業(yè)網(wǎng)絡產(chǎn)品，包含芯片、交換機、終端、交換軟件平臺、CNC及邊緣控制器等產(chǎn)品將全力支持以時間敏感網(wǎng)絡為代表的新一代工業(yè)網(wǎng)絡技術的應用和發(fā)展，并根據(jù)各個垂直行業(yè)的應用特點打造定制化的產(chǎn)品與解決方案。
TSN將為未來的通信網(wǎng)絡打開一扇新的窗口。雖然短期來看TSN 落地普及及市場接受度仍然需要一個過程，但隨著關鍵技術的突破和應用場景需求變化迭代升級，TSN所創(chuàng)造的價值將不可估量。
