文章來(lái)源：中國(guó)工業(yè)報(bào)
平臺(tái)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心。從產(chǎn)業(yè)來(lái)看，IaaS平臺(tái)、PaaS平臺(tái)、邊緣平臺(tái)以及應(yīng)用平臺(tái)等構(gòu)成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的主體。但網(wǎng)絡(luò)尤其是內(nèi)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的暢通才是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)應(yīng)用的先決條件。
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN，Time-Sensitive Networking）已成為工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)向下一代發(fā)展的業(yè)界共識(shí)。《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》明確要求：實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)標(biāo)桿計(jì)劃，支持工業(yè)企業(yè)綜合運(yùn)用5G、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、邊緣計(jì)算等技術(shù)，提升行業(yè)應(yīng)用各環(huán)節(jié)網(wǎng)絡(luò)化水平。作為面向工業(yè)智能化生產(chǎn)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(shí)時(shí)控制信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。
解決互聯(lián)互通 助力工廠OICT融合
TSN是一項(xiàng)從視頻音頻數(shù)據(jù)領(lǐng)域延伸至工業(yè)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域的技術(shù)，最初來(lái)源于音視頻領(lǐng)域的應(yīng)用需求，當(dāng)時(shí)被稱為AVB（以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)）。由于針對(duì)音視頻網(wǎng)絡(luò)需要較高的帶寬和最大限度的實(shí)時(shí)性，借助AVB能較好的傳輸高質(zhì)量音視頻。
傳輸音頻和視頻信息的網(wǎng)絡(luò)需要遵守嚴(yán)格的時(shí)序規(guī)則，如果音頻或視頻信息不能遵守指定的時(shí)序規(guī)則到達(dá)目的地，接收設(shè)備（例如視頻屏幕或揚(yáng)聲器）可能會(huì)發(fā)生視頻幀被丟棄、音頻偽像的情況。此外，這種網(wǎng)絡(luò)還需要可預(yù)測(cè)的延遲，保證視頻和相關(guān)音頻流之間的同步。
另一方面，在音視頻應(yīng)用場(chǎng)景中有很多高清的數(shù)據(jù)要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)教幚碇行模瑢?duì)帶寬的需求極大。為了最大限度的提供實(shí)時(shí)性，這些圖像、音頻必須實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)的傳輸與處理，可以想象其對(duì)帶寬和實(shí)時(shí)性的高要求。
2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務(wù)組，此后的幾年里，任務(wù)組成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)膯?wèn)題，受到工業(yè)、汽車等領(lǐng)域人士的關(guān)注。2012年，AVB任務(wù)組在其章程中擴(kuò)大了時(shí)間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時(shí)將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務(wù)組。
在工業(yè)領(lǐng)域，控制低時(shí)延、確定性的數(shù)據(jù)傳輸是剛需，而大量的工業(yè)實(shí)時(shí)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(luò)碎片化、OICT融合困難。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要一個(gè)可互操作的系統(tǒng)，能夠支持多協(xié)議在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)互通和互操作。
工廠數(shù)字化的推進(jìn)必須依賴于一個(gè)大容量、異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范網(wǎng)絡(luò)。TSN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，恰好滿足了這個(gè)需求。TSN采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、封閉、連接的困難，使得整個(gè)OICT融合中的效率得以提高，降低了不必要的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本。
TSN在確保數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中與其它開放式網(wǎng)絡(luò)、以及IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，從而解決互聯(lián)互通的問(wèn)題，提高工業(yè)設(shè)備的連接性和確定性，實(shí)現(xiàn)OICT的融合。
圖為TSN在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的位置（來(lái)源：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）產(chǎn)業(yè)白皮書1.0）
以當(dāng)下火熱的數(shù)字孿生為例，它與傳統(tǒng)建模仿真有一個(gè)較大的差異在于其實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)交互”。數(shù)字孿生通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，包括不確定、非線性任務(wù)中的變量采集，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的目標(biāo)，這個(gè)過(guò)程可以采用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)質(zhì)量相關(guān)性進(jìn)行分析，也可以對(duì)調(diào)度策略進(jìn)行全局分析，之后再把這些分析與優(yōu)化的結(jié)果、算法與模型部署到現(xiàn)場(chǎng)控制器，并實(shí)時(shí)指導(dǎo)應(yīng)用。
對(duì)于個(gè)性化生產(chǎn)而言，這需要實(shí)體與虛體的“實(shí)時(shí)”交互，但由于數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了很高的要求，必須確保網(wǎng)絡(luò)的高速響應(yīng)，否則難以達(dá)到動(dòng)態(tài)與實(shí)時(shí)的效果。通過(guò)TSN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器、控制、運(yùn)營(yíng)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，確保整體運(yùn)營(yíng)的一致性。
TSN滿足智慧交通流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性與確定性需求
在交通領(lǐng)域，大量傳感器數(shù)據(jù)的延遲產(chǎn)生于網(wǎng)絡(luò)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(cè)數(shù)據(jù)滯后，且滯后時(shí)間不可測(cè)、不確定，這些已經(jīng)成為影響交通數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合、車路協(xié)同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、高效實(shí)時(shí)控制的屏障。在有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬之下，如何在不中斷大量的業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)的同時(shí)確保關(guān)鍵性控制數(shù)據(jù)的確定性、實(shí)時(shí)性傳輸，成為智能交通行業(yè)的一個(gè)痛點(diǎn)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(luò)），而燈光、車門、遙控等采用LIN系統(tǒng)（一種串行通訊網(wǎng)絡(luò)，適用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、性能或容錯(cuò)功能要求不高的應(yīng)用）。但隨著自動(dòng)駕駛或者智能駕駛的提出，CAN總線無(wú)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(shí)間敏感機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間確定性。同時(shí)利用數(shù)據(jù)整形，確保無(wú)論發(fā)生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯(cuò)誤，均能強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)可靠的通訊。此選項(xiàng)確保關(guān)鍵流量的復(fù)本在網(wǎng)絡(luò)中能以不相交集的路徑進(jìn)行傳送，只保留首先到達(dá)目的地的任何封包，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫冗余，達(dá)到超高的可靠性，這對(duì)車輛控制，尤其是無(wú)人駕駛非常重要。實(shí)際上，上述所有系統(tǒng)都可以用支持低延時(shí)且具有實(shí)時(shí)傳輸機(jī)制的TSN進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而降低給汽車和專業(yè)的A/V設(shè)備增加網(wǎng)絡(luò)功能的成本及復(fù)雜性。
在車輛中，實(shí)時(shí)功能對(duì)于某些應(yīng)用至關(guān)重要。為確保這些實(shí)時(shí)功能可用，必須在以太網(wǎng)控制器中設(shè)置具有直接訪問(wèn)硬件資源的機(jī)制。TSN構(gòu)建了可擴(kuò)展的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，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(jí)，并對(duì)其延遲和優(yōu)先級(jí)進(jìn)行了分類，每個(gè)消息類被分配到一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)。
其優(yōu)勢(shì)如下：
基于時(shí)間片的流量調(diào)度，避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“流量餓死”；
保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性，避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“擁塞”；
提供微秒級(jí)的周期調(diào)度，解決周期性和非周期性數(shù)據(jù)共存問(wèn)題；
統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，提供基于業(yè)務(wù)的時(shí)間編排，避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)配置。
目前，很多廠商都將TSN與自身的硬件設(shè)備相結(jié)合，并達(dá)到了良好的效能。業(yè)內(nèi)典型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“根”技術(shù)解決方案廠商——東土科技，就是個(gè)不錯(cuò)的踐行者。
東土科技全系列TSN工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品包含芯片、交換機(jī)、終端、交換軟件平臺(tái)、CNC及邊緣控制器等，其中SICOM3000TSN交換機(jī)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(luò)創(chuàng)新大會(huì)”上榮獲首批“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）產(chǎn)業(yè)鏈名錄計(jì)劃”測(cè)試認(rèn)證證書，并已在重慶、西安、沈陽(yáng)等地實(shí)際工廠進(jìn)行應(yīng)用，系統(tǒng)提供了微秒級(jí)確定性服務(wù)，保證實(shí)時(shí)性需求；產(chǎn)品可降低整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸；有效提升了產(chǎn)線中工業(yè)控制流量傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、確定性和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。
在接入普通交換機(jī)時(shí)，各業(yè)務(wù)流共享全部帶寬，在出口擁塞情況下，只有部分高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流被轉(zhuǎn)發(fā)，其他流量被沖掉。但在TSN交換機(jī)中，可以設(shè)置最小時(shí)間精度為納秒級(jí)的顆粒度，并針對(duì)不同的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)分配不同的時(shí)間窗設(shè)置，各業(yè)務(wù)流均按時(shí)間片進(jìn)行轉(zhuǎn)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(wù)流數(shù)據(jù)的確定性傳輸，從而滿足核心業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。
設(shè)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(dòng)偵測(cè)，全/半雙工，MDI/MDI-X自適應(yīng);
支持TSN相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.1AS-Rev / IEEE1588 / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qci / IEEE802.1CB / IEEE 802.1Qcc；
支持CNC集中網(wǎng)絡(luò)配置；
支持 IEEE 802.3 / 802.3u / 802.3x / 802.1D / 802.1W / 802.1P /802.1Q 標(biāo)準(zhǔn)；
IP40防護(hù)等級(jí)；
支持寬溫（-40℃～85℃）；
符合工業(yè)四級(jí)電磁兼容性要求。
圖為TSN網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)
面向未來(lái)，東土科技全系列TSN工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，包含芯片、交換機(jī)、終端、交換軟件平臺(tái)、CNC及邊緣控制器等產(chǎn)品將全力支持以時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)為代表的新一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，并根據(jù)各個(gè)垂直行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)打造定制化的產(chǎn)品與解決方案。
TSN將為未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)打開一扇新的窗口。雖然短期來(lái)看TSN 落地普及及市場(chǎng)接受度仍然需要一個(gè)過(guò)程，但隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破和應(yīng)用場(chǎng)景需求變化迭代升級(jí)，TSN所創(chuàng)造的價(jià)值將不可估量。
