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來(lái)源：貿澤電子 確定性是工業(yè)連接設計中的一個(gè)重要考量因素。工業(yè)控制和自動(dòng)化應用需要以特定的時(shí)間間隔發(fā)送和接收數據，另外還需要以非常低的延遲提供有保證的數據。數據丟失（例如在關(guān)鍵的噴氣推進(jìn)系統中）會(huì )導致非常危險的后果。 IEEE 802.1 Ethernet是一種廣泛部署的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準，其設計初衷并非為了滿(mǎn)足工業(yè)應用的這種確定性要求。為實(shí)現確定性，工業(yè)連接器、電纜和控制器中仍然使用以太網(wǎng)的專(zhuān)屬增強標準，如EtherCAT、PROFINET或SERCOS III，其結果是導致工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的標準混亂，各個(gè)部分無(wú)法互相通信。由于缺乏安全性和互操作性，這種四分五裂的網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和工業(yè)4.0應用集成的過(guò)程中就成為了瓶頸。 隨著(zhù)IEEE 802.1 Ethernet標準的發(fā)展，時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )（TSN - Time-Sensitive Networking）的出現終于解決了這個(gè)問(wèn)題。除了具有標準以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)外，TSN還可以通過(guò)非常低的延遲和抖動(dòng)來(lái)實(shí)現確定性。這就為聚合企業(yè)與工廠(chǎng)連接提供了可能性，也是工業(yè)企業(yè)接受IIoT的一個(gè)重要原因。 時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )標準 在過(guò)去的幾年間，IEEE的TSN任務(wù)組為現有802.1標準增加了一系列擴展，以在傳輸數據包時(shí)嚴格遵守企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上時(shí)間敏感流量的延遲和吞吐量要求，將其配置為適合特定的使用情況。 這些標準規定了時(shí)間敏感型流量（time-sensitive traffic）和最大傳輸流量（best-effort traffic）的優(yōu)先級準則，為各種流量類(lèi)型定義了八個(gè)VLAN優(yōu)先級。系統會(huì )為每個(gè)端到端數據包流分配這八個(gè)VLAN優(yōu)先級中的一個(gè)。最高VLAN優(yōu)先級通常分配給時(shí)間敏感型流量。 例如，汽車(chē)的安全數據（如車(chē)道偏離警告）和發(fā)動(dòng)機定時(shí)相關(guān)數據需要有保證的低延遲。而對于導航和信息娛樂(lè )流量，這個(gè)要求就寬松得多。在這種情況下，TSN很有用，因為它可以在不違反時(shí)效要求的情況下，用一根以太網(wǎng)電纜傳輸所有數據流，減少在車(chē)上為各種流量類(lèi)型安裝多條電纜的成本、重量和人力。 下圖顯示了針對TSN增強的標準套件。圖中列出了TSN的時(shí)間同步、按計劃交付和軟件定義配置等功能的關(guān)鍵能力標準。 
針對時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )增強的IEEE802.1標準套件（資料來(lái)源：Practical Industrial Internet of Things Security） 時(shí)間同步 IEEE 802.1AS規定了TSN中的時(shí)間同步，這有助于建立通信設備之間通用的時(shí)間概念。IEEE 1588精確時(shí)間同步協(xié)議（PTP - Precision Time Protocol）標準用于在網(wǎng)絡(luò )中的設備和交換機之間分配精確的基準時(shí)間。IEEE 1588ASrev為T(mén)SN提供IEEE 1588配置文件。此標準還允許使用外部參考（如GPS）來(lái)同步時(shí)間。TSN的先導測試（Pilot test）報告其時(shí)間同步精度低于100納秒。 時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )（TSN）的三種流量類(lèi)型以及網(wǎng)絡(luò )和系統配置。 流量調度 IEEE 802.1Qbv定義了一個(gè)時(shí)間感知整形器（Time Aware Shaper），有助于對TSN基礎設施中的流量進(jìn)行優(yōu)先級排序。時(shí)間感知整形器將數據交換分成多個(gè)循環(huán)重復的固定長(cháng)度時(shí)間周期。通信各方同意TSN通信將這些周期劃分成多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙可以分配八個(gè)VLAN優(yōu)先級中的一個(gè)或多個(gè)。 TSN定義了三種流量類(lèi)型： · 計劃流量：這種流量包括要求低延遲和零擁塞損失的工業(yè)自動(dòng)化和控制流量。 · 最大傳輸流量：這種流量包括沒(méi)有特定服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求的一般以太網(wǎng)流量。 · 預留流量：這種流量由不同時(shí)隙中分配的幀組成，系統為其預留指定的帶寬。 網(wǎng)絡(luò )和系統配置 IEEE 802.1Qcc定義了TSN系統配置。TSN使用軟件定義的網(wǎng)絡(luò )概念來(lái)自動(dòng)設置和配置各種設備及網(wǎng)絡(luò )裝置。通信各方預先同意TSN對定時(shí)、調度和QoS指標的配置，然后在不同的TSN端點(diǎn)和交換機之間應用這些配置。自動(dòng)化簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )的調配和管理，并提高了網(wǎng)絡(luò )的可靠性和可擴展性。 打造支持TSN的工業(yè)產(chǎn)品 TSN主要與普渡（Purdue）控制層級中的0級、1級和2級工業(yè)控制及自動(dòng)化產(chǎn)品相關(guān)。因此，TSN的增強功能適用于目前使用標準以太網(wǎng)或其某個(gè)專(zhuān)利版本的各種控制器、I/O設備、傳感器和執行器。即使是通常更堅固的工業(yè)電纜和連接器，可能也需要隨著(zhù)TSN的發(fā)展而發(fā)展。 TSN目前處于早期采用階段。為了最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，理想情況下，TSN需要新的以太網(wǎng)交換機和支持TSN的端點(diǎn)。但是，TSN也支持向后兼容，任何以太網(wǎng)設備應該都能在TSN網(wǎng)絡(luò )中正常工作。比較復雜的棕地場(chǎng)景需要支持TSN的協(xié)議轉換器和網(wǎng)關(guān)。 標準以太網(wǎng)的TSN增強位于TCP/IP協(xié)議棧的第2層。因此，更高層級的通信標準不受這些增強的影響。許多框架和應用層協(xié)議（如OPC-UA）也在采用TSN。 工業(yè)、嵌入式和汽車(chē)領(lǐng)域的主要供應商正齊聚一堂，為各種行業(yè)用例定義TSN要求，并將TSN概念擴展到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。 結論 時(shí)效性網(wǎng)絡(luò )是標準以太網(wǎng)的一個(gè)很有前途的發(fā)展方向，因為它可以將IIoT的優(yōu)勢擴展到循環(huán)時(shí)間比較短但頻率很高的工業(yè)控制領(lǐng)域。作為一種新興技術(shù)，TSN仍在各種孵化試驗臺上進(jìn)行著(zhù)大量的先導測試。不過(guò)，距離TSN產(chǎn)品遍地開(kāi)花的日子應該也不遠了。 作者簡(jiǎn)介 Sravani Bhattacharjee是一名數據通信技術(shù)專(zhuān)家，有著(zhù)20多年的從業(yè)經(jīng)歷。她是《Practical Industrial IoT Security》（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全）一書(shū)的作者，這是第一本有關(guān)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的出版書(shū)。Sravani曾擔任Cisco的技術(shù)主管直到2014年，在此期間領(lǐng)導主持了多個(gè)企業(yè)云/數據中心解決方案的架構設計和安全評估工作。作為Irecamedia.com公司的負責人，她目前致力于與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng )新力量合作，通過(guò)撰寫(xiě)各種評論和技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)內容，來(lái)推動(dòng)相關(guān)認識和商業(yè)決策的進(jìn)步。Sravani擁有電子工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位。她是一名IEEE物聯(lián)網(wǎng)小組成員，一位作者，還是一位演說(shuō)家。 |
