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以太網(wǎng)在20世紀80年代早期被引入到辦公室，那時(shí)由于其高達10Mb/s的吞吐量而廣受業(yè)界歡迎。但在接下來(lái)的工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域，以太網(wǎng)卻遇到了三個(gè)方面的挑戰，即：實(shí)時(shí)性、標準化和可靠性。 最關(guān)鍵的是，為了滿(mǎn)足自動(dòng)化的實(shí)時(shí)要求，工業(yè)應用必須保證傳輸帶寬和傳輸延遲。傳統以太網(wǎng)則不能提供延遲和帶寬保證。相反，如果操作需要，在峰值時(shí)間存儲的幀數多于網(wǎng)橋緩沖存儲器可以容納的幀數，以太網(wǎng)還可以隨時(shí)丟棄幀。另外，由于幀長(cháng)不同，網(wǎng)絡(luò )還會(huì )出現延遲抖動(dòng)。 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和工業(yè)4.0的出現，進(jìn)一步推動(dòng)著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化體系結構朝著(zhù)更具互操作性、靈活性和無(wú)縫性方向發(fā)展。今天，市場(chǎng)上有多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，被普遍采用的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)主要有EtherCAT、PROFINET、POWERLINK、CC-Link等，這些協(xié)議都是在標準以太網(wǎng)的基礎上修改或增加了一些特定的協(xié)議以保證實(shí)時(shí)性和確定性。但是由于這些都是非標準以太網(wǎng)，在易用性、互操作性、帶寬和設備成本上均存在不足。 那么，究竟有沒(méi)有一種通信標準能夠實(shí)現一網(wǎng)到底，同時(shí)實(shí)時(shí)性足夠高呢？ 應運而生的TSN 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN-time sensetive networking）就是為了滿(mǎn)足工業(yè)實(shí)時(shí)通信的需求，在標準以太網(wǎng)內提供“確定性”而開(kāi)發(fā)的一組IEEE 802.1和IEEE 802.3標準，位于EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò )體系結構中的第二層——數據鏈路層，旨在通過(guò)標準以太網(wǎng)技術(shù)解決控制系統的最新需求。通過(guò)將時(shí)間關(guān)鍵型和盡力而為的數據集中到標準以太網(wǎng)中，TSN節省了成本并改進(jìn)了互操作性。 
圖1：具有TSN功能的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò )體系結構（圖源：網(wǎng)絡(luò )） TSN的六大亮點(diǎn) 顧名思義，TSN是一種注重“時(shí)間”的技術(shù)。開(kāi)發(fā)TSN就是為了提供一種方法來(lái)確保信息能夠在“確定的”時(shí)間內從A點(diǎn)傳輸到B點(diǎn)。TSN的出現是以太網(wǎng)標準不斷發(fā)展演進(jìn)的過(guò)程，從本質(zhì)上說(shuō)，它為以太網(wǎng)增加了更大的“確定性”。這也是TSN能在市場(chǎng)上脫穎而出的重要原因。 亮點(diǎn)1：標準化 TSN位于EtherNet/IP 7層模型中的第2層，是數據鏈路層的標準，它與以前的以太網(wǎng)具有向上兼容性和硬實(shí)時(shí)能力。通過(guò)802.1AS-rev，TSN還定義了一種可互操作的統一方法，用于同步網(wǎng)絡(luò )中的分布式時(shí)鐘。這一特點(diǎn)是TSN相對其他標準的壓倒性?xún)?yōu)勢，因為該標準與任何組織或公司無(wú)關(guān)。對于一個(gè)多年來(lái)一直在與多種不兼容的專(zhuān)有通信協(xié)議作斗爭的工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)，TSN帶來(lái)的好處無(wú)需贅述。 亮點(diǎn)2：可擴展性 與以前的工業(yè)以太網(wǎng)相比，TSN另一突出的技術(shù)優(yōu)勢就是它的可擴展性。TSN沒(méi)有針對特定的傳輸速率進(jìn)行定義，使用者可根據網(wǎng)絡(luò )拓撲選擇合適的數據速率，100 Mb/s、1 Gb/s、10 Mb/s或5 Gb/s，這些都是可行的。由此還衍生出另一好處，即統一的網(wǎng)絡(luò )基礎設施可以減輕負責設置和維護網(wǎng)絡(luò )人員的工作負擔。 亮點(diǎn)3：低延遲 對于工業(yè)通信應用，保證延遲是至關(guān)重要的。有了TSN，不同的流量等級可以在網(wǎng)絡(luò )上共存，而不會(huì )對來(lái)自低優(yōu)先級的流量產(chǎn)生影響。也就是說(shuō)，TSN允許關(guān)鍵消息與其他低等級的以太網(wǎng)流量在同一通信線(xiàn)路發(fā)送，而不受干擾或延遲。 亮點(diǎn)4：安全性增強 由于TSN使用的是標準以太網(wǎng)，因此已經(jīng)部署在IT網(wǎng)絡(luò )中的安全機制可以應用于使用TSN的網(wǎng)絡(luò )控制，從而以較低的成本確保了網(wǎng)絡(luò )的安全性。 亮點(diǎn)5：實(shí)現網(wǎng)絡(luò )融合 TSN使以前出于操作完整性、實(shí)時(shí)性能、安全性等原因而分開(kāi)的網(wǎng)絡(luò )和系統得以融合，打破了關(guān)鍵系統和非關(guān)鍵系統之間的通信障礙，這也是IIoT和工業(yè)4.0的基本概念。此外，更高層協(xié)議可與TSN結合，因為T(mén)SN位于數據鏈路層，其中包括OPC-UA以及其他協(xié)議等。 亮點(diǎn)6：實(shí)施成本低 通過(guò)在單個(gè)網(wǎng)絡(luò )基礎設施上聚合不同的流量等級，可以顯著(zhù)降低系統的總體成本。硬件和維護成本因網(wǎng)絡(luò )所需設備和電纜數量減少而降低。 從傳統以太網(wǎng)邁向TSN HMS Networks對工業(yè)網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)的年度研究表明，從新安裝節點(diǎn)來(lái)看，預計2020年工業(yè)以太網(wǎng)的市場(chǎng)份額將增加到64%（去年為59%)，而現場(chǎng)總線(xiàn)的市場(chǎng)份額將下降到30%（去年為35%）。從工業(yè)互聯(lián)角度看，EtherNet/IP和PROFINET居首，EtherCAT位居第三。無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)占有6%的市場(chǎng)份額，其中WLAN仍是最受歡迎的技術(shù)，其次是藍牙。
圖2：HMS Networks預估2020工業(yè)網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)份額（圖源：HMS） 綜合來(lái)看，大量的物聯(lián)網(wǎng)應用需求是近些年TSN火爆的重要原因。在IEEE，許多組織的代表正在共同努力以進(jìn)一步推進(jìn)標準的實(shí)施，增加穩定性，提高性能，使TSN變得更加強大。目前，參與商業(yè)應用的公司有很多，比如思科、Broadcom、TTTech、NI、TI、NXP、ADI等，他們一直致力于開(kāi)發(fā)專(zhuān)為惡劣環(huán)境設計的TSN交換機、芯片、軟件平臺等。 思科公司所有型號的IE-4000都支持TSN，從Cisco IOS軟件版本15.2（5）E2開(kāi)始，TSN功能可用。IE-4000作為一個(gè)TSN橋運行，實(shí)現了ieee802.1Qbv和ieee802.1AS功能，支持通過(guò)其以太網(wǎng)接口的數百個(gè)TSN流。 2017年NI就推出了兩款多時(shí)隙以太網(wǎng)機箱，在cDAQ-9185和cDAQ-9189中采用基于時(shí)間同步的最新以太網(wǎng)標準，提供與TSN的緊密時(shí)間同步，以簡(jiǎn)化和改善同步分布式系統的可擴展性。 2018年TI推出了業(yè)界首款多協(xié)議千兆位時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )處理器系列產(chǎn)品。高度集成的Sitara AM6x處理器系列提供工業(yè)級可靠性。通過(guò)支持特定子系統中TSN標準和其他工業(yè)協(xié)議的千兆吞吐率，Sitara AM6x處理器可以在單個(gè)網(wǎng)絡(luò )上融合以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)數據流量。此功能對于工業(yè)4.0應用中的實(shí)時(shí)通信至關(guān)重要，并且可在工廠(chǎng)中實(shí)現軟件可重新配置的網(wǎng)絡(luò )物理系統。
圖3：NXP LS1021A TSN參考設計板卡（圖源：NXP） 恩智浦（NXP）LS1021A TSN參考設計平臺包括QorIQ Layerscape LS1021A工業(yè)應用處理器和SJA1105T TSN交換機。LS1021ATSN由帶有Xenomai實(shí)時(shí)Linux的工業(yè)Linux SDK支持，它提供了在SJA1105T上配置TSN的實(shí)用程序，開(kāi)發(fā)人員可基于該平臺進(jìn)行快速設計。 ADI Chronous是一系列領(lǐng)先的終端到企業(yè)工業(yè)以太網(wǎng)連接解決方案，專(zhuān)門(mén)為加速實(shí)現工業(yè)4.0而設計，適用于苛刻的時(shí)間關(guān)鍵型環(huán)境。 隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )從傳統現場(chǎng)總線(xiàn)轉向TSN，設計和實(shí)現階段將出現多種挑戰。但有一點(diǎn)是肯定的，即現有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會(huì )在一夜之間消失。相反，今天PROFINET、EtherCAT等廣泛使用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議均對TSN表示了支持，這使得逐步過(guò)渡到TSN成為可能。 文章來(lái)源：貿澤電子 作者：Doctor M |
