时间敏感型网络：实时以太网

关于以太网的讨论引起了对安全数据传输和实时性的需求不断增加。这就是时间敏感网络（TSN）问题发挥作用的地方，TSN是在IEEE 802时间敏感网络任务组（TSN TG）框架内开发的几个子标准的组合。其目的是通过将经典以太网与工业通信所需的实时功能相结合，将所有工业通信统一起来。在这里，保证延迟和相应的确定性是关键参数。这些已无法通过传统以太网实现，尤其是在高网络负载下，因为传统交换机通常会在看到消息、需要去哪里以及消息转发发生之前缓冲消息。然而，新的应用，特别是在物联网和工业4.0时代，需要能够更快、更准确地控制带宽分配的技术。未来，TSN或其子标准将使传统以太网的实时功能得到补充成为可能，即使在高达千兆字节范围内的高数据传输速率下也是如此。除了实时能力和确定性之外，TSN还提供了另一个巨大的技术优势。扩展网络的能力允许TSN以10 Mbps，100 Mbps，1 Gbps或10 Gbps的速度运行。但是，这需要详细且因此更复杂的网络配置。1 Gbps 及以上的传输速率是当今网络的逻辑演变。1 Gbps 为新的 （IoT） 应用开辟了道路，并有助于克服数据密集型应用中的性能瓶颈。但是，TSN作为一个系统只有在终端和以太网交换机都支持TSN功能时才能完全有效。这些TSN功能和标准如图1所示。

图1.TSN标准。

由图示子标准组成的完整TSN软件包目前尚未完成。如图 1 所示，IEEE 802.1AS-REV（时间同步）和 IEEE 802.1Qcc（流保留）这两个子标准仍在 IEEE 802.1 时间敏感型网络任务组中讨论。很难估计这些开放的子标准何时会被完全定义。但是，这项工作应在2019年中期完成。尽管如此，即使TSN标准的当前状态，也已经根据IEEE 802.1创建了向上兼容的标准以太网的进一步发展。例如，最近采用的子标准提供了一种可互操作的方法来同步分布在整个网络中的时钟信号。同时，它们允许在其他设备也使用的共享传输介质上进行确定性的实时。因此，TSN调节ISO/OSI参考模型第2层的数据通信（见图2）。

图2.ISO/OSI 参考模型。

严格来说，TSN代表以太网中具有实时能力的第2层，但不是完整的实时协议。也就是说，TSN不会取代PROFINET，EtherNet/IP和类似的以太网协议。相反，从长远来看，这些工业以太网协议将在第 2 层支持 TSN——因此经典的工业以太网协议不会消失，但将来将建立在 TSN 之上。另一方面，现场总线可能会被以太网永久取代。

为了能够支持未来的所有工业标准，需要用户专用ASIC形式的特殊，灵活的硬件。ADI公司（ADI）优雅的多协议芯片解决方案fido5000就是一个例子。TSN所需的硬件已经集成到该以太网交换机芯片中。一旦完全定义了所有子标准，就可以通过固件更新轻松调整该芯片。因此，它为TSN做好了准备，因此为TSN做好了准备。

图3.TSN 支持的 fido5000 标准。

然而，为了使从标准工业以太网应用到TSN的过渡是渐进的，并尽可能简单，标准化机构为现有工厂如何与新的基于TSN的设备合作提供了模型。这涉及使用 ISO/OSI 参考模型的统一第 1、2 和 3 层，这允许在可扩展性和性能方面采用全新的方法。但是，这要求整个网络及其所有组件（例如交换机）支持各种通信协议。这实现了统一的确定性基础设施，TSN网络可以利用其优于传统标准以太网的优势。

然而，由于尚未完全定义完整的TSN标准，许多公司目前不愿意实施TSN。转换可能需要一些时间，尽管终端已经可以从TSN网络中受益，因为由于现有的TSN交换机已经提供了确定性和实时功能。因此，毫无疑问，TSN将成为未来的以太网标准。唯一悬而未决的问题是，完整的TSN封装何时准备就绪，并在业界找到合适的应用。

审核编辑：郭婷