时间敏感网络(TSN)支持工业控制

确定性是工业连接设计中的一个重要因素。工业控制和自动化应用需要以特定时间间隔发送和接收数据。这些应用程序还要求以有限的低延迟保证数据传输。数据丢失（例如，在关键任务喷气推进系统的情况下）可能会导致危险的后果。

IEEE 802.1 以太网是一种广泛部署的企业网络标准，其设计目的并不是为了满足工业应用的这些确定性要求。为实现确定性，工业连接器、电缆和控制器中仍使用以太网的专有增强功能（如 EtherCAT、PROFINET 或 SERCOS III）。结果是支离破碎的工业网络。由于缺乏安全性和互操作性，分段网络成为工业控制网络与工业物联网 (IIoT) 和工业 4.0 应用集成的瓶颈。

作为 IEEE 802.1 以太网标准的演进，时间敏感网络 (TSN) 正面解决了这些问题。除了标准以太网的优势之外，TSN 还可以提供具有有限低延迟和抖动的确定性。这提供了融合企业和工厂连接的路线图。这也是工业公司采用 IIoT 的一个令人信服的理由。

时间敏感的网络标准

在过去几年中，IEEE 的 TSN 任务组为现有 802.1 标准添加了一系列扩展，以支持数据包传输，同时遵守同一互连企业网络上对时间敏感的流量的严格延迟和吞吐量要求。延迟和吞吐量是可配置的，以适应特定的用例。

这些标准设定了在时间敏感和尽力而为的流量之间分配时间的准则。定义了八个 VLAN 优先级以区分各种流量类型。每个端到端数据包流都分配了八个 VLAN 优先级之一。最高 VLAN 优先级通常分配给时间敏感的流量。

例如，在车辆中，安全（例如，车道偏离警告）和发动机正时相关数据需要保证延迟。对于导航和信息娱乐流量，要求要宽松得多。TSN 在此类用例中很有用，因为它可以在不影响时序要求的情况下通过同一以太网电缆组合所有流。这减少了为各种交通类型在车辆中安装多条电缆的成本、重量和劳动力。

图 1显示了为 TSN 增强的标准套件。图表中突出显示了 TSN 在时间同步、计划交付和软件定义配置方面的关键能力标准。

图 1：为时间敏感网络增强的 IEEE 802.1 标准套件（来源：Practical Industrial Internet of Things Security）

时间同步

IEEE 802.1AS 规定了 TSN 中的时间同步，这有助于在通信设备之间建立通用的时间概念。IEEE 1588 精确时间协议 (PTP) 标准用于在网络中的设备和交换机之间分发准确的定时参考。IEEE 1588ASrev 为 TSN 提供 IEEE 1588 配置文件。该标准还允许使用外部参考（例如 GPS）来同步时间。TSN 的试点测试报告时间同步精度低于 100 纳秒。

交通调度

IEEE 802.1Qbv 定义了一种时间感知整形器，有助于确定 TSN 基础设施中流量的优先级。时间感知整形器将数据交换分成固定长度、重复的时间周期。同行同意 TSN 通信将这些周期划分为时隙。每个时隙都可以分配给八个 VLAN 优先级中的一个或多个。

TSN 定义了三种流量类型：

预定流量：预定流量示例包括需要有限延迟和零拥塞损失的工业自动化和控制流量。

尽力而为流量：尽力而为流量由没有特定服务质量 (QoS) 要求的一般以太网流量组成。

预留流量：预留流量类型由分配在具有指定带宽预留的不同时隙中的帧组成。

网络和系统配置

IEEE 802.1Qcc 定义了 TSN 系统配置。TSN 使用软件定义的网络概念来自动设置和配置设备和网络设备。同行提前就时序、调度和 QoS 指标的 TSN 配置达成一致。然后在各种 TSN 端点和交换机上提供这些配置。自动化简化了配置和管理，并提高了网络的可靠性和可扩展性。

构建支持 TSN 的工业产品

TSN 主要与 Purdue 控制层次结构中的 0、1、2 级工业控制和自动化产品相关。因此，TSN 增强功能适用于目前使用标准以太网或其专有变体之一的各种控制器、I/O 设备、传感器和执行器。通常更坚固的工业电缆和连接器可能也需要与 TSN 一起发展。

TSN 目前处于早期采用阶段。为了最大限度地发挥其优势，理想情况下，TSN 需要新的以太网交换机和支持 TSN 的端点。但 TSN 也是为向后兼容而设计的。任何以太网设备都应该在 TSN 网络中正常工作。棕地场景需要支持 TSN 的协议转换器和网关。

TSN 对标准以太网的增强位于 TCP/IP 堆栈的第 2 层。因此，更高层的通信标准不受这些增强的影响。许多框架和应用层协议，如 OPC-UA 也正在采用 TSN。

主要的工业、嵌入式和汽车供应商齐聚一堂，为各种行业用例定义 TSN 要求，并将 TSN 概念扩展到无线网络。

结论

时间敏感型网络是对标准以太网的一种很有前途的演进，因为它将 IIoT 的优势扩展到紧密环路的工业控制域。TSN作为一项新兴技术，目前还在各个孵化试验台进行大量试点测试。然而，距离符合 TSN 标准的产品成为常态可能不会太远。

关键点：

IEEE 802.1 以太网无法为工业应用提供确定性性能。

时间敏感网络是具有确定性功能的标准以太网的演变。

支持 TSN 的产品支持使用基于开放标准的 IP/以太网技术升级工业控制网络。

审核编辑：汤梓红