自動(dòng)化中的TSN：我們現(xiàn)在處在什么階段？

近來(lái)，任何從事工業(yè)通信的人都會(huì)面對(duì)時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)的話題。TSN必將到來(lái)；這只是個(gè)時(shí)間和方式問(wèn)題。然而，即使到今天，人們對(duì)它在工業(yè)通信領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)并不是很清楚。

歷史回顧

以太網(wǎng)在20世紀(jì)80年代初被引入辦公領(lǐng)域，并因其驚人的10Mbps的高吞吐量（相對(duì)于當(dāng)時(shí)而言）迅速普及。然而，這種以太網(wǎng)對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不實(shí)用，因?yàn)樗褂帽环Q為"合用線"的通用介質(zhì)。在高利用率的情況下容易發(fā)生沖突，導(dǎo)致辦公設(shè)置問(wèn)題。

后來(lái)隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，通過(guò)引入交換網(wǎng)絡(luò)解決了沖突問(wèn)題。此外，通過(guò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)引入了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文優(yōu)先級(jí)。

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，保證低延遲尤為重要。盡管有QoS，但在辦公環(huán)境中使用的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)只能保證延遲低至某一點(diǎn)，尤其是在高網(wǎng)絡(luò)利用率的情況下。

這源于諸多原因，而主要原因是商用多端口交換機(jī)常用的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)策略和不可能預(yù)留帶寬的事實(shí)。

圖1. 以太網(wǎng)幀: 與TSN數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)相關(guān)的數(shù)據(jù)字段用綠色表示。

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)意味著交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)之前要收到完整的數(shù)據(jù)報(bào)文。這在交換機(jī)處理方面具有優(yōu)勢(shì)，但也帶來(lái)了潛在問(wèn)題，會(huì)對(duì)延遲和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響：

當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文經(jīng)過(guò)交換機(jī)時(shí)，會(huì)按照其長(zhǎng)度生成一定的延遲。如果多個(gè)交換機(jī)級(jí)聯(lián)，延遲影響會(huì)被放大。

由于交換機(jī)的存儲(chǔ)容量不是無(wú)限的，如果網(wǎng)絡(luò)使用過(guò)度（流量過(guò)多），它可能拒絕數(shù)據(jù)報(bào)文；這意味著可能會(huì)丟失數(shù)據(jù)報(bào)文（甚至那些優(yōu)先級(jí)較高的數(shù)據(jù)報(bào)文）。

長(zhǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文會(huì)長(zhǎng)時(shí)間堵塞端口。

交換機(jī)級(jí)聯(lián)從一開始就給工業(yè)環(huán)境應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。除了用于IT領(lǐng)域中的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以外，自動(dòng)化領(lǐng)域也常使用線型、環(huán)型和樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些經(jīng)過(guò)調(diào)整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大幅降低了以太網(wǎng)安裝的布線要求和成本。因此，在工業(yè)應(yīng)用中，采用直通式策略的雙端口交換機(jī)被整合到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。直通式意味著數(shù)據(jù)報(bào)文在被完全接收前被轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

必須保證總是能為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)報(bào)文提供足夠的帶寬（和緩沖區(qū)空間）。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)目前還無(wú)法做到這一點(diǎn)。

一體適用的技術(shù)：工業(yè)以太網(wǎng)橫空出世

由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)沒(méi)有足夠的帶寬預(yù)留功能，自動(dòng)化領(lǐng)域的專家從2000年就開始著手開發(fā)自己的以太網(wǎng)版本。然而，他們選取的開發(fā)路徑各不相同。以下方法各有特色：

使用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸介質(zhì)的協(xié)議。這些協(xié)議要求自己完全控制以太網(wǎng)介質(zhì)。傳統(tǒng)的TCP/IP通信只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線（EtherCAT?和POWERLINK?）或現(xiàn)場(chǎng)總線(Sercos)分配的通道進(jìn)行搭載?，F(xiàn)場(chǎng)總線牢牢掌握著帶寬控制。

通過(guò)以太網(wǎng)上的時(shí)間分片程序來(lái)保證帶寬預(yù)留的協(xié)議。這里要提一下PROFINET? IRT。IRT支持在運(yùn)行軟實(shí)時(shí)或背景流量的相同電纜上進(jìn)行確定性硬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。時(shí)間片的規(guī)劃需要一個(gè)精確的傳輸路徑時(shí)序模型。

基于共享以太網(wǎng)電纜的協(xié)議。這些協(xié)議使用QoS并非常適用于工廠自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用。PROFINET RT和EtherNet/IP是值得關(guān)注的例子。這些協(xié)議僅限用于軟實(shí)時(shí)（周期時(shí)間≥1 ms）范圍。

圖3. 時(shí)序模型：PHY、電纜和交換機(jī)會(huì)影響到數(shù)據(jù)傳輸延遲。使用時(shí)隙方法（PROFINET IRT和TSN時(shí)間感知整形器(TAS)）時(shí)必須考慮這一點(diǎn)。

這些標(biāo)準(zhǔn)需要特殊的硬件來(lái)支持，因此需要使用特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP?也是基于嵌入式雙端口直通式交換機(jī)的，因此它們?cè)谶@一點(diǎn)上也不例外。諸如ADI的fido5000之類的靈活、基于硬件的多協(xié)議解決方案以精簡(jiǎn)的方式解決了這個(gè)問(wèn)題。

步入TSN

借助TSN，業(yè)界已經(jīng)成功開發(fā)出符合IEEE 802.1的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)擴(kuò)展版本，成功地?cái)[脫了過(guò)去的限制。因此，ISO七層模型中的標(biāo)準(zhǔn)化第2層現(xiàn)在已經(jīng)可以向上兼容之前的以太網(wǎng)和硬實(shí)時(shí)功能。通過(guò)802.1AS-rev，TSN還定義了可互操作的統(tǒng)一方法，用于同步網(wǎng)絡(luò)中的分布式時(shí)鐘。由于通過(guò)TSN總能實(shí)現(xiàn)"盡力而為"的通信，所以在硬實(shí)時(shí)應(yīng)用以及所有其它應(yīng)用（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、SSH等）中，共用電纜成為可能。在這方面，TSN與PROFINET IRT并沒(méi)有什么不同，它也提供了相仿的性能。

采用TSN的新增需求是需要更廣泛的網(wǎng)絡(luò)配置。集中式或分布式配置均有可能。目前正在討論和實(shí)施兼顧兩種類型的配置。未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)兩種配置機(jī)制之間的互操作性。

這一切都再好不過(guò)了，TSN的實(shí)際優(yōu)勢(shì)到底是什么？

最常見(jiàn)的答案是，它提供了市面上更低成本的網(wǎng)絡(luò)接口，并且適用于更廣泛的市場(chǎng)。畢竟，TSN也能用于未來(lái)的樓宇自動(dòng)化和汽車行業(yè)中。事實(shí)上，預(yù)計(jì)嵌入式TSN解決方案的市場(chǎng)規(guī)模將大大超過(guò)所有工業(yè)以太網(wǎng)解決方案當(dāng)前市場(chǎng)的總和。

TSN相較以前的工業(yè)以太網(wǎng)方式較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是其可擴(kuò)展性。與當(dāng)前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同，TSN并不針對(duì)特定的傳輸速率進(jìn)行定義。TSN可用于100 Mbps，也可同樣用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。

它還更好地優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)楝F(xiàn)在可以針對(duì)各個(gè)不同的區(qū)段選擇與之相適應(yīng)的數(shù)據(jù)速率。無(wú)論是1 Gbps、100 Mbps還是10 Mbps，都使用統(tǒng)一的第2層——IEEE802.1/TSN。

統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施還有助于相關(guān)人員完成建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)TSN，解決方案現(xiàn)在可以用于自動(dòng)化以外的其它領(lǐng)域，如建筑、過(guò)程和工廠自動(dòng)化以及能源分配等。

這為我們帶來(lái)了下一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即培訓(xùn)因素。TSN已經(jīng)成為許多大學(xué)的課題，多數(shù)尚處在研究階段。然而，技術(shù)和職業(yè)學(xué)院已經(jīng)對(duì)這個(gè)課題表現(xiàn)出極大的興趣。我們可以相當(dāng)負(fù)責(zé)任地說(shuō)，TSN將成為工程師、技術(shù)人員和技術(shù)工人的必備基本知識(shí)。將不再需要針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行再培訓(xùn)。

"棕地"(Brownfield)，即現(xiàn)有的協(xié)議該怎么辦？

在幾乎所有與TSN相關(guān)的工作組中，都會(huì)反復(fù)出現(xiàn)一個(gè)主題：如何同時(shí)保障向TSN的過(guò)渡和向現(xiàn)有安裝系統(tǒng)（如"棕地"應(yīng)用）的供給？

圖4. 棕地：TSN網(wǎng)絡(luò)與PROFINET和EtherCAT相結(jié)合。

在各方面，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)都是旨在讓客戶能夠輕松順利地過(guò)渡到TSN。今天，我們可以有把握地說(shuō)，現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會(huì)在一夜之間消失。與之相反，任何人當(dāng)前正在使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或類似普遍的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，他們都可以很有把握地假定，在10年內(nèi)他們還是能夠使用這些協(xié)議運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，并獲得支持和替換部件。

所有工業(yè)以太網(wǎng)組織都提供了模型，用來(lái)描述現(xiàn)有工廠如何與基于TSN的新設(shè)備協(xié)同工作?，F(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接口由網(wǎng)關(guān)(Sercos)、帶耦合器(EtherCAT)或沒(méi)有任何特殊硬件(PROFINET RT)的接口組成。特別是PROFINET和EtherNet/IP計(jì)劃將其完整協(xié)議作為第2層用于TSN。

這使得逐步過(guò)渡到TSN成為可能。

總之，TSN將在新裝置中隨處可見(jiàn)，并逐漸以島或區(qū)段的形式導(dǎo)入至現(xiàn)有裝置中。

然而，伴隨著TSN，工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⒂楷F(xiàn)出新的協(xié)議。帶有新傳輸協(xié)議PUB/SUB的OPC UA與TSN一起，已被視為傳統(tǒng)協(xié)議的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的制造商來(lái)說(shuō)，這意味著它們不得不同時(shí)支持傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及TSN和新協(xié)議。

審核編輯：郭婷