Time Sensitive Networking

數字化工廠對通信的互操作性和簡單性要求更高，而TSN（時間敏感網絡）則是專門為滿足這些要求而設計的新一代以太網技術。雖然TSN的引入需要根據不同的行業領域逐步進行，但在一些諸如鐵路、航空航天等關鍵領域，正在采用TSN作為其新平臺的標準IT/OT網絡。目前，虹科的TSN IP核、TSN板卡、TSN交換機等多種TSN解決方案已嵌入到工業部門的終端設備、TSN測試設備和鐵路系統中。

Part 1

推進工業網絡OT/IT的融合

在工業自動化和數字化深入發展的工業3.0階段，生產和管理之間相互關聯的金字塔形拓撲結構被重新定義。如圖1所示，在金字塔的底層，生產通常由定義輸入和輸出邏輯的PLC控制。在更高的層面上，SCADA 和工業 MES 生產管理軟件從底層的媒介工具接收信息。在金字塔的最高點，ERP類全方面資源管理軟件將用于規劃企業的整體業務操作。

圖1工業3.0階段的金字塔示意圖

數字化進程的演變基于對 "數據 "的大量使用，并旨在通過對產品和生產的全面了解，獲得更大的生產力。這種正全球推進的行業數字化正迫使運營網絡（Operational Technologies - OT）和數據網絡（Information Technologies - IT）通過網關技術互連。在 OT 和 IT 兩個世界中部署的技術通常完全不同，并且通常不可互操作。這種不匹配導致了大量異構設備的出現，這被稱為“棕色地帶（Brownfield）”。

然而，OT/IT的融合并沒有因此而停滯，相反，它提出了一種在鏈路層使用對OT/IT兩個世界都有效的通信技術解決方案。通過這種方式，在同質工廠中實現全對全數據交換拓撲是可行的。如圖2所示，在底部靠近生產裝置附近放置了一個基于分布式控制的結構，即基于一定的智能和通信能力的輸入/輸出單元。這種稱為 Field I/O 的結構與強大的計算和通信邊緣計算設備以及本地服務器連接構成了本地云（Local Cloud）。

圖2 工業4.0階段的支柱示意圖

在這種情況下，傳統的基于層的通信和網絡安全計劃不再有效，包括在現場I/O中的單元將直接與應用和服務進行通信，因而需要一個單一的OT與IT互連網絡，即所謂的工廠主干網（Factory Backbone）。然而，要從理論走向實踐，則需要一種有效的通信技術來支持 OT 流量的實時行為和 IT應用程序所需的大帶寬。此外，它必須是安全的，甚至是可互操作的、標準化的和免許可的。而時間敏感網絡技術，則是成為這一需求的最佳方案。

Part 2

時間敏感網絡TSN

自1983 年本地計算機網絡解決方案被標準化為以太網以來，時間敏感網絡便已經從技術和應用層面上得到了發展。雖然它最初的用途是面向本地計算機網絡，但以太網技術已經擴展到其他多個領域。事實上，它已成為現場總線的事實標準，并因在工業（Profinet、以太網 IP、Ethercat、Sercos III 等）、電氣行業（IEC 61850的高可用性以太網）和汽車行業中的廣泛應用而脫穎而出。

過去出現的多種基于以太網的方案解決了以太網在其原始版本中的一個關鍵缺點：缺乏實時通信支持。由于這些專有解決方案的應用，OT中對確定性的要求已被滿足。然而，不同制造商的解決方案缺乏可解釋性，限制了最終用戶向獨特的計算和網絡基礎設施自由演進的能力。因此，市場需要具有確保長久使用且獨立于供應商的標準化技術解決方案。這樣的方案將顯著降低設備成本和維護工作量，并大大簡化數據分析服務、機器學習、MES或ERP等工業軟件的集成工作。

從這個意義上說，時間敏感網絡任務組定義的 IEEE 標準集在 IEEE 802 上提供確定性通信服務，而這組標準被稱為時間敏感網絡 (TSN)。目前，原AVB工作組已更名為IEEE TSN 任務組，負責制定與TSN相關的所有標準。TSN技術的基礎是時間整形器（Time-Aware Shaper）。該機制旨在將以太網中的通信分為固定持續時間的重復循環，這些循環根據組成網絡的節點允許的 TSN 配置分為臨時窗口，可以為每個時間窗口配置和分配八個可用的以太網優先級中的一個或多個。時間感知整形器的操作細節在 IEEE 802.1Qbv 標準中被定義。

考慮到這種區分能力，TSN定義了三種基本的流量類型：計劃流量、盡力而為流量和預留流量。計劃流量適用于硬實時消息，盡力而為流量是對任何其他服務質量指標均不敏感的常規以太網流量，而分配給不同時間窗口且為每個優先級類型設置了預留帶寬的消息被視為預留流量。這種特定的帶寬預留容量對于具有軟實時要求的信息（例如視頻流）非常有用。

圖3根據 TSN 流量類型在時間窗口 (Slots) 中的分布

圖 3 顯示了 TSN 通信的基本時序圖。在圖3中，每個周期由 2 個插槽組成。計劃流量分配給第一個，而盡力而為流量和預留流量則在第二個中并存。典型配置中每個周期需要 8 個插槽，這為定義每個數據流的詳細 QoS 參數提供了足夠的多功能性。