AVnu聯(lián)盟的成員們解釋了通過時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）實(shí)現(xiàn)的實(shí)時通訊會如何讓未來的工業(yè)系統(tǒng)變得更強(qiáng)大。

隨著對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0興趣的不斷增長，越來越多的設(shè)計(jì)師、工程師和最終用戶關(guān)注時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN），一套由電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）修訂的標(biāo)準(zhǔn)，從而解決以如下方式處理原始數(shù)據(jù)的需求：及時方式、減少延遲、提高魯棒性、以及為更先進(jìn)的加工制造和產(chǎn)品模型提供基礎(chǔ)。希望通過TSN，數(shù)據(jù)可以更加靈活并且可以在各層和控制系統(tǒng)之間共享。

要想支持一個工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的這些新功能并且連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，就需要一個可互操作的系統(tǒng)，并支持多個制造商、協(xié)議和機(jī)構(gòu)在同一個TSN網(wǎng)絡(luò)上共享。為了做好準(zhǔn)備，AVnu聯(lián)盟選擇并認(rèn)證了一套基礎(chǔ)機(jī)制來滿足目標(biāo)市場的需求，創(chuàng)建一個通用的架構(gòu)，使更多企業(yè)可以在此架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)營技術(shù)（OT）和信息技術(shù)（IT）的融合。這種融合提高了工業(yè)設(shè)備的連接性，并且為包括大數(shù)據(jù)分析以及智能的、連接的系統(tǒng)和機(jī)器在內(nèi)的新的業(yè)務(wù)提供更快的發(fā)展路徑。

圖1：多種協(xié)議可以使用AVnu通用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。圖片來源：AVnu聯(lián)盟工業(yè)小組

AVnu聯(lián)盟通過對符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行一致性與互操作性的認(rèn)證，使以太網(wǎng)成為一種確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在各應(yīng)用領(lǐng)域（如專業(yè)A/V、汽車、工業(yè)控制及消費(fèi)電子）的互操作性。AVnu組織與其他標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、聯(lián)盟一起，為基于802.1音視頻橋接（Audio Video Bridging,AVB）/時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking,TSN）標(biāo)準(zhǔn)的確定性網(wǎng)絡(luò)開拓一條可行路徑，便于設(shè)計(jì)者及工程師在具體產(chǎn)品中應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)。

那么，TSN對于未來的工業(yè)系統(tǒng)到底意味著什么？工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將如何影響工業(yè)網(wǎng)絡(luò)？幾位來自AVnu聯(lián)盟成員的專家分享了自己的看法，他們分別是美國國家儀器儀表公司的首席營銷經(jīng)理Todd Walter，博世力士樂公司的以太網(wǎng)融合總監(jiān)Ludwig Leurs，Intel公司物聯(lián)網(wǎng)小組的首席系統(tǒng)工程師Anil Kumar，羅克韋爾自動化公司的業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Paul Brooks，Ixia 公司的產(chǎn)品專家Bogdan Tenea，以及思科公司的工業(yè)架構(gòu)工程師Paul Didier。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)經(jīng)過演變已經(jīng)可以擔(dān)負(fù)下一代控制系統(tǒng)的通信。基于此，最近由IEEE 802 LAN/MAN標(biāo)準(zhǔn)委員會（LMSC）、互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）、以及其他標(biāo)準(zhǔn)組進(jìn)行的工作，已經(jīng)擴(kuò)展了在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行時間敏感系統(tǒng)的能力，并支持各種各樣的應(yīng)用以及包括專業(yè)音頻/視頻、汽車和工業(yè)在內(nèi)的市場。博世力士樂公司的以太網(wǎng)融合總監(jiān)Ludwig Leurs介紹，這些主要由IEEE 802.1 TSN任務(wù)組推動的標(biāo)準(zhǔn)定義了使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)建分布式的、同步的、實(shí)時的系統(tǒng)所需要的新機(jī)制，這將允許在同一網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)低延遲控制流量和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)流量的收斂。

TSN通過一條以太網(wǎng)支持實(shí)時控制和同步，例如在運(yùn)動應(yīng)用和機(jī)器人之間。TSN可以同時支持其他在制造業(yè)應(yīng)用中常見的數(shù)據(jù)通訊，推動IT和OT之間的融合。TSN不是一種具有破壞性的技術(shù)，它可以讓現(xiàn)有的各種工業(yè)實(shí)時控制應(yīng)用共存并互操作，例如正在被OPC基金會最終審核的新的OPC UA 發(fā)布/訂閱模型?；贏Vnu在音頻/視頻應(yīng)用方面的成功應(yīng)用，在使用視頻攝像機(jī)的現(xiàn)代機(jī)器的控制回路中重復(fù)使用這項(xiàng)技術(shù)是有所幫助的。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)變得越來越擁堵，TSN如何確保數(shù)據(jù)可以正常通訊進(jìn)而讓工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以幫助用戶？Intel公司物聯(lián)網(wǎng)小組的首席系統(tǒng)工程師Anil Kumar認(rèn)為，TSN 將帶來一個由更加智能的、虛擬連接的設(shè)備以及基礎(chǔ)架構(gòu)構(gòu)成的世界。盡管很多在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中由工業(yè)傳感器和控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不都是時間敏感的，還有大量關(guān)鍵任務(wù)的、時間敏感的數(shù)據(jù)必須在嚴(yán)格的延遲和可靠性的范圍之內(nèi)傳輸和共享。

諸如用于傳輸時間安排、延遲規(guī)定、預(yù)留帶寬以及冗余配置的通用時鐘，這種對于TSN的要求使得TSN能確保時間同步的精度，從而支持多個數(shù)據(jù)流的同步。來自于機(jī)器視覺、3D掃描以及功效分析的大數(shù)據(jù)組可能為網(wǎng)絡(luò)帶寬造成負(fù)擔(dān)。TSN會使用更高的帶寬選項(xiàng)支持全雙工標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，這些選項(xiàng)包括1Gb、 10Gb，甚至400Gb版本的IEEE 802.3。它同時也會提供頂級的IT安全規(guī)定和互操作性，以及可以成長到大規(guī)模系統(tǒng)的擴(kuò)展性。TSN也可以與現(xiàn)有應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)IT數(shù)據(jù)流整合，而且因?yàn)樗粩噙M(jìn)化，也是不會過時的。

圖2：這張圖展示了2016年10月在物聯(lián)網(wǎng)世界大會上的一個時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）測試臺。

羅克韋爾自動化公司的業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Paul Brooks認(rèn)為，TSN的價值源自兩個方面：簡化收斂以及增加連接性，解鎖了實(shí)現(xiàn)IIoT所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并促進(jìn)由大數(shù)據(jù)分析推動的改進(jìn)操作。設(shè)計(jì)人員可以利用來自消費(fèi)者世界的處理、通訊、軟件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展，其標(biāo)準(zhǔn)具有在進(jìn)化中提供精確計(jì)時的功能。

特別對于工業(yè)市場來說，這些標(biāo)準(zhǔn)支撐了簡化發(fā)展和部署分布的、同步的、在各種工業(yè)應(yīng)用中常見的控制系統(tǒng)的能力，這些工業(yè)應(yīng)用包括機(jī)器控制、工廠自動化、發(fā)電和配電、石油和天然氣開采等等。今天的許多控制應(yīng)用程序使用的仍是非標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口和基礎(chǔ)設(shè)施部署。對以太網(wǎng)的諸多限制催生了分化過程，并導(dǎo)致包含實(shí)時性能的以太網(wǎng)變體的產(chǎn)生，以滿足測量和控制應(yīng)用的需求。這些變體經(jīng)常改變以太網(wǎng)堆棧的硬件和基礎(chǔ)架構(gòu)組件，從而保障其行為表現(xiàn)。這些改變提供了控制所需要的延遲和預(yù)留帶寬。不過，因?yàn)樗鼈冃枰薷挠布?，所以不能再與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)進(jìn)行互操作，也很難接入到網(wǎng)絡(luò)。

思科公司的工業(yè)架構(gòu)工程師Paul Didier認(rèn)為，通過TSN，  “ 我們已經(jīng)為工業(yè)制造商們建立了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)單元，目前正在構(gòu)建使用融合網(wǎng)絡(luò)支持物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備和應(yīng)用 ”。這些標(biāo)準(zhǔn)仍然在進(jìn)化中。未來還需要在如下幾方面完成標(biāo)準(zhǔn)：彈性，在多路徑網(wǎng)絡(luò)中不丟包；監(jiān)督信息流從而進(jìn)一步保護(hù)TSN信息流的能力；搶占，將大數(shù)據(jù)包拆分以及其他能力。

除了TSN方面的工作，還需要攻克一些與工業(yè)系統(tǒng)直接相關(guān)的挑戰(zhàn)。在物理層方面，會出現(xiàn)更多的以太網(wǎng)變種：更輕的銅質(zhì)電纜（例如單股雙絞線），更長/更短的距離（10秒到1000秒的米數(shù)），以及更多PoE選項(xiàng)，比如為本質(zhì)安全環(huán)境提供的更低能量選項(xiàng)。這可以在更加嚴(yán)峻的工業(yè)環(huán)境中部署。Paul介紹，在IETF DetNet工作組中，我們在更大的、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)上延伸那些TSN的“確定性的”功能，用于處理更大的系統(tǒng)。我們同時也會將TSN引入到標(biāo)準(zhǔn)的、開放的無線網(wǎng)絡(luò)中。

所有這些很好地與通用網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵舉措相吻合，包括正在進(jìn)行中的為更多設(shè)備帶去更高帶寬的努力。這里要特別指出的是，推動自動化網(wǎng)絡(luò)配置和管理也被稱為軟件定義的網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)Ixia 公司的產(chǎn)品專家Bogdan Tenea介紹，實(shí)際上就在去年九月份一個IEEE汽車以太網(wǎng)及IP科技日的活動中，幾名AVnu聯(lián)盟的成員第一次展示了一個被稱為搶占（Preemption）的新IEEE TSN標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時，來自于Ixia 公司的測試設(shè)備證明了互操作性，并且測量了支持這項(xiàng)新技術(shù)的原型設(shè)備的性能改善。

搶占（IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr）[本地和城域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)——媒介訪問控制橋接器以及虛擬橋接修正版的本地局域網(wǎng)：幀搶占] 是IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的新補(bǔ)充，可以在信息傳輸?shù)臅r候讓高優(yōu)先級的幀打斷低優(yōu)先級的幀，最大限度地降低高優(yōu)先級信息流的延遲。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用方面，搶占可以進(jìn)一步將不同技術(shù)的多個網(wǎng)絡(luò)融合在一個以太網(wǎng)和IP的基礎(chǔ)架構(gòu)里，可以實(shí)現(xiàn)自動化操作以及訂單控制生產(chǎn)。通過大幅降低低優(yōu)先級信息流對重要信息流的影響，兩種信息流可以混合在同一鏈路上。

隨著最新一代項(xiàng)目的完成并成為標(biāo)準(zhǔn)的正式部分，越來越多的供應(yīng)商都表現(xiàn)得更感興趣。AVnu工業(yè)業(yè)務(wù)部門的主席、美國國家儀器儀表公司首席營銷經(jīng)理Todd Walter介紹，2016年第一批TSN工業(yè)產(chǎn)品就可以供用戶選擇了，其中包括來自于美國國家儀器儀表公司的控制器，Intel公司的TSN芯片，以及思科公司的TSN交換機(jī)等。

在2017年，“我們會從多家AVnu成員那里看到更多的產(chǎn)品?！?Todd說。基于開放的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的事實(shí)意味著科技的采用得益于所有企業(yè)的投資以及贊助該科技的各個品牌，而且并不限于一家公司的商業(yè)計(jì)劃或者他們將如何開發(fā)并支撐該科技的未來決定。工業(yè)市場內(nèi)的制造商們受益于AVnu聯(lián)盟收集的多個行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)專家，以此來加快網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)施，最終鋪設(shè)一條進(jìn)入市場的快車道。

隨著標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)持續(xù)進(jìn)化，不斷改進(jìn)時進(jìn)化的還有AVnu的定義和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)的工作。這最終會包括諸如幀搶占、冗余、流量限制以及安全等機(jī)制。除此以外，AVnu所定義的基礎(chǔ)會持續(xù)支撐額外的功能，包括支持多個IEEE 1588配置文件、規(guī)模擴(kuò)展到非常大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的指導(dǎo)方針、以及將多個網(wǎng)絡(luò)聚合/構(gòu)成一個啟用TSN的網(wǎng)絡(luò)管區(qū)。

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