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作者 | Alan Raveling

對(duì)于大多數(shù)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，如果所有組件都正常工作，則數(shù)據(jù)從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)遍歷網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間或延遲，在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)部署中通常都不是問(wèn)題。在流媒體傳輸、下載文件或甚至玩在線視頻游戲時(shí)，延遲 5 毫秒或接收到無(wú)序傳輸數(shù)據(jù)包所造成的差異，往往不會(huì)被用戶注意到。

然而在需要分布式組件緊密耦合的系統(tǒng)中，如科學(xué)計(jì)算、高頻股票交易系統(tǒng)或生產(chǎn)線運(yùn)營(yíng)中，幾個(gè)毫秒都很重要，不能有任何遺漏或失序的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生。為了滿足此類的需求，IEEE 成立了一個(gè)工作組來(lái)研究時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)傳輸可以被認(rèn)為是盡力而為：發(fā)送方以切片形式傳輸數(shù)據(jù)，接收方將切片重新組合成原始數(shù)據(jù)。如果切片丟失或無(wú)序到達(dá)，接收器知道如何重新請(qǐng)求切片副本或?qū)⑵浞湃胝_的順序。重新發(fā)送和無(wú)序組裝的這些活動(dòng)需要時(shí)間，并且可能在具有可用數(shù)據(jù)的接收系統(tǒng)中產(chǎn)生延遲。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商知道傳統(tǒng)以太網(wǎng)的這些限制，并創(chuàng)建了專有通信協(xié)議，如 EtherCAT 和 Profinet 等來(lái)解決這些限制。雖然這些實(shí)施方案很好地?cái)U(kuò)展了以太網(wǎng)的功能，以滿足制造業(yè)的需求，但組件和設(shè)備需要滿足相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以便于集成。

IEEE 802.1 任務(wù)組開發(fā)了具有幾個(gè)特定目標(biāo)的 TSN。時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的時(shí)間同步，這得益于精確時(shí)間協(xié)議（IEEE 1588）。帶寬預(yù)留和網(wǎng)絡(luò)流量整形允許特定類型和分類的通信搶占其它通信，類似于在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量 (QoS)。

由于工業(yè)通信的需求，調(diào)度和預(yù)訂系統(tǒng)中使用的策略在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上要復(fù)雜得多。工作組正在努力使這些功能更加強(qiáng)大，并適應(yīng)不同的通信工作負(fù)載，如汽車和安全系統(tǒng)?，F(xiàn)在，有 8 個(gè)優(yōu)先級(jí)值可以分配給網(wǎng)絡(luò)通信，幫助設(shè)備根據(jù)重要性發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

在通過(guò)七層 OSI 模型的框架進(jìn)行分析時(shí)，TSN 帶來(lái)的許多變化發(fā)生在第二層。第二層的這些變化對(duì)包括第一層在內(nèi)的物理接口有一些依賴性，例如對(duì)時(shí)間戳的支持。

由于通信的結(jié)構(gòu)和發(fā)送方式存在根本性的差異，因此 TSN 需要將支持的硬件和操作系統(tǒng)配對(duì)。表 1 中簡(jiǎn)要概述了它對(duì) OSI 模型的影響。與 IEC 的聯(lián)合項(xiàng)目被稱為 IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation。在 IEEE 802.1AS、802.1Q 中可以找到更多詳細(xì)信息。

▎表1：IEEE TSN 影響 7 個(gè) OSI 層中的 4 個(gè)。

工業(yè)過(guò)程的數(shù)字化，通常也被稱為“工 業(yè) 4.0”，已經(jīng)進(jìn)行了多年。不同行業(yè)接受該概念的速度也不盡相同。通過(guò)采用和集成支持 TSN 的軟件和設(shè)備，可以減少他們面臨的諸多潛在挑戰(zhàn)。對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用至關(guān)重要的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，要求所有為其數(shù)據(jù)打時(shí)間戳的部件都具有精確且同步的時(shí)鐘，比如高速生產(chǎn)線，需要計(jì)時(shí)精 度達(dá)到納秒量級(jí)。

安全或控制系統(tǒng)必須具有確定的可用帶寬，只有這 樣才可以發(fā)送關(guān)鍵指令并可由下游設(shè)備可靠的接收。通過(guò)定制或?qū)I(yè)設(shè)備引入設(shè)施的創(chuàng)新，必須與現(xiàn)有協(xié)議配合使用，以避免像以前一樣局限在某個(gè)供應(yīng)商。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的發(fā)展可以為許多不同的數(shù)據(jù)收集應(yīng)用提供差異化的解決方案，實(shí)現(xiàn)更具成本效益的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集，這在以前的設(shè)備或線路上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

要使用 TSN 功能，硬件必須支持它。與以太網(wǎng)通信 相關(guān)的芯片和組件必須支持內(nèi)置功能，如生成時(shí)間戳。不幸的是，這意味著目前使用的許多設(shè)備不支持 TSN，需要進(jìn)行升級(jí)，包括可編程邏輯控制器（PLC）通信模塊、服務(wù)器、工作站和傳感器。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中不存在調(diào)度和優(yōu)先級(jí)功能，因此還需要新的網(wǎng)絡(luò)代碼來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)通信。這些特性和功能會(huì)消耗更多的處理器時(shí)間。

因此，此類固件可能被限制在具有更多可用資源供 TSN 使用的硬件中，這將是升級(jí)硬件的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。要實(shí)現(xiàn)完整的 TSN 功能，需要支持 TSN 的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和以太網(wǎng)控制器，以及具有支持 TSN 的芯片組和軟件的服務(wù)器或設(shè)備，如果需要從專有確定性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可能還需要 TSN 網(wǎng)關(guān)。

TSN 作為工業(yè) 4.0 的一部分，連接性是另一個(gè)考慮 因素?，F(xiàn)在 TSN 都是通過(guò)有線實(shí)現(xiàn)的。如何將 TSN 功能引入到無(wú)線設(shè)備中，相關(guān)研究正在進(jìn)行中，但組織不應(yīng)期望在未來(lái)幾年內(nèi)就可以使用這些技術(shù)。該研究已經(jīng)提出了在標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.11 無(wú)線空間以及 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻段中運(yùn)行的概念驗(yàn)證產(chǎn)品。目前，無(wú)線設(shè)備尚無(wú)法支持 TSN 的特性或功能。在評(píng)估他們計(jì)劃部署的設(shè)備和連接需求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)師或工程師應(yīng)了解這些限制。此外， 還可以考慮其他技術(shù)和無(wú)線解決方案，包括 LoRaWAN 和藍(lán)牙低功耗（BLE）等。

支持 TSN 的設(shè)備具有很多優(yōu)勢(shì)，包括實(shí)現(xiàn)基于人工 智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的功能，如預(yù)測(cè)性維護(hù)、機(jī)器性能指標(biāo)、質(zhì)量和效率模型。擁有一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)高速控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能的接口，將簡(jiǎn)化過(guò)去需要多個(gè)接口和更復(fù)雜功能才能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)更快速的開發(fā)和部署。

作為一個(gè) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于希望采用新通信技術(shù)和功 能的組織來(lái)說(shuō)，對(duì)供應(yīng)商鎖定和專有協(xié)議的擔(dān)憂就變得不那么重要了。支持 TSN 的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和設(shè)備可以從不同的供應(yīng)商處采購(gòu)。使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)布線消除了復(fù)雜性，并允許 IT 和 OT 共享支持基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)資源。由于產(chǎn)品是根據(jù) IEEE 發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的，互操作性是其主要目標(biāo)，TSN 的最終用戶不需要擔(dān)心任何許可證、費(fèi)用或其它年度成本。

在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中確定性傳輸數(shù)據(jù)解決方案的能力，應(yīng) 能降低進(jìn)入設(shè)施的解決方案的復(fù)雜性。隨著調(diào)度和優(yōu)先功能的增加，TSN 可能成為從傳統(tǒng)解決方案升級(jí)的一個(gè)途徑。供應(yīng)商還將推出新型網(wǎng)關(guān)，允許時(shí)間敏感的通信協(xié)議過(guò)渡到基于 TSN 的以太網(wǎng)（如 SERCOS 到 TSN），使其能夠享受以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，而無(wú)需進(jìn)行成本高昂的更換全部組件。

當(dāng)前通過(guò)設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng)（DLR）、并行冗余協(xié)議（PRP）、媒體冗余協(xié)議（MRP）實(shí)現(xiàn)的冗余方法，可以被添加到 TSN 的附加功能所取代。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)尚未就位，但正在討論中，如果納入標(biāo)準(zhǔn)，將進(jìn)一步降低工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和專有結(jié)構(gòu)。使用這些現(xiàn)有技術(shù)的組織應(yīng)繼續(xù)了解這些領(lǐng)域的發(fā)展，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)影響 5 至 7 年后項(xiàng)目升級(jí)的設(shè)計(jì)和技術(shù)選擇。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展前景令人興奮。本文中討 論的所有特性和功能，可能需要幾年的時(shí)間才能成熟并應(yīng)用到設(shè)備中。一些功能 ( 如精確時(shí)間協(xié)議 ) 已經(jīng)在應(yīng)用，并且已經(jīng)在創(chuàng)造價(jià)值。TSN 是實(shí)施工業(yè) 4.0 的關(guān)鍵組成部分。利用 TSN 的準(zhǔn)確性和一致性，可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的功能和用途。