“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)旨在通過(guò)設(shè)計(jì)使以太網(wǎng)具有確定性，并提高設(shè)備之間的同步性和整體通信功能?！?/p>

　　多年來(lái)，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷發(fā)展。在 20 世紀(jì) 70 年代，第一個(gè)版本的以太網(wǎng)只達(dá)到了 10Mbps 的速度。然后，快速以太網(wǎng)在 1995 年問(wèn)世，速度達(dá)到 100Mbps。如今，千兆位以太網(wǎng)已經(jīng)問(wèn)世。

　　另外，隨著以太網(wǎng)在大多數(shù)行業(yè)中變得無(wú)處不在，以太網(wǎng)組件也變得更加實(shí)惠和更容易實(shí)施?，F(xiàn)在， 大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持以太網(wǎng)作為其通信媒介。因此，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以采用各種各樣的協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

　　盡管多年以來(lái)，以太網(wǎng)網(wǎng)速一直都在提高，但還存在一個(gè)關(guān)鍵性能問(wèn)題：確定性。確定性網(wǎng)絡(luò)按規(guī)定的延遲時(shí)間、精確地交換數(shù)據(jù)。由于以太網(wǎng)通信基于盡力而為原則，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換缺乏確定性。

　　到目前為止，以太網(wǎng)中的確定性數(shù)據(jù)交換，只能通過(guò)專有解決方案實(shí)現(xiàn)，但時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 旨在改變這一點(diǎn)。TSN 的重點(diǎn)是通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的確定性。

　　▎圖1 ：TSN 位于 ISO/OSI 模型的第 2 層。本文 圖片來(lái)源 ：PI 組織

　　什么是TSN ?

　　TSN 是指一組 IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)，它使以太網(wǎng)在默認(rèn)情況下具有確定性。TSN 位 于 ISO/OSI 模型的第 2 層，并增加了一些定義來(lái)保證以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的確定性和吞吐量。以下是構(gòu)成 TSN 的一些 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) ：

　　? 增強(qiáng)同步行為(IEEE 802.1AS)

　　? 暫停( 搶 占 )長(zhǎng)幀(IEEE 802.1- 2018)

　　? 調(diào)度流量增強(qiáng)功能(IEEE 802.1Q- 2018)

　　? 徑控制和帶寬預(yù)留(IEEE 802.1Q- 2018)

　　? 無(wú)縫冗余(IEEE 802.1CB)

　　? 數(shù)據(jù)流預(yù)留(IEEE 802.1Q-2018)

　　TSN 是從行業(yè)對(duì)音頻 / 視頻傳輸?shù)氖褂靡约皩?duì)更多設(shè)備和同步通信的需求中演變而來(lái)的。現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備比以往任何時(shí)候都多，更多的信息被分享和分析。

　　用于工業(yè)自動(dòng)化的TSN

　　許多行業(yè)都需要確定性以太網(wǎng)，工業(yè)自動(dòng)化就是其中之一。自動(dòng)化行業(yè)一直在尋求解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)快速、確定性和穩(wěn)健的通信。目前，有幾種專門的解決方案可以實(shí)現(xiàn)此目的，例如 Profinet IRT、Sercos III 和 Varan。TSN 可以推動(dòng)在整個(gè)行業(yè)中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。

　　隨著工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的發(fā)展，使得在不斷增長(zhǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)增加。這些網(wǎng)絡(luò)需要靈活性和可擴(kuò)展性，以支持小型設(shè)備和大數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)，同時(shí)確保時(shí)間關(guān)鍵通信的有限延遲。TSN 計(jì)劃涵蓋所有這些要求，它將為確定性和非確定性通信的并發(fā)應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)制。

　　▎圖2 ：該圖說(shuō)明了 Profinet over TSN和基于IP的協(xié)議(如 OPC-UA)之間的互補(bǔ)和協(xié)調(diào)作用的示例。

　　Profinet 網(wǎng)絡(luò)中的TSN

　　Profinet over TSN 具有融合、可擴(kuò)展性和靈活性方面的優(yōu)勢(shì)。用戶還可以繼續(xù)訪問(wèn)所有現(xiàn)有的 Profinet 功能和配置文件。TSN 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的流量整理工具，以確保低延遲及必要時(shí)的確定性數(shù)據(jù)交換。

　　現(xiàn)有的非 TSN Profinet 設(shè)備，盡管可能無(wú)法從 TSN 中受益，但它們可以與新的基于 TSN 的 Profinet V2.4 硬件配合使用。底層 TSN 機(jī)制提供了更高的穩(wěn)健性，該機(jī)制保護(hù)實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)免受盡力而為的流量的影響。考慮到對(duì)數(shù)據(jù)量不斷增長(zhǎng)的需求，在未來(lái)的工業(yè) 4.0 場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)必須與時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)并行傳輸，因此保護(hù)實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)是一 項(xiàng)必不可少的功能。

　　Profinet over TSN 設(shè)計(jì)用于控制器到設(shè)備的通信。它最多可以處理 1024 個(gè)設(shè)備，周期時(shí)間為 31.25μs。OPC-UA 還可以使用當(dāng)前和未來(lái)的 TSN 標(biāo)準(zhǔn)。PI 組織致力于將 OPC-UA 應(yīng)用于控制器到控制器或控制器 / 設(shè)備到云的通信。在過(guò)程自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化和運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，Profinet over TSN 被PLC、遠(yuǎn)程傳感器、遠(yuǎn)程 I/O、運(yùn)動(dòng)控制器和驅(qū)動(dòng)器以及計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器使用。

　　TSN 旨在將各種 IT 網(wǎng)絡(luò)與 Profinet 自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性和確定性相結(jié)合。簡(jiǎn)而言之，它將。Profinet 使用以下 TSN 修正 ：

　　? 時(shí)間同步 802.1 AS

　　? 調(diào)度流量增強(qiáng)功能 802.1 Qbv

　　? 幀搶占 802.1 Qbu

　　? 穿插高速通訊 802.3 br

　　? 幀復(fù)制和消除可靠性 802.1 CB

　　? 固定和媒體訪問(wèn)控制連接發(fā)現(xiàn) 802.1 AB

　　▎圖 3 ：為了獲得高精度， 必須減少測(cè)量線路和交換機(jī) 中的延遲。

　　Profinet over TSN 的 5 個(gè)原則

　　1數(shù)據(jù)流：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由

　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)希望通過(guò) Profinet over TSN 進(jìn)行通信時(shí)，就會(huì)定義數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流描述從“發(fā)送方”到“接收方”的網(wǎng)絡(luò)路徑。數(shù)據(jù)流必須在路由上的所有交換機(jī)中注冊(cè)。數(shù)據(jù)流由目標(biāo) MAC 地址和用于優(yōu)先級(jí)的虛擬局域網(wǎng) (VLAN) 標(biāo)記來(lái)定義。

　　2時(shí)間同步：精確時(shí)鐘

　　時(shí)間同步對(duì)于實(shí)現(xiàn)確定性至關(guān)重要。TSN 域中的所有設(shè)備都在一個(gè)共同的時(shí)間基礎(chǔ)上同步?！肮ぷ鲿r(shí)鐘”是 TSN 域內(nèi)調(diào)度流量和同步應(yīng)用的控制時(shí)間參考。“通用時(shí)鐘” 還可用作系統(tǒng)和工廠范圍內(nèi)的任務(wù)參考，例如按時(shí)間順序記錄事件。

　　3調(diào)度流量：根據(jù)時(shí)間表進(jìn)行通信

　　Profinet IRT 調(diào)度所有同步流量。它創(chuàng) 建一個(gè)定義好的時(shí)間表，其中包含節(jié)點(diǎn)之間的所有傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間。IRT 機(jī)制是有效的，但在融合網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)度會(huì)變得非常復(fù)雜。因此，Profinet over TSN 不采用調(diào)度機(jī)制。它使用時(shí)間感知整形器(TAS)的概念。時(shí)間調(diào)度為幀的傳輸創(chuàng)建了一個(gè)重復(fù)的時(shí)隙模式(網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間)。為了確保可用性，高優(yōu)先級(jí)的幀有一個(gè)持續(xù)活躍的隊(duì)列。此外，保護(hù)帶可防止幀進(jìn)入下一周期時(shí)間。

　　4幀搶占：RT 中斷 TCP/IP

　　幀搶占與保護(hù)帶一起起著關(guān)鍵作用。所有實(shí)時(shí)幀都會(huì)在最優(yōu)的 TCP/IP 幀之前進(jìn)行排序。最優(yōu)的流量從不延遲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。此外，TCP/IP 幀被拆分和重新組裝，以最大限度地利用帶寬。

　　5無(wú)縫介質(zhì)冗余

　　在設(shè)備或鏈路發(fā)生故障時(shí)，冗余可確保繼續(xù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者可以使用冗余數(shù)據(jù)流來(lái)創(chuàng)建設(shè)備之間的冗余網(wǎng)絡(luò)路徑。即使在設(shè)備或鏈路出現(xiàn)故障后，冗余數(shù)據(jù)流也可確保時(shí)間關(guān)鍵型通信的無(wú)縫銜接。

　　配置 TSN 域遵循即插即用概念，并使用 Profinet 工程工具。TSN 域特性(數(shù)據(jù)流路徑、VLAN 等)由網(wǎng)絡(luò)管理引擎 (NME) 設(shè)置和維護(hù)。NME 將成為支持 TSN 的 Profinet 控制器的一部分。它負(fù)責(zé)拓?fù)浍@取、路徑規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)配置。首先，用戶在工程工具中設(shè)置特定的基于策略的網(wǎng)絡(luò)配置。然后，NME 使用這些規(guī)則來(lái)不斷地創(chuàng)建和塑造 TSN 域。