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以太網在20世紀80年代早期被引入到辦公室，那時由于其高達10Mb/s的吞吐量而廣受業界歡迎。但在接下來的工業控制自動化領域，以太網卻遇到了三個方面的挑戰，即：實時性、標準化和可靠性。 最關鍵的是，為了滿足自動化的實時要求，工業應用必須保證傳輸帶寬和傳輸延遲。傳統以太網則不能提供延遲和帶寬保證。相反，如果操作需要，在峰值時間存儲的幀數多于網橋緩沖存儲器可以容納的幀數，以太網還可以隨時丟棄幀。另外，由于幀長不同，網絡還會出現延遲抖動。 工業物聯網（IIoT）和工業4.0的出現，進一步推動著工業自動化體系結構朝著更具互操作性、靈活性和無縫性方向發展。今天，市場上有多種工業以太網協議，被普遍采用的實時工業以太網主要有EtherCAT、PROFINET、POWERLINK、CC-Link等，這些協議都是在標準以太網的基礎上修改或增加了一些特定的協議以保證實時性和確定性。但是由于這些都是非標準以太網，在易用性、互操作性、帶寬和設備成本上均存在不足。 那么，究竟有沒有一種通信標準能夠實現一網到底，同時實時性足夠高呢？ 應運而生的TSN 時間敏感網絡（TSN-time sensetive networking）就是為了滿足工業實時通信的需求，在標準以太網內提供“確定性”而開發的一組IEEE 802.1和IEEE 802.3標準，位于EtherNet/IP網絡體系結構中的第二層——數據鏈路層，旨在通過標準以太網技術解決控制系統的最新需求。通過將時間關鍵型和盡力而為的數據集中到標準以太網中，TSN節省了成本并改進了互操作性。 
圖1：具有TSN功能的EtherNet/IP網絡體系結構（圖源：網絡） TSN的六大亮點 顧名思義，TSN是一種注重“時間”的技術。開發TSN就是為了提供一種方法來確保信息能夠在“確定的”時間內從A點傳輸到B點。TSN的出現是以太網標準不斷發展演進的過程，從本質上說，它為以太網增加了更大的“確定性”。這也是TSN能在市場上脫穎而出的重要原因。 亮點1：標準化 TSN位于EtherNet/IP 7層模型中的第2層，是數據鏈路層的標準，它與以前的以太網具有向上兼容性和硬實時能力。通過802.1AS-rev，TSN還定義了一種可互操作的統一方法，用于同步網絡中的分布式時鐘。這一特點是TSN相對其他標準的壓倒性優勢，因為該標準與任何組織或公司無關。對于一個多年來一直在與多種不兼容的專有通信協議作斗爭的工業自動化市場，TSN帶來的好處無需贅述。 亮點2：可擴展性 與以前的工業以太網相比，TSN另一突出的技術優勢就是它的可擴展性。TSN沒有針對特定的傳輸速率進行定義，使用者可根據網絡拓撲選擇合適的數據速率，100 Mb/s、1 Gb/s、10 Mb/s或5 Gb/s，這些都是可行的。由此還衍生出另一好處，即統一的網絡基礎設施可以減輕負責設置和維護網絡人員的工作負擔。 亮點3：低延遲 對于工業通信應用，保證延遲是至關重要的。有了TSN，不同的流量等級可以在網絡上共存，而不會對來自低優先級的流量產生影響。也就是說，TSN允許關鍵消息與其他低等級的以太網流量在同一通信線路發送，而不受干擾或延遲。 亮點4：安全性增強 由于TSN使用的是標準以太網，因此已經部署在IT網絡中的安全機制可以應用于使用TSN的網絡控制，從而以較低的成本確保了網絡的安全性。 亮點5：實現網絡融合 TSN使以前出于操作完整性、實時性能、安全性等原因而分開的網絡和系統得以融合，打破了關鍵系統和非關鍵系統之間的通信障礙，這也是IIoT和工業4.0的基本概念。此外，更高層協議可與TSN結合，因為TSN位于數據鏈路層，其中包括OPC-UA以及其他協議等。 亮點6：實施成本低 通過在單個網絡基礎設施上聚合不同的流量等級，可以顯著降低系統的總體成本。硬件和維護成本因網絡所需設備和電纜數量減少而降低。 從傳統以太網邁向TSN HMS Networks對工業網絡市場的年度研究表明，從新安裝節點來看，預計2020年工業以太網的市場份額將增加到64%（去年為59%)，而現場總線的市場份額將下降到30%（去年為35%）。從工業互聯角度看，EtherNet/IP和PROFINET居首，EtherCAT位居第三。無線互聯技術占有6%的市場份額，其中WLAN仍是最受歡迎的技術，其次是藍牙。
圖2：HMS Networks預估2020工業網絡市場份額（圖源：HMS） 綜合來看，大量的物聯網應用需求是近些年TSN火爆的重要原因。在IEEE，許多組織的代表正在共同努力以進一步推進標準的實施，增加穩定性，提高性能，使TSN變得更加強大。目前，參與商業應用的公司有很多，比如思科、Broadcom、TTTech、NI、TI、NXP、ADI等，他們一直致力于開發專為惡劣環境設計的TSN交換機、芯片、軟件平臺等。 思科公司所有型號的IE-4000都支持TSN，從Cisco IOS軟件版本15.2（5）E2開始，TSN功能可用。IE-4000作為一個TSN橋運行，實現了ieee802.1Qbv和ieee802.1AS功能，支持通過其以太網接口的數百個TSN流。 2017年NI就推出了兩款多時隙以太網機箱，在cDAQ-9185和cDAQ-9189中采用基于時間同步的最新以太網標準，提供與TSN的緊密時間同步，以簡化和改善同步分布式系統的可擴展性。 2018年TI推出了業界首款多協議千兆位時間敏感網絡處理器系列產品。高度集成的Sitara AM6x處理器系列提供工業級可靠性。通過支持特定子系統中TSN標準和其他工業協議的千兆吞吐率，Sitara AM6x處理器可以在單個網絡上融合以太網和實時數據流量。此功能對于工業4.0應用中的實時通信至關重要，并且可在工廠中實現軟件可重新配置的網絡物理系統。
圖3：NXP LS1021A TSN參考設計板卡（圖源：NXP） 恩智浦（NXP）LS1021A TSN參考設計平臺包括QorIQ Layerscape LS1021A工業應用處理器和SJA1105T TSN交換機。LS1021ATSN由帶有Xenomai實時Linux的工業Linux SDK支持，它提供了在SJA1105T上配置TSN的實用程序，開發人員可基于該平臺進行快速設計。 ADI Chronous是一系列領先的終端到企業工業以太網連接解決方案，專門為加速實現工業4.0而設計，適用于苛刻的時間關鍵型環境。 隨著網絡從傳統現場總線轉向TSN，設計和實現階段將出現多種挑戰。但有一點是肯定的，即現有的工業以太網協議不會在一夜之間消失。相反，今天PROFINET、EtherCAT等廣泛使用的工業以太網協議均對TSN表示了支持，這使得逐步過渡到TSN成為可能。 文章來源：貿澤電子 作者：Doctor M |
