“時間敏感網(wǎng)絡(TSN)旨在通過設計使以太網(wǎng)具有確定性，并提高設備之間的同步性和整體通信功能。”

　　多年來，以太網(wǎng)標準一直在不斷發(fā)展。在 20 世紀 70 年代，第一個版本的以太網(wǎng)只達到了 10Mbps 的速度。然后，快速以太網(wǎng)在 1995 年問世，速度達到 100Mbps。如今，千兆位以太網(wǎng)已經(jīng)問世。

　　另外，隨著以太網(wǎng)在大多數(shù)行業(yè)中變得無處不在，以太網(wǎng)組件也變得更加實惠和更容易實施。現(xiàn)在， 大多數(shù)網(wǎng)絡協(xié)議支持以太網(wǎng)作為其通信媒介。因此，以太網(wǎng)網(wǎng)絡可以采用各種各樣的協(xié)議來實現(xiàn)應用。

　　盡管多年以來，以太網(wǎng)網(wǎng)速一直都在提高，但還存在一個關鍵性能問題：確定性。確定性網(wǎng)絡按規(guī)定的延遲時間、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，只能通過專有解決方案實現(xiàn)，但時間敏感網(wǎng)絡 (TSN) 旨在改變這一點。TSN 的重點是通過設計來實現(xiàn)以太網(wǎng)的確定性。

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

　　什么是TSN ?

　　TSN 是指一組 IEEE 802 標準，它使以太網(wǎng)在默認情況下具有確定性。TSN 位 于 ISO/OSI 模型的第 2 層，并增加了一些定義來保證以太網(wǎng)網(wǎng)絡中的確定性和吞吐量。以下是構成 TSN 的一些 IEEE 標準 ：

　　? 增強同步行為(IEEE 802.1AS)

　　? 暫停( 搶 占 )長幀(IEEE 802.1- 2018)

　　? 調(diào)度流量增強功能(IEEE 802.1Q- 2018)

　　? 徑控制和帶寬預留(IEEE 802.1Q- 2018)

　　? 無縫冗余(IEEE 802.1CB)

　　? 數(shù)據(jù)流預留(IEEE 802.1Q-2018)

　　TSN 是從行業(yè)對音頻 / 視頻傳輸?shù)氖褂靡约皩Ω嘣O備和同步通信的需求中演變而來的?，F(xiàn)在，網(wǎng)絡上的設備比以往任何時候都多，更多的信息被分享和分析。

　　用于工業(yè)自動化的TSN

　　許多行業(yè)都需要確定性以太網(wǎng)，工業(yè)自動化就是其中之一。自動化行業(yè)一直在尋求解決方案來實現(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現(xiàn)此目的，例如 Profinet IRT、Sercos III 和 Varan。TSN 可以推動在整個行業(yè)中實現(xiàn)標準化的實時以太網(wǎng)。

　　隨著工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的發(fā)展，使得在不斷增長的融合網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡流量持續(xù)增加。這些網(wǎng)絡需要靈活性和可擴展性，以支持小型設備和大數(shù)據(jù)服務器系統(tǒng)，同時確保時間關鍵通信的有限延遲。TSN 計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)應用提供標準化的機制。

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

　　Profinet 網(wǎng)絡中的TSN

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

　　現(xiàn)有的非 TSN Profinet 設備，盡管可能無法從 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 機制提供了更高的穩(wěn)健性，該機制保護實時關鍵數(shù)據(jù)免受盡力而為的流量的影響。考慮到對數(shù)據(jù)量不斷增長的需求，在未來的工業(yè) 4.0 場景中，數(shù)據(jù)必須與時間關鍵數(shù)據(jù)并行傳輸，因此保護實時關鍵數(shù)據(jù)是一 項必不可少的功能。

　　Profinet over TSN 設計用于控制器到設備的通信。它最多可以處理 1024 個設備，周期時間為 31.25μs。OPC-UA 還可以使用當前和未來的 TSN 標準。PI 組織致力于將 OPC-UA 應用于控制器到控制器或控制器 / 設備到云的通信。在過程自動化、工廠自動化和運動控制領域，Profinet over TSN 被PLC、遠程傳感器、遠程 I/O、運動控制器和驅(qū)動器以及計算機數(shù)字控制器使用。

　　TSN 旨在將各種 IT 網(wǎng)絡與 Profinet 自動化網(wǎng)絡的穩(wěn)健性和確定性相結(jié)合。簡而言之，它將。Profinet 使用以下 TSN 修正 ：

　　? 時間同步 802.1 AS

　　? 調(diào)度流量增強功能 802.1 Qbv

　　? 幀搶占 802.1 Qbu

　　? 穿插高速通訊 802.3 br

　　? 幀復制和消除可靠性 802.1 CB

　　? 固定和媒體訪問控制連接發(fā)現(xiàn) 802.1 AB

　　▎圖 3 ：為了獲得高精度， 必須減少測量線路和交換機 中的延遲。

　　Profinet over TSN 的 5 個原則

　　1數(shù)據(jù)流：通過網(wǎng)絡路由

　　當網(wǎng)絡中的兩個節(jié)點希望通過 Profinet over TSN 進行通信時，就會定義數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流描述從“發(fā)送方”到“接收方”的網(wǎng)絡路徑。數(shù)據(jù)流必須在路由上的所有交換機中注冊。數(shù)據(jù)流由目標 MAC 地址和用于優(yōu)先級的虛擬局域網(wǎng) (VLAN) 標記來定義。

　　2時間同步：精確時鐘

　　時間同步對于實現(xiàn)確定性至關重要。TSN 域中的所有設備都在一個共同的時間基礎上同步?！肮ぷ鲿r鐘”是 TSN 域內(nèi)調(diào)度流量和同步應用的控制時間參考?！巴ㄓ脮r鐘” 還可用作系統(tǒng)和工廠范圍內(nèi)的任務參考，例如按時間順序記錄事件。

　　3調(diào)度流量：根據(jù)時間表進行通信

　　Profinet IRT 調(diào)度所有同步流量。它創(chuàng) 建一個定義好的時間表，其中包含節(jié)點之間的所有傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)時間。IRT 機制是有效的，但在融合網(wǎng)絡中，調(diào)度會變得非常復雜。因此，Profinet over TSN 不采用調(diào)度機制。它使用時間感知整形器(TAS)的概念。時間調(diào)度為幀的傳輸創(chuàng)建了一個重復的時隙模式(網(wǎng)絡周期時間)。為了確?？捎眯?，高優(yōu)先級的幀有一個持續(xù)活躍的隊列。此外，保護帶可防止幀進入下一周期時間。

　　4幀搶占：RT 中斷 TCP/IP

　　幀搶占與保護帶一起起著關鍵作用。所有實時幀都會在最優(yōu)的 TCP/IP 幀之前進行排序。最優(yōu)的流量從不延遲實時數(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無縫介質(zhì)冗余

　　在設備或鏈路發(fā)生故障時，冗余可確保繼續(xù)傳輸。網(wǎng)絡設計者可以使用冗余數(shù)據(jù)流來創(chuàng)建設備之間的冗余網(wǎng)絡路徑。即使在設備或鏈路出現(xiàn)故障后，冗余數(shù)據(jù)流也可確保時間關鍵型通信的無縫銜接。

　　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)絡管理引擎 (NME) 設置和維護。NME 將成為支持 TSN 的 Profinet 控制器的一部分。它負責拓撲獲取、路徑規(guī)劃和網(wǎng)絡配置。首先，用戶在工程工具中設置特定的基于策略的網(wǎng)絡配置。然后，NME 使用這些規(guī)則來不斷地創(chuàng)建和塑造 TSN 域。