如今，任何從事工業通信工作的人都必然會遇到時間敏感網絡（TSN）的話題。TSN一定會來;唯一需要澄清的是它將何時以及以何種形式出現。然而，即使在今天，它在工業通信方面的優勢也并不總是顯而易見的。

歷史

以太網在 1980 年代初被引入辦公室，并由于其（當時）聳人聽聞的 10 Mbps 的高吞吐量而迅速變得非常流行。但是，這種以太網對于實時應用并不實用，因為它使用了一種稱為派對線路的通用介質。在高利用率下發生的碰撞在辦公室環境中引起了問題。

在其開發的下一步中，通過引入交換網絡消除了沖突。此外，在服務質量 （QoS） 方面，引入了以太網數據報優先級。

對于工業應用，保證延遲尤為重要。盡管有QoS，但辦公室中使用的標準以太網只能保證一定程度的延遲，尤其是在網絡利用率高的情況下。

造成這種情況有幾個原因，主要原因是商用多端換機中常用的存儲轉發策略以及無法保留帶寬的事實。

圖1.以太網幀：與TSN數據流標識相關的數據字段顯示為綠色。

存儲和轉發意味著交換機在轉發之前接收完整的數據報。這在交換機的處理方面具有優勢，但也帶來了可能產生負面影響的潛在問題 影響延遲和可靠性：

通過交換機時，數據報的延遲量取決于其長度。如果開關是級聯的，效果就會放大。

由于交換機沒有無限的存儲容量，因此如果網絡過度使用（流量過多），它可以拒絕數據報;這意味著數據報（即使是那些被賦予更高優先級的數據報）也可能丟失。

長數據報可能會阻塞端口相對較長的時間。

開關級聯從一開始就在工業環境中提出了挑戰。除了IT領域使用的星形拓撲外，線形、環形和樹形拓撲也經常用于自動化。這些經過調整的拓撲結構 顯著降低以太網安裝布線要求和成本。因此，在工業中，采用直通策略的 2 端換機被集成到現場設備中。直通意味著數據報是 在完全接收之前轉發。

圖2.拓撲。

必須保證始終有足夠的帶寬（和緩沖區空間）可用于高優先級數據報。標準以太網尚無法提供此功能。

一種尺寸適合一切：迄今為止的工業以太網

由于傳統以太網沒有足夠的帶寬預留功能，自動化專家于 2000 年開始開發自己的以太網擴展。然而，他們走的道路卻大相徑庭。區分以下方法：

使用以太網作為現場總線傳輸介質的協議。這些協議聲稱自己完全控制以太網介質。傳統的TCP/IP通信只能通過現場總線（EtherCAT和POWERLINK）或通過現場總線分配的通道（Sercos）進行背負式通信。帶寬控制牢牢掌握在現場總線手中。??

通過以太網上的時間切片過程保證帶寬預留的協議。這里應該提到PROFINET IRT。IRT 可在運行軟實時或后臺流量的同一電纜上實現硬確定性實時數據傳輸。傳輸路徑的精確時序模型對于規劃時間片是必要的。?

基于以太網電纜共享的協議。這些協議使用 QoS，在工廠和過程自動化應用中很常見。PROFINET RT和EtherNet/IP是值得注意的例子。這些協議僅限于軟實時范圍（周期時間≥ 1 ms）。

圖3.定時模型：PHY、電纜和開關會導致數據傳輸延遲。這必須與時隙方法（PROFINET IRT和TSN時間感知整形器（TAS））一起考慮。

對于這些標準，需要特殊的硬件支持，因此需要特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP?也基于帶直通的嵌入式2端換機，因此它們在這里也不例外。ADI公司的fido5000等基于硬件的靈活多協議解決方案以優雅的方式解決了這一問題。

輸入TSN

借助TSN，成功開發了符合IEEE 802.1的標準以太網擴展，該擴展擺脫了過去的限制。因此，ISO 7 層模型中現在有一個標準化的第 2 層，與以前的以太網和硬實時功能向上兼容。在802.1AS-rev中，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。由于盡力而為的通信始終與TSN進行，因此對于硬實時應用程序以及所有其他應用程序（Web服務器，SSH等）都可以使用電纜。TSN在這方面與PROFINET IRT沒有什么不同，它還提供了相當的性能。

TSN的新功能是需要更廣泛的網絡配置。集中式或分散式配置是可能的。目前正在討論和實施這兩種類型的配置。兩種配置機制之間的互操作性是未來的發展目標。

這一切都很好，但是TSN的實際優勢是什么？

最常見的答案是，隨著市場的擴大，市場上也出現了更便宜的網絡接口。畢竟，TSN未來也將出現在樓宇自動化和汽車行業。事實上，嵌入式TSN解決方案的市場預計將大大大于目前所有工業以太網解決方案的市場總和。

與以前的工業以太網方法相比，TSN最大的技術優勢是其可擴展性。與當前的工業網絡不同，TSN沒有針對特定的傳輸速率進行定義。TSN可用于100 Mbps，就像1 Gbps，10 Mbps或5 Gbps一樣。

它還使拓撲得到更好的優化，因為現在可以為各個段選擇調整的數據速率。無論是 Gbps、100 Mbps 還是 10 Mbps，都使用統一的第 2 層 — IEEE802.1/TSN。

統一的網絡基礎設施還可以幫助負責設置和維護網絡的人員，因為借助TSN，解決方案現在可以用于自動化以外的領域：建筑，過程和工廠自動化以及能源分配。

這給我們帶來了下一個優勢，即訓練因素。TSN已經成為許多大學的話題，大多處于研究階段。然而，技術和職業學院已經對這個話題表現出興趣。我們可以相當肯定地說，TSN將成為工程師，技術人員和技術工人的基本知識。不再需要對不同的現場總線進行再培訓。

棕地，或者今天的協議會發生什么？

在幾乎所有與TSN相關的工作組中，都有一個反復出現的主題：如何保障向TSN的過渡和對現有裝置（如棕地應用）的供應？

圖4.棕地：TSN部門與PROFINET和EtherCAT相結合。

在所有方面，重點是使客戶能夠輕松平穩地過渡到TSN。今天已經可以說，現有的工業以太網協議不會在一夜之間消失。相反，今天使用PROFINET，EtherNet/IP，EtherCAT或類似廣泛使用的工業以太網協議的任何人都可以安全地假設他或她也將能夠在10年內使用這些協議運行網絡，并獲得支持和更換部件。

所有工業以太網組織都提供模型，描述現有工廠如何與新的基于TSN的設備合作。與現有工業網絡的接口由網關（Sercos），耦合器（EtherCAT）或沒有任何特殊硬件（PROFINET RT）組成。特別是PROFINET和EtherNet/IP計劃將其完整的協議作為第2層在TSN上提供。

這使得逐步過渡到TSN成為可能。

總之，TSN將在新裝置中隨處可見，并以逐步引入現有裝置的孤島或段的形式出現。

然而，有了TSN，工業以太網領域將有新的參與者。OPC UA，它與新的傳輸協議PUB / SUB一起與TSN一起，已經被視為經典協議的競爭對手。對于現場設備制造商來說，這意味著必須支持經典的工業以太網解決方案以及TSN和新的參與者。

審核編輯：郭婷