TSN-工业通信的未来在这里？

TSN(Time Sensitive Network)-时间敏感型网络是一个最新的但却并非陌生的技术，对于那些旨在推动工业物联网（IIoT）和工业4.0的厂商而言，他们在推动什么是一个值得探讨的话题，因为，在事实上推动IIoT和工业4.0的过程中，我们会遇到很多挑战，如果我们不了解OPC UA+TSN的话，某种意义上，我们只是在号称推动工业物联网，或者工业4.0。

  

一、TSN的渊源

TSN并非像很多人所感受的—这是一个全新的名词，事实上，TSN已经运行了有一些时间了，当然，它是一项从视频音频数据领域延伸到汽车领域，并进一步推广至工业领域的技术。

Bridging最初由IEEE802.1D来定义，当LAN加入这一规范后成为了IEEE802.1Q，然而，这并不能满足确定性与鲁棒性的工业如工厂自动化的需求，因此，不同的组织就开发了自己的非标准的确定性的以太网变种，2006年，IEEE开始组建了AVB(AduioVideo Bridging)任务组，2012年，AVB的成员扩展其应用到确定性以太网需求的网络，这就是IEEE 802.1现在称为TSN。

 

1.1.视频/音频传输需求

TSN是最初来源于在视频领域的应用需求，例如：在足球赛事中往往需要大量的摄像机位来捕捉赛场的全局，在顶级的赛事如世界杯一场比赛包括主看台、球门后、门线、边线、顶部等多达30甚至60个机位，用于最为有效的为不能现场看球的球迷们传播最为精彩的比赛场景，包括各个视角如赛场顶部、两侧看台、主看台、球门线，当然也包括对球星如梅西、C罗这样的球员的全程关注，而这些都是高清的数据，并且要通过网络传输到处理中心，对于带宽的要求显然是很大的，而另一方面，为了最大限度的提供实时性，需要这些图像、音频必须实现高实时的传输与处理，可以想象其带宽和实时性的需求。

图1-为视频/音频系统同步处理提供的架构

1.2.汽车/无人驾驶汽车

对于无人驾驶汽车而言，或者对于更为智能的汽车而言，传统的CAN总线已经不够用了，因为我们需要更大的带宽来传输更为复杂的信号，以及在汽车与周边进行交互的时候所需要的道路、交通信息，尤为重要的是—快速响应能力对于安全非常重要，对于高速运行的汽车而言，延迟意味着生命，低延时是必然的需求。

图2-智能车的数据传输需求架构（来自 NXP）

 

图3-NXP为汽车开发TSN技术的芯片应用

各个主要的芯片厂商如NXP、XILINX、瑞萨等已经为新一代的汽车开发了TSN芯片，在奥迪、奔驰等汽车上已经在开始有测试应用系统。

 

IEEE802.1本身是为了Audio/Video领域而设计的标准，在2005年即成立，并一直致力于开发针对音频/视频桥的IEEE802.1AVB标准的开发，由Avnu联盟负责其兼容性以及市场推广。

IEEE802.1AVB逐渐受到了其它领域的产业关注，并对此产生兴趣，但是，AVB并非是一个适合于所有产业的名字，在2012年IEEE AVB TG被重命名为TSN TG，在2015年InterworkingTG与TSN TG合并成为新的TSN任务组。

 

原来的AVB标准包括了以下几组：

› IEEE Std. 802.1AS-2011 –通用精确时钟协议，在Layer 2的IEEE1588精确时钟协议规范
› IEEE Std. 802.1Qav时间敏感数据流转发以及队列（FQTSS）：特定Credit-Based Shaper(CBS)
› IEEE Std. 802.1Qat –流预留协议-时间敏感性数据流注册与预留
› IEEE Std. 802.1BA – AVB系统-提供整体AVB架构和AVB规范
› CBS + SRP 提供250μS以下的桥连接

 

1.3.IIoT与智能制造对于网络的需求

 在智能制造时代，我们说IT与OT融合来实现整个数据透明下的协同制造，但是，对于智能制造而言所遇到的问题却使得IT与OT的融合产生了诸多的障碍，这包括以下几个方面

 

图4.工业物联网的应用场景

 

（1）.总线的复杂性

总线的复杂性不仅给OT端带来了障碍，且给IT信息采集与指令下行带来了障碍，因为每种总线有着不同的物理接口、传输机制、对象字典，而即使是采用了以太网来标准各个总线，但是，仍然会在互操作层出现问题，这使得对于IT应用，如大数据分析、订单排产、能源优化等应用遇到了障碍，无法实现基本的应用数据标准，这需要每个厂商根据底层设备不同写各种接口、应用层配置工具，带来了极大的复杂性，而这种复杂性使得耗费巨大的人力资源，这对于依靠规模效应来运营的IT而言就缺乏经济性，因此，长期以来，虽然大家关注，却很少有公司能够在这一领域获得较大的成长。

 

（2）.周期性与非周期性数据的传输

IT与OT数据的不同也使得网络需求差异，这使得往往采用不同的机制，对于OT而言，其控制任务是周期性的，因此采用的是周期性网络，多数采用轮询机制，由主站对从站分配时间片的模式，而IT网络则是广泛使用的标准IEEE802.3网络，采用CSMA/CD，即冲突监测，防止碰撞的机制，而且标准以太网的数据帧是为了大容量数据传输如Word文件、JPEG图片、视频/音频等数据。

 

（3）.实时性的差异

由于实时性的需求不同，也使得IT与OT网络有差异，对于微秒级的运动控制任务而言，要求网络必须要非常低的延时与抖动，而对于IT网络则往往对实时性没有特别的要求，但对数据负载有着要求。

 

由于IT与OT网络的需求差异性，以及总线复杂性，使得过去IT与OT的融合一直处于困境。

 

这是TSN网络因何在制造业得以应用的原因，因为TSN解决了上述几个障碍：

（1）.单一网络来解决复杂性问题，与OPC UA融合来实现整体的IT与OT融合。

（2）.周期性数据与非周期性数据在同一网络中得到传输；

（3）.平衡实时性与数据容量大负载传输需求

 

我们明白这个背景，就会明白TSN为何被OT厂商所共同关注，希望将其引入制造业以解决现实中的融合问题，否则，网络将成为推动智能制造的第一个难点。

 

 

二、TSN是什么样的技术？

  

2.1.TSN技术概要

通常，IEEE802.3开发并维护以太网的PHY和MAC标准，IEEE802.1开发并维护Bridging(akaSwitching)标准。通过AVB，IEEE使得以太网进入了实时应用领域，通过TSN，IEEE使得以太网进入硬实时应用，并改善了以太网的鲁棒性。通过在IEEE标准的持续的竞争力提升，开发这些技术的产品会有更好的市场。TSN是采用全局时间以及一个时间表让报文穿越多个网络组件，通过定义一个时间表用于传输报文，TSN确保了较低延时传输。

 

TSN要实现的包括以下：

--针对交换网络的报文延迟得到保障；

--严格的非严苛数据与时间严苛型报文可以在一个网络中传输而无需担心数据碰撞；

--更高层的协议可以通过实施控制报文机制分享网络基础设施；

--在无需网络或设备变动情况下将组件添加至实时控制系统；

--网络错误可以通过在源头更为精准的信息而被诊断并更快的维修

 

2.1.1 TSN所处的位置

 TSN并非涵盖整个网络，而仅仅是对MAC层的定义，对数据帧进行处理的过程。

 

图5.TSN在ISO-OSI模型中所处的位置

TSN所处的位置在OSI七层模型的第二层，尽管它是处理数据的调度，以太网数据包的封装与解包任务。

 

2.1.2TSN的核心任务

TSN主要解决时钟同步、数据调度与系统配置三个问题，如图6所示

 

图6-TSN网络所聚焦的三个问题

（1）.所有通信问题均基于时钟，确保时钟同步精度是最为基础的问题，TSN工作组开发基于IEEE1588的时钟，并制定新的标准IEEE802.1AS-Rev。

（2）.数据调度机制：为数据的传输制定相应的机制，以确保实现高带宽与低延时的网络传输。

（3）.系统配置方法与标准，为了让用户易于配置网络，IEEE定义了相应的IEEE802.1Qcc标准。

 

2.1.3TSN的参考网络

图7是TSN的参考网络架构，每个节点都有对应的同步时钟以及数据队列，看上去像是个路由网络，但TSN仅占有MAC层的定义。

 

图7-TSN参考网络结构

在这个网络中，Talker的信息要抵达Listener需要经过几个桥接过程，而在每个节点上都会有分布式时钟进行时间的同步计算，而队列用于处理数据的优先级、包括为了高动态数据的快速通道方式、抢占式机制。

 

2.2.TSN相关技术标准

要实现新的综合视频/音频、实时工业数据以及其它复杂的数据交互的传输，那么就需要解决技术上的障碍（如以太网的数据冲突），并且在分布式时钟同步、传输质量上予以技术保障，也包括如何实现工业应用所需的诸如高实时、冗余，以及信息安全及功能安全的机制保障。

为此IEEE802.1成了实时工作组，开发TSN的标准，以及组织企业的测试等工作。

2.2.1.IEEE802.1ASrev-用于时钟同步

它用于实现高精度的时钟同步。对于TSN而言，其最为重要的不是“最快的传输”和“平均延时”，而是“最差状态下的延时”—这如同“木桶理论”，系统的能力取决于最短的那块板，即，对于确定性网络而言，最差的延时才是系统的延时定义。

 

图8-IEEE802.1 AS时钟同步架构

如图8所示，IEEE802.1AS时钟同步架构，而TSN是对其进行升级。

图9-IEEE802.1AS-Rev的分布式时钟网络

 

IEEE802.1AS-Rev是为以太网第二层所定义的1588规范，它的修订包括了对链路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范围-包括1步时间戳标准化处理以及针对长链、环的支持，更好的响应能力，这包括了更快的主站交互、降低BMCA收敛时间。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息传输以及冗余支持能力（可配置冗余路径和冗余主站）。对无线网络采用时间测量提供更好的支持。

 

2.2.2IEEE802.1Qbv时间感知队列

TSN的核心在于时间触发的通信原理，在TSN网络中有“Time-aware Shaper-TAS”概念，这是确定性报文序列的传输方式，被标准化为IEEE802.1Qbv。其机制如图10所示。

图10-IEEE802.1Qbv的传输机制

通过时间感知整形器(Time Aware Shaper)概念使得可通过TSN使能交换机来控制队列报文，以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag，每个队列在一个时间表中定义，然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在预定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的，而在TSN网络的数据报文延时被得到保障。TAS介绍了一个传输门概念，这个门有“开”、“关”两个状态。传输的选择过程-仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。而这些门的状态由网络时间表进行定义。关闭到非时间表的门是另一种提供对时间严苛型报文进行带宽与延时保障的方法。TAS保障时间严苛报文免受其它网络信息的干扰，它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟。当这些因素非常重要时，抢占机制可以被使用。

图11-IEEE802.1 Qbv-Time Aware Shaper工作机制

如图11所示，在网络进行配置时队列就分为ScheduledTraffic、Reserved Traffic、Best-effortTraffic三种，对于Schedule而言则直接按照原定的配置时间通过，其它则按优先级。Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计，其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv确保了实时数据的传输，以及其它非实时数据的交换。

 

2.2.3IEEE802.1Qbu & IEEE802.3br转发与队列机制

对于高带宽的非时间严苛型应用而言，Qbu的抢占式方式可以解决其传输的问题。当出现优先级更高的数据包传输时立即中断当前传输，被中断的传输从中断点处被重发。

图12-IEEE802.1Qbu的传输序列

IEEE 802.1Qbu与IEEE 802.3br（IET-分散快速报文）一同工作于一个标准化的抢占机制上。该标准解决IEEE802.1Qbv所描述的TAS为避免传输抖动而在严苛型数据帧到来之前锁存了低优先级序列的问题（在一个最大干扰帧的持续时间内）。在需要预定的消息的最小延迟的情况下，TAS机制可能不是最佳的解决方案。因此，在支持由IEEE 802.1Qbu定义的优先级的链路上，可以中断标准以太网或巨型帧的传输，以允许高优先级帧的传输，然后在不丢弃之前传输的被中断的消息。有几种用于抢占正在进行的传输的通信选项是有利的，例如，以允许即时传输预定的消息并确保最小的通信延迟，或者促成

具有大量预定流量的网络链路上的最大带宽使用率。

当然，对于IEEE802.1Qbu的抢占而言，正在进行的传输可以被中断，报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧，抢占生成框架，最小以太网帧受到保护的，127字节的数据帧（或剩余帧）不能被抢占。

图13-可抢占MAC与快速MAC(IEEE802.3br)

如图13所示，IEEE802.1br定义了，设计了快速帧的MAC数据通道可以抢占Preemptable MAC的数据传输。IEEE802.3br也同样可以与IEEE802.1Qbv配合进行增强型的数据转发。

 

2.2.4.IEEE802.1Qcc系统配置

Qcc用于为TSN进行基础设施和交换终端节点进行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由1或多个CUC(集中用户配置)和1个CNC(集中网络配置)构成。CUC制定用户周期性时间相关的需求并传输过程数据到CNC，CNC计算TSN配置以满足需求。CUC用于OPC UA Pub/Sub，另一个用于OPC UA C/S，也会有其它用于应用协议如安全。配置采用标准化的配置协议（TLS上的NETCONF）以及匹配的配置文件（YANG）），如果单一设备则CUC和CNC并不牵扯协议。如果CUC和CNC是在分布式网络，RESTCONF用于他们之间的通信协议。

图14-IEEE802.1 Qcc-CNC用于TSN网络与用户配置的协议

图14显示了IEEE802.1Qcc的CNC与CUC的配置，对不同的Qbv,Qbu,QCB的配置。

2.2.5IEEE802.1CB冗余数据传输
IEEE802.1CB标准是为了实现冗余管理机制以实现HSR(高可用无缝冗余-IEC62439-3)和PRP(并行冗余协议,IEC62439 C4)。为了增强可用性，报文被冗余拷贝在一个并行的网络通道里。现存的标准，路径控制与预留IEEE802.1Qca，定义了如何设置此路径。冗余管理机制将这些冗余帧合并并产生一个独立的信息流到接收端。TSN工作组已经实现这一标准的最终版本。

2.2.6TSN相关标准及进程

IEEE TSN工作组正在推动相关的标准的落定，相关标准如表1，而进程如表2

表1-IEEE802.1TSN相关标准列表

 

当前TSN的标准化进程（2017年），如表2所示

表2-IEEE802.1 TSN相关标准进展（2017年）

 

关于IEEE802.1Qch,Qci,Qca在后续进行介绍。

3.全集成互联架构

对于传统的实时以太网技术而言，包括POWERLINK、Profinet、Ethern/IP和SERCOSIII而言，由于其仅为在软件协议栈方面的修改，因此，其从原有的IEEE802.3网络转至IEEE802.1的TSN网络，可以直接采用TSN网络来实现，而无需修改原有协议栈，以POWERLINK为例，在最底层采用了TSN并不影响原有POWERLINK的轮询调度机制。

 

图15-贝加莱OPC UA+TSN的整体互联框架

在POWERLINK之上的应用层可以采用OPC UA的机制，并且支持Pub/Sub机制。

优点

*TSN将为工业网络开启关键控制应用，例如机器人控制，驱动器控制和视觉系统。这种连通性可以让用户和供货商更容易从这些系统中获取数据，并对这些系统提供预日常的防性维护和优化。

*支持快速生产重构，降低工厂停工时间

*在整个工厂诊断集成中提高正常运行时间

三、谁在推动TSN？

 

自动化业界的推动者

 

图16-在2016年SPS上OPC UA TSN工作组交流

在2016年的SPS上各个厂商宣布了对OPC UA TSN的支持，包括了ABB、B&R、Bosch Rexroth、CISCO、GE、NI、KUKA、Parker、Phoenix、Schneider、SEW、TTTech等主流的自动化与IT厂商。

 

图17-SPS上主要的OPC UA+TSN的支持厂商

 

四、TSN当前进展-验证平台

当前在NI有针对OPC UA+TSN的Testbed，而来自于对TSN支持的各个厂商正在对其进行测试与互操作测试。

 

图18-IIC的TSN互操作Testbed参与厂商（2017年）

 1.TSN测试台特点

*在基于IEEE 802.1 时间敏感网络（TSN）的单独网络上结合各种临界流

*展示使用标准的聚合性的以太网的实时性能和不同供应商产品的协同性

*展现IIoT在高性能和延迟敏感应用合作方面的能力

*提供智慧边缘云控制系统与IIoT基础设施及应用的集成要点

*机器人，多轴运动机器，视觉，IO和机器健康/诊断的混合重构生产

*M2M层和IIoT层集成

2.参与者

B&R、Rexroth、Schneider、GE、TTTech、KUKA均参与了TSN的互操作测试—作为IIC的成员，贝加莱积极推动TSN技术的发展。B&R目前提供了X20主站CPU和APC 2100工业PC、ACOPOSmulti伺服驱动系统用于测试其与其它设备的在OPC UA架构下的互操作性。

 

3.即将进行的测试

*在不同的供应商之间建立TSN流

*显示TSN保护来自于高带宽流的临界流能力

*非TSN流进入TSN流的网关

*CUC到CNC APIs（TSN流要求）的测试

*CNC到网络基础设施（预定分布）的测试

*TSN上OPC UA Pub-Sub的数据一致性

 

包括了ABB、B&R、Bosch Rexroth、TTTech、SEW、CISCO、GE均是该技术的主要推动者，国内也包括有华为这样的ICT厂商进行TSN技术的开发。

 

图19-SPS上EPSG展台展出的OPC UA TSN演示系统 

图19为2017年纽伦堡SPS展会上EPSG组织展台展出的OPC UA TSN演示系统，针对200个I/O站、5个高清视频，达到100μS的数据刷新能力。

  

TSN预示着IT与OT的融合，这将为未来的OICT融合、边缘计算、工业物联网打通数据链路，在后续的文章中将继续介绍其产业意义、实现、发展动态。