確定性是工業連接設計中的一個重要因素。工業控制和自動化應用需要以特定時間間隔發送和接收數據。這些應用程序還要求以有限的低延遲保證數據傳輸。數據丟失（例如，在關鍵任務噴氣推進系統的情況下）可能會導致危險的后果。

IEEE 802.1 以太網是一種廣泛部署的企業網絡標準，其設計目的并不是為了滿足工業應用的這些確定性要求。為實現確定性，工業連接器、電纜和控制器中仍使用以太網的專有增強功能（如 EtherCAT、PROFINET 或 SERCOS III）。結果是支離破碎的工業網絡。由于缺乏安全性和互操作性，分段網絡成為工業控制網絡與工業物聯網 (IIoT) 和工業 4.0 應用集成的瓶頸。

作為 IEEE 802.1 以太網標準的演進，時間敏感網絡 (TSN) 正面解決了這些問題。除了標準以太網的優勢之外，TSN 還可以提供具有有限低延遲和抖動的確定性。這提供了融合企業和工廠連接的路線圖。這也是工業公司采用 IIoT 的一個令人信服的理由。

時間敏感的網絡標準

在過去幾年中，IEEE 的 TSN 任務組為現有 802.1 標準添加了一系列擴展，以支持數據包傳輸，同時遵守同一互連企業網絡上對時間敏感的流量的嚴格延遲和吞吐量要求。延遲和吞吐量是可配置的，以適應特定的用例。

這些標準設定了在時間敏感和盡力而為的流量之間分配時間的準則。定義了八個 VLAN 優先級以區分各種流量類型。每個端到端數據包流都分配了八個 VLAN 優先級之一。最高 VLAN 優先級通常分配給時間敏感的流量。

例如，在車輛中，安全（例如，車道偏離警告）和發動機正時相關數據需要保證延遲。對于導航和信息娛樂流量，要求要寬松得多。TSN 在此類用例中很有用，因為它可以在不影響時序要求的情況下通過同一以太網電纜組合所有流。這減少了為各種交通類型在車輛中安裝多條電纜的成本、重量和勞動力。

圖 1顯示了為 TSN 增強的標準套件。圖表中突出顯示了 TSN 在時間同步、計劃交付和軟件定義配置方面的關鍵能力標準。

圖 1：為時間敏感網絡增強的 IEEE 802.1 標準套件（來源：Practical Industrial Internet of Things Security）

時間同步

IEEE 802.1AS 規定了 TSN 中的時間同步，這有助于在通信設備之間建立通用的時間概念。IEEE 1588 精確時間協議 (PTP) 標準用于在網絡中的設備和交換機之間分發準確的定時參考。IEEE 1588ASrev 為 TSN 提供 IEEE 1588 配置文件。該標準還允許使用外部參考（例如 GPS）來同步時間。TSN 的試點測試報告時間同步精度低于 100 納秒。

交通調度

IEEE 802.1Qbv 定義了一種時間感知整形器，有助于確定 TSN 基礎設施中流量的優先級。時間感知整形器將數據交換分成固定長度、重復的時間周期。同行同意 TSN 通信將這些周期劃分為時隙。每個時隙都可以分配給八個 VLAN 優先級中的一個或多個。

TSN 定義了三種流量類型：

預定流量：預定流量示例包括需要有限延遲和零擁塞損失的工業自動化和控制流量。

盡力而為流量：盡力而為流量由沒有特定服務質量 (QoS) 要求的一般以太網流量組成。

預留流量：預留流量類型由分配在具有指定帶寬預留的不同時隙中的幀組成。

網絡和系統配置

IEEE 802.1Qcc 定義了 TSN 系統配置。TSN 使用軟件定義的網絡概念來自動設置和配置設備和網絡設備。同行提前就時序、調度和 QoS 指標的 TSN 配置達成一致。然后在各種 TSN 端點和交換機上提供這些配置。自動化簡化了配置和管理，并提高了網絡的可靠性和可擴展性。

構建支持 TSN 的工業產品

TSN 主要與 Purdue 控制層次結構中的 0、1、2 級工業控制和自動化產品相關。因此，TSN 增強功能適用于目前使用標準以太網或其專有變體之一的各種控制器、I/O 設備、傳感器和執行器。通常更堅固的工業電纜和連接器可能也需要與 TSN 一起發展。

TSN 目前處于早期采用階段。為了最大限度地發揮其優勢，理想情況下，TSN 需要新的以太網交換機和支持 TSN 的端點。但 TSN 也是為向后兼容而設計的。任何以太網設備都應該在 TSN 網絡中正常工作。棕地場景需要支持 TSN 的協議轉換器和網關。

TSN 對標準以太網的增強位于 TCP/IP 堆棧的第 2 層。因此，更高層的通信標準不受這些增強的影響。許多框架和應用層協議，如 OPC-UA 也正在采用 TSN。

主要的工業、嵌入式和汽車供應商齊聚一堂，為各種行業用例定義 TSN 要求，并將 TSN 概念擴展到無線網絡。

結論

時間敏感型網絡是對標準以太網的一種很有前途的演進，因為它將 IIoT 的優勢擴展到緊密環路的工業控制域。TSN作為一項新興技術，目前還在各個孵化試驗臺進行大量試點測試。然而，距離符合 TSN 標準的產品成為常態可能不會太遠。

關鍵點：

IEEE 802.1 以太網無法為工業應用提供確定性性能。

時間敏感網絡是具有確定性功能的標準以太網的演變。

支持 TSN 的產品支持使用基于開放標準的 IP/以太網技術升級工業控制網絡。

審核編輯：湯梓紅