Thomas Brand ADI公司

關于以太網的討論引發業界對安全數據傳輸和實時性的需求不斷增長。這涉及到時間敏感型網絡(TSN)——在IEEE 802時間敏感性網絡工作組(TSN TG)框架內開發的幾個子標準的組合。其目標是將傳統以太網與工業通信所需的實時功能相結合，從而使所有工業通信建立在一個統一基礎上。在這里，有保證的延遲和相應的確定性是關鍵參數。

傳統以太網對此已無能為力，尤其是在高網絡負載下，因為傳統交換機通常在看到消息之前、在消息前往目的地之前以及在轉發消息時緩存消息。然而，新的應用需要能夠以快得多的速度更準確地控制帶寬分配的技術，尤其是在當今物聯網和工業4.0時代。未來，TSN或其子標準將使傳統以太網具備實時特性成為可能，即便數據傳輸速率達到GSPS范圍。除了實時能力和確定性之外，TSN還有另一項巨大技術優勢。網絡擴展能力使得TSN能以10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps或10 Gbps的速率運行。

但是，這需要細致（因而更復雜）的網絡配置。1 Gbps及以上的傳輸速率是當今網絡的邏輯演進。1 Gbps為新型（物聯網）應用開辟了道路，有助于克服數據密集型應用中的性能瓶頸。但是，只有當終端和以太網交換機均支持TSN功能時，TSN作為一個系統才能發揮全部效用。TSN功能和標準如圖1所示。

圖1. TSN標準

由圖示子標準組成的完整TSN包目前尚未完成。圖1中突出顯示的兩個子標準IEEE 802.1AS-REV（時間同步）和IEEE 802.1Qcc（流預留），仍在IEEE 802.1時間敏感性網絡工作組內部討論。很難估計這些開放的子標準將于何時完全厘定。但是，這項工作應該在2019年中期之前完成。盡管如此，即使在TSN標準的當前狀態下，標準以太網的一個上兼容的發展版本也已根據IEEE 802.1創建出來。例如，最近被采納的子標準提供了一種用于同步整個網絡中分配的時鐘信號的互操作方法。同時，這些子標準支持在其他設備也使用的共享傳輸介質上實現確定實時性。因此，TSN調節ISO/OSI參考模型第2層中的數據通信（參見圖2）。

圖2. ISO/OSI參考模型

嚴格地說，TSN代表以太網中支持實時性的第2層，但不是完整的實時協議。也就是說，TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的以太網協議。相反，這些工業以太網協議長期而言將支持第2層TSN，因此傳統工業以太網協議不會消失，但未來將建立在TSN之上。但是，現場總線則可能會被以太網永久性取代。

為了能夠在未來支持所有這些工業標準，業界需要用戶專用ASIC形式的特殊且靈活的硬件。這方面的一個范例是ADI公司精致的多協議芯片解決方案fido5000。TSN所需的硬件已集成到此以太網交換芯片中。一旦所有子標準都已完全明確，通過固件更新即可輕松調適此芯片。因此，它已為TSN做好準備。

圖3. fido5000支持的TSN標準

然而，為使從標準工業以太網應用到TSN的過渡循序漸進展開且盡可能簡單，標準化組織為現有工廠如何適應基于TSN的新設備提供了一些模型。這涉及使用ISO/OSI參考模型的統一層1、2和3，從而支持在可擴展性和性能方面采用全新方法。但是，這要求整個網絡及其所有組件（如交換機）支持各種通信協議。如此就能實現統一的確定性基礎設施，TSN網絡即可發揮其相對于傳統標準以太網的優勢。

但是，由于完整TSN標準尚未完全確定，許多公司目前不愿意實施TSN。轉換可能需要一些時間，不過終端已經可以從TSN網絡中獲益，因為現有TSN交換機已經提供確定性和實時能力。所以，TSN將成為未來的以太網標準是毫無疑問的。唯一未決的問題是完整TSN包將于何時準備就緒，并在行業中找到合適的應用。