以太網在計算機與自動化網絡領域中同樣是一種可靠的有線傳輸方案。這種開放的協議標準允許終端能夠快速便捷地連接，并且能夠快捷地在相對便宜的硬件設備中交換數據。然而，以太網最初的設計并不是為了滿足自動化技術的要求，尤其是在保證實時性通信方面。因此，自動化中各種總線系統在頂層設計實現專有的實時性協議時，對以太網的物理層進行了創新。這些系統通常會導致網絡基礎架構的獨占使用以及對供應商的依賴性。

目前，對于時效性和非時效性網絡數據，一般都是分開單獨來處理的，以消除相互的負面干擾。在未來，工業4.0應用將需要越來越通用的以太網網絡，如果用傳統的方法來實現滿足上述功能需求的通用以太網網絡，付出的代價會非常大，因此，時效性網絡旨在提出一種方案來解決現有的問題。

實時通信

對時間周期以及周期的波動性的嚴格控制，包括傳輸過程中的控制和輸送技術領域，是自動化領域一系列應用中的先決條件。這些應用領域所需的數據傳輸時間明顯小于1 ms，除了這些需要“硬”實時功能的應用之外，其他應用（如過程自動化）可在較長的時間周期中實現“軟”實時功能，不過，這些應用也需要嚴格的時序控制。各種實時通信方法，如EtherCat（以太網控制自動化技術）或Profinet 技術中的IRT，都是專門為嚴格控制時間序列而開發的。雖然它們都是基于傳統的以太網技術來開發的，但它們彼此不兼容，這種不兼容性導致了網絡碎片化。

為什么選擇時效性網絡？

在大多數情況下，包括自動化行業（如制造業）在內的傳統以太網網絡的工作是基于將信息技術（IT）與運營技術（OT）分開的高級自動化金字塔。信息技術（IT）包括典型的終端設備（如打印機和個人計算機）的經典辦公通信場景。運營技術（OT）是由系統、機器和軟件組成的，用于處理過程控制和自動化的技術。這兩個領域從根本上決定了它們通信方式的不同，信息技術（IT）依賴于帶寬，而運營技術（OT）則更聚焦于實用性（如圖1所示）。因此，信息技術（IT）層面的數據流通常被標記為非關鍵類別，而數據流在OT層面被特指為（時間）關鍵類別。最終，每個層級的數據流都有一個特定的通信標準。雖然具有TCP / IP協議的以太網總線系統在IT領域上占了絕對的主導地位，但各種需要保證延遲時間滿足特定需求的總線系統（比如現場總線系統）也廣泛應用于運營技術（OT）領域。因此，每個供應商通常都會推廣一個特定的現場總線系統。對于用戶來說，這意味著選擇控制器基本上也就決定了總線的規格。因此，終端用戶通常的選擇通常受制于制造商，因為不同的總線系統彼此間不兼容。

最初，信息技術（IT）與運營技術（OT）之間幾乎沒有任何聯系。今天，數據的連續傳輸是數字化時代所有形態和以及規模的企業所必備基本需求。持續穩定的通信對于云端的數據獲取，遠程訪問或設備連接等要求的滿足至關重要。未來將更加重視普世的以及協議統一的網絡。在工業4.0以及物聯網（IOT）背景下描述或者已經實施的基于建立靈活，智能制造的工業互聯網的計劃已經進入了一個重組的階段。包括組件，設備以及工廠在內的智能制造環節之間互相進行不間斷地數據共享，以便于用自動化地方式優化智能制造地各個環節。同時，這些變化也已經對建立的自動化模型產生了深遠的影響。

圖1 自動化領域金字塔轉換架構

由于整合的優勢，傳統的自動化領域正在轉型為一個廣義上的網絡，這些網絡能夠直接和更高級別的傳感器直接連接與控制。現場和控制層面的分離正在逐漸消解，因此一個統一的并且相互關聯的網絡至關重要，這個網絡中的關鍵數據流可以與非關鍵數據流同時傳輸并且不會產生影響彼此的消極反應。因此，現有的以太網必須要做出相應的改變以適應現在的網絡需求。旨在通過共享以太網基礎設施實現融合關鍵和非關鍵數據流的以太網子標準目前正在制定和改進的過程中。

時效性網絡相比于傳統以太網的優勢包括：（1）保證整個網絡中實時關鍵數據的延遲時間；（2）通過融合網絡能夠將關鍵和非關鍵數據流同時傳輸；（3）更高級的協議層可以共享通用網絡基礎設施；（4）在運營技術（OT）領域之外也能夠實時進行控制；（5）不依賴于供應商。

什么是時效性網絡？

時效性網絡是在IEEE 802.1 TSN任務組中一系列以太網子標準定義組成的。TSN通過擴展和調整現有的以太網標準，致力于實現在信息技術（IT）和工業運行技術（OT）之間的融合。

時效性網絡技術旨在對開放式系統互連（Open System Interconnection）第二層協議進行規范化與標準化，以便不同的協議可以在相同的基礎架構上運行。這項技術的難點在于如何配置關鍵和非關鍵數據流，使其既不影響實時性，也不影響性能。

核心要素

所有網絡設備都具有相同的參考時鐘，這是必不可少的先決條件。網絡中所有交換機和終端都必須是時間同步的。通過有選擇地使用兩種不同的方法來改善這些功能（如表1所列）。

表1 時效性網絡標準一覽

除了通用的IEEE 1588規范之外，時效性網絡任務組還采用了一個特殊的配置文件，規定了IEEE 1588與IEEE 802.1Q結合使用的規范。這個配置文件的目的是將不需要1588-2008標準全部功能的協議加速應用到具體場景中。由于這個配置文件不能滿足所有自動化要求，因此需要重新設計，現在經過改進的標準被稱為IEEE 802.1AS-rev。

第二個核心功能是利用融合網絡處理關鍵和非關鍵數據流的傳輸。關鍵數據流必須保證在預定時間內傳輸，而非關鍵數據流通常優先級較低。根據IEEE 802.1Q已經建立的8個數據流類別用來考慮各種數據流的優先級。但是，服務質量（QoS）的標準定義并不能實現關鍵和非關鍵數據流的并行傳輸。由于以太網交換機中的緩沖機制，盡管傳輸路徑中的數據流有最高優先級，低優先級以太網數據仍然可能導致延遲，因此，我們引入新的優先權機制來改善和調節之前模式存在的問題。另外，數據形式可以根據應用的需求來重新塑造或者改善調度機制，下面具體闡述其中的兩種機制。

IEEE 802.1Qav — 基于可信因子的整形算法

該標準定義了一種數據流算法，該算法對于滿足實時要求的數據流的優先級比最高優先級的數據流優先級更高。基于可信因子的整形算法（CBS）由IEEE 802.1工作組于2009年開發，用于時效性網絡（TSN）音頻/視頻橋接（AVB）的預研技術。整形器給數據流分配置信因子，只要可信因子保持在置信區間范圍內，就發送具有保留帶寬的數據包。在傳輸過程中，可信因子在不斷消耗，直至下降到置信區間之外，才停止數據包的發送。一旦在傳輸過程中可信因子降至置信區間之外，則相鄰的最優級別的數據包將會接替傳輸任務。如果這種方法對具有保留帶寬的數據包的傳輸產生了延遲，則可以相應地增加可信因子的值來實現在最優級別的數據包發送完成后，能夠連續發送最高優先級的以太網數據幀。

IEEE 802.1Qbv — 時間感知調度系統

調度系統的最基本功能是創建相等的離散時間片（時間周期），這些時間片段或時隙用來分配給不同類別的數據。時間感知形成器為不同類別的數據流提供了一個固定的時間表，以實現對網絡中數據流的預開始和到達時間的估計。這種策略使得系統遵守定義的傳輸時間的同時，同步多個數據流的功能實現成為可能。由于調度系統需要保持同步，因此所有網絡參與者都知道何時以及哪個優先級的數據包將被傳輸與處理。

除了時間同步和各種數據流整形和調度機制之外，其他子標準已經或正在制定中，這些不同的標準更像是一系列差異化的解決方案，而不是一個一體化解決方案。通過不同的模塊組合來滿足某些應用場景的要求，從而可以使時效性網絡（TSN）適應每個特定的應用場景。

弗勞恩霍夫光子微系統研究所（IPMS）的IP核目前已實現IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qav和實時媒體訪問控制（MAC）的功能。

基于FPGA的TSN_IP核

由于時效性網絡功能的廣泛性，可以通過可編程門陣列（FPGA）實現系統功能的集成，與和許多功能確定的集成電路（IC）相比，FPGA可以通過靈活的編程實現系統功能的變化，配置邏輯門陣列（門陣列）可以實現復雜的數字功能。FPGA與IC相比，其優勢包括如下：?開發成本顯著降低；?系統功能實現的時間更短；?靈活的可擴展性和可編程性。

由于某些時效性網絡（TSN）的標準目前仍在修訂和制定中，因此可擴展性和可重復編程性仍然是功能實現的關鍵因素。

總結和展望

通過不同的方法實現對不同實時性要求的功能。時效性網絡（TSN）為滿足這些要求奠定了堅實的基礎，同時也為實現各種延遲、抖動和可靠性要求提供了較大的動態范圍。雖然標準制定過程尚未完成，各種標準的實施仍在進行中，但核心功能已經可以集成到產品中，并且可以通過相應的IP核服務支持后續的功能完善或升級。當基礎設施內的所有組件和設備都兼容時效性網絡（TSN）時，時效性網絡（TSN）將充分發揮其潛力。許多工業設備和交換器制造商正在努力制造與時效性網絡（TSN）兼容的產品。在 “接插集會”期間，所有制造商的產品都需要經過符合標準的互操作性測試，弗勞恩霍夫光子微系統研究所（IPMS）目前正在工業互聯網聯盟（IIC）和工業4.0網絡實驗室（LNI）插頭測試中測試自己的TSN_CTRL IP核功能。

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