隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不同的場(chǎng)景與應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟛灰?，網(wǎng)絡(luò)部署面臨著新的需求和挑戰(zhàn)，為了有效解決以太網(wǎng)通訊的不確定問題，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)通訊，各大廠商開始大力引入和推廣時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。
TSN擁有許多傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)的功能，它的前世今生是什么？TSN能為IT與OT深度融合帶來哪些契機(jī)？最新的行業(yè)動(dòng)態(tài)又有哪些？近日，研華科技聯(lián)合CC-Link協(xié)會(huì)通過兩岸連線直播的形式舉辦了在線會(huì)議，我們不妨通過這次會(huì)議，來深入了解TSN這一可能成為未來工業(yè)通信統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
臺(tái)北現(xiàn)場(chǎng)：研華IIoT事業(yè)群產(chǎn)品總監(jiān)林玉偉（左3）、CLPA中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)事務(wù)局長(zhǎng) 陳重光（左2）；
上?，F(xiàn)場(chǎng)：研華IIoT事業(yè)群資深開發(fā)經(jīng)理張亦誠(chéng)（右1）、CLPA中國(guó)支部高級(jí)工程師 楊凱（右2）
TSN，未來已來
工業(yè)以太網(wǎng)不是一個(gè)新的概念，在它蓬勃發(fā)展的期間誕生了幾十種通訊協(xié)議。研華工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)群資深開發(fā)經(jīng)理張亦誠(chéng)表示，目前工業(yè)領(lǐng)域所使用的通訊協(xié)議形色不一，每一個(gè)協(xié)議背后也都各自有支持的廠商，雖然單獨(dú)來看都各具優(yōu)勢(shì)，但最大的問題就是彼此不相容，難以形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。“語(yǔ)言”不通為實(shí)時(shí)通訊帶來很大難度，想享受“書同文，車同軌”式的便利，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的TSN也就應(yīng)運(yùn)而生。
傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在延遲和實(shí)時(shí)控制困難的問題，傳輸速度無法超過100 Mb/s，擴(kuò)展性也因此受到影響。不同的通訊協(xié)議只能使用專有的硬軟件，更是嚴(yán)重限制了用戶使用的靈活性、設(shè)備互操作性，增加了維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本。參與本次會(huì)議的4位專家一致認(rèn)為，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，企業(yè)亟需最大程度保持敏捷、靈活，以提高效率和迅速響應(yīng)能力，TSN的出現(xiàn)正解決了這一問題。
CLPA中國(guó)支部高級(jí)工程師楊凱表示，在目前的工廠網(wǎng)絡(luò)里，不同的生產(chǎn)線上，可能會(huì)存在例如Profinet、CC-Link等不同的總線協(xié)議，不同產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)交互和信息化改造始終是用戶的痛點(diǎn)。而傳統(tǒng)的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，一般采取預(yù)留帶寬的方式來保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，但可靠性和實(shí)時(shí)性的表現(xiàn)著實(shí)一般。TSN作為以太網(wǎng)擴(kuò)充的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合傳輸、打破信息孤島，以及實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通等方面展現(xiàn)出了前所未有的潛力。
TSN原本是起源于Ethernet AVB（Audio Video Bridging）的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)格，它在被賦予了同步時(shí)間、控制A/V機(jī)器機(jī)能、預(yù)約頻寬等功能后，由IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）不斷增修，普及到了工業(yè)、汽車等行業(yè)，并在2012年將其正式改名為TSN。顯而易見，在未來，工業(yè)以太網(wǎng)將從個(gè)別規(guī)格向共通網(wǎng)絡(luò)規(guī)格移轉(zhuǎn)。CLPA中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)事務(wù)局長(zhǎng)陳重光介紹道，近年來，除了IEEE將該規(guī)格同步到IEC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格上外，CC-Link協(xié)會(huì)、PI、OPC UA等開放式網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)團(tuán)體也正在研討將TSN作為開放型網(wǎng)絡(luò)的適用性。
陳重光表示，目前，TSN的各項(xiàng)征訂規(guī)格的板塊仍在組建當(dāng)中，作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)常會(huì)使用的技術(shù)規(guī)格，其中IEEE802.1AS-Rev和1588 PTP用于定義網(wǎng)絡(luò)上連接機(jī)器的同步時(shí)間；IEEE802.1Qbv將通訊幀分類，確保優(yōu)先通訊頻寬；IEEE802.1Qbu則負(fù)責(zé)定義優(yōu)先級(jí)的通訊幀，在進(jìn)入優(yōu)先度高的頻寬時(shí)會(huì)分割通訊幀，并讓優(yōu)先度高的優(yōu)先通行。陳重光解釋道：“在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下，整體的通訊效率會(huì)受到低速通訊幀速度的影響，在使用TSN技術(shù)時(shí)，就像將公路上的快慢車道實(shí)行分離，讓特定的通訊協(xié)議優(yōu)先通行?！?/p>
針對(duì)用戶對(duì)TSN使用的顧慮，研華工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)群產(chǎn)品總監(jiān)林玉偉解釋道：“融合不是為了取代，所有工廠原有的以太網(wǎng)協(xié)議還是會(huì)存在，TSN只是作為一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，充當(dāng)這些有分歧的協(xié)議的媒介，其目的都是達(dá)到融合的效果?！?/p>
搶先一步，研華發(fā)布TSN交換機(jī)
現(xiàn)如今，用戶想要向TSN標(biāo)準(zhǔn)逐步靠攏，不僅需要具備TSN的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，還需要TSN交換機(jī)來傳輸和匯聚數(shù)據(jù)。陳重光表示：“TSN因本身所具備的及時(shí)性、低延遲、高速大容量通訊，具備時(shí)間戳記、混合IP通訊等多種通訊協(xié)議功能，本領(lǐng)和優(yōu)勢(shì)更加顯著?！边@也讓相關(guān)廠商看到了其中無限的商機(jī)。
在TSN交換機(jī)的研發(fā)中，研華無疑搶先了一步。在此次會(huì)議上，研華正式發(fā)布了EKI-8500G工業(yè)級(jí)TSN以太網(wǎng)交換機(jī)，成為當(dāng)前全球?yàn)閿?shù)不多的采用TSN芯片方案的TSN交換機(jī)。
該新品區(qū)別于市面上大部分利用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）設(shè)計(jì)的TSN交換機(jī)，EKI-8500G采用TSN專用芯片設(shè)計(jì)，具備8個(gè)千兆R(shí)J45端口+ 2個(gè)千兆SFP端口，以及雙12?48 VDC電源輸入和1 x繼電器輸出。林玉偉向大家詳細(xì)介紹了EKI-8500G所具備的4大核心特色：時(shí)間同步、優(yōu)先流量調(diào)度、時(shí)間感知整形器、高可靠的冗余資料傳輸。
所謂時(shí)間同步（IEEE 802.1AS）：在傳統(tǒng)的時(shí)間同步通訊架構(gòu)中，設(shè)備之間的時(shí)間來源不一，及時(shí)性的需求也不一樣，TSN能使時(shí)間不同步的設(shè)備共用一個(gè)精準(zhǔn)的時(shí)間來源，這樣的同步機(jī)制在半導(dǎo)體制造、汽車制造業(yè)等領(lǐng)域中，能夠保障機(jī)器行云流水的運(yùn)作。
所謂流量調(diào)度功能（IEEE 802.1Qbu）：一般的通訊架構(gòu)中，重要的OT資料出現(xiàn)的時(shí)候，也并不會(huì)中斷正在傳輸?shù)馁Y料，使得重要訊息被延遲，從而帶來停機(jī)損失。TSN的優(yōu)先流量調(diào)度機(jī)制可以中斷當(dāng)前正在傳輸?shù)牡蛢?yōu)先級(jí)資料，禮讓重要資料先行，OT等重要的資訊就不會(huì)因此被搶占傳輸資源。
所謂時(shí)間感知整形器（IEEE 802.1Qbv）：TSN的標(biāo)準(zhǔn)在資料注列中架設(shè)了時(shí)間開關(guān)的閘門，使得實(shí)時(shí)性資料在固定時(shí)間內(nèi)傳輸，不受其他非實(shí)時(shí)性資料的影響。簡(jiǎn)單來說，這個(gè)機(jī)制是根據(jù)已知且設(shè)定的時(shí)間表來進(jìn)行開關(guān)驅(qū)動(dòng)。不同于傳統(tǒng)交換機(jī)的QOS功能，TSN交換機(jī)會(huì)對(duì)優(yōu)先等級(jí)高的數(shù)據(jù)采取預(yù)支、預(yù)留手段，以保障數(shù)據(jù)流通的實(shí)時(shí)性。
所謂高可靠性的冗余資料傳輸（IEEE 802.1CB）：資料在傳輸?shù)臅r(shí)候，設(shè)備會(huì)生成一份復(fù)制的備份檔案，兩份檔案會(huì)走在不同的傳輸路徑上，如果兩者都順利抵達(dá)，備份檔就會(huì)被自動(dòng)刪除。如果有一條路徑因故被中斷，另外一條路徑的備份檔仍會(huì)抵達(dá)終點(diǎn)，確保資料被送到目的地。
除了可以實(shí)現(xiàn)以上4大功能外，為應(yīng)對(duì)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，新產(chǎn)品體積更小，可在-40~75℃的溫度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，林玉偉也補(bǔ)充道：“該產(chǎn)品讓資訊傳輸?shù)沫h(huán)境在擁有IT頻寬的同時(shí)，具備了OT的精準(zhǔn)和穩(wěn)定性?！毖腥AEKI-8510G工業(yè)交換機(jī)，為IIOT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來高時(shí)效、低延遲，及穩(wěn)定可靠的運(yùn)行能力。
未來除了交換機(jī)產(chǎn)品外，林玉偉也表示研華還會(huì)有更多口數(shù)交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、配置軟件等TSN關(guān)鍵產(chǎn)品的推出計(jì)劃。會(huì)議當(dāng)天觀眾互動(dòng)熱烈，有觀眾在線提出問題：“如果工廠PLC等設(shè)備不支持TSN，要如何解決兼容問題？”
林玉偉對(duì)此解釋道：“TSN是一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，老舊工廠內(nèi)設(shè)備間想要支持TSN，當(dāng)然還需要借助交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、對(duì)應(yīng)的軟件等產(chǎn)品。但以PLC為例，作為工廠里最主要的控制器，其技術(shù)匹配度已經(jīng)走在設(shè)備的最前端。在TSN的各種以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)布時(shí)，很多PLC廠商都嗅到商機(jī)，并積極、大力地推廣，工廠的PLC產(chǎn)品一旦先行，周邊的設(shè)備也一定要跟齊，因此產(chǎn)品設(shè)備的部分，客戶其實(shí)并不用擔(dān)心，廠商會(huì)幫我們解決?！?/p>
TSN開啟IT和OT融合的新曙光
當(dāng)然，除了產(chǎn)品供應(yīng)商的積極研發(fā)外，為主動(dòng)擁抱TSN的時(shí)代，2019年2月，CC-Link協(xié)會(huì)就發(fā)布了全新的通訊協(xié)議CC-Link IE TSN。這一舉動(dòng)拓展了CC-Link IE基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)從信息層到應(yīng)用層縱向整合的先進(jìn)通信技術(shù)。CLPA中國(guó)支部高級(jí)工程師楊凱補(bǔ)充道：“相對(duì)于傳統(tǒng)的CC-Link以及CC-Link IE，CC-Link IE TSN在開放性方面是史無前例的?！蓖耆_放的架構(gòu)也是為了方便更多廠商進(jìn)行合作，以共同建立TSN標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)圈。
據(jù)悉，包括三菱在內(nèi)的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生產(chǎn)廠商，現(xiàn)已陸續(xù)推出從PLC、運(yùn)動(dòng)控制器到交換機(jī)、I/O、伺服、機(jī)器人等全線產(chǎn)品。除了CC-Link IE TSN外，Modbus、Profinet、EtherNet/IP等協(xié)議也都紛紛上新，加入TSN的大家庭中。此外，在全球范圍內(nèi)，設(shè)置了多個(gè)TSN試驗(yàn)床，測(cè)試床旨在加速推動(dòng)著技術(shù)落地，幫助TSN在不同行業(yè)，尤其是在交通、5G垂直市場(chǎng)應(yīng)用、汽車、半導(dǎo)體等領(lǐng)域施展拳腳。在本次線上會(huì)議上，四位專家不約而同都表現(xiàn)出了對(duì)TSN生態(tài)圈的樂觀態(tài)度，認(rèn)為未來有望在5年內(nèi)建立亞洲TSN生態(tài)圈。
在工業(yè)通訊領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)從推出到落地大概花了10年時(shí)間，以太網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模運(yùn)用則花了差不多5年，而新興的TSN則有望在未來的3~5年內(nèi)走向成熟。對(duì)于用戶或廠家來說，開發(fā)產(chǎn)品從立項(xiàng)到研發(fā)量產(chǎn)，再到推向市場(chǎng)也僅再需1~2年的時(shí)間。楊凱解釋道：“這就好比3G、4G、5G技術(shù)的迭代，我們能夠發(fā)現(xiàn)，新技術(shù)從推出到落地再到成熟的生命周期，一直在不斷縮短?！?/p>
過去，一個(gè)新技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)，要先經(jīng)過一連串小規(guī)?；蛱囟☉?yīng)用的試點(diǎn)，然后再慢慢向全行業(yè)擴(kuò)散。而TSN技術(shù)不一樣，它像是個(gè)含著金鑰匙降臨的新生兒，因?yàn)樾袠I(yè)的認(rèn)可度極高，我們今天所看到的TSN發(fā)展現(xiàn)狀，是多個(gè)領(lǐng)域協(xié)會(huì)和聯(lián)盟共同推進(jìn)的結(jié)果。其實(shí)，TSN技術(shù)的未來已經(jīng)到來。對(duì)于TSN的發(fā)展前景，嘉賓分析認(rèn)為業(yè)內(nèi)人士已都信心滿滿，張亦誠(chéng)表示：“在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有大批廠家投入了TSN產(chǎn)品的研發(fā)，TSN有望很快席卷全球。”
未來，工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)將致力于滿足高可用性和實(shí)時(shí)通訊的需求。值得欣慰的是，標(biāo)準(zhǔn)組織和獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議供應(yīng)商均已達(dá)成共識(shí)，洞見了這一發(fā)展趨勢(shì)的潛力，共同攜手推進(jìn)TSN這一下一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。借助這股東風(fēng)，脫離現(xiàn)有專屬架構(gòu)的限制，落地工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)IT、OT融合的宏圖大業(yè)又向前大跨了一步。讓我們共同期待TSN產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的成型與壯大，未來讓新興通訊技術(shù)的基石，墊在每一個(gè)IIOT世界探索者的腳下。