要說現在工業通訊領域最熱門的技術，那一定是非TSN莫屬。其實，TSN（Time Sensitive Network）時間敏感型網絡是一個最新的但卻并非陌生的技術，那TSN究竟是什么樣的網絡呢？為何TSN會被認為是未來工業通訊的統一標準呢？TSN會替代現在的各類實時工業以太網嗎？……
面對這些問題，CE China的老石和B&R的老宋開始了一場刨根問底式的對話，希望能讓你對TSN有一個全面正確的了解。
對話人
對話實錄
老石：TSN是時間敏感網絡的意思，時間敏感是什么意思？其他網絡對時間不敏感嗎？有衡量指標嗎？
老宋
說實話，最初在2016年貝加萊總部介紹TSN的時候，我覺得這似乎不像是一個工業自動化領域的技術，因為像PROFINET、POWERLINK、EtherCAT等工業網絡已經可以達到比較高的實時性指標，而且好像也極少遇到什么當前100μS搞不定的案子，工業網絡講 “Determistic”，即確定性網絡，因為控制是基于“等時同步”的，工業領域早已實現“時間敏感”。因此，就個人而言當時覺得這個詞是IT的人不了解工業而開發出來的網絡，因為TSN的最初描述是為以太網賦予“確定性”、“實時性”傳輸能力，這是因為標準以太網是沒有這個能力的，但是，實時以太網有這個能力。
那么，問題的關鍵在哪里？TSN最關鍵的目的在于“同一”網絡的數據傳輸，即，周期性的控制通信需求和非周期的數據在同一個網絡中傳輸，才是TSN的核心訴求。
因為現在的IT與OT融合過程中會遇到非常大的問題，即，周期性數據和非周期性數據往往需要通過兩個網絡傳輸，因此，你會發現控制器各家都是兩個網口，一個實時以太網，一個標準以太網，一般實時網絡用語機器與系統控制，而標準網絡用于管理級信息的傳輸。
通常，衡量網絡的QoS（Quality of Service）指標包括循環周期、延遲、抖動這幾個指標，一般來說，硬實時會在百微秒這個級別的刷新，抖動控制在幾十個nS這個級別，延遲在微秒級。沒有特別的官方定義實時性，因為，應用場景不同。
老石：TSN特點之一是實時性高，我們以往的現場總線、實時以太網不也有這個特點嗎？相比這些TSN在實時性方面也有優勢嗎？
老宋
盡管TSN的關鍵訴求在于“同一”網絡的傳輸，但經過研發人員的設計，其調度機制也允許獲得較高的實時響應能力，目前貝加萊已經開發的千兆以太網的TSN測試下來抖動在50nS（抖動通常描述的是最差情況），可以達到的最快周期是在10μS級，因此，對于現有的工業控制而言，TSN的實時性是完全可以保障的。
和目前主流的實時以太網比TSN顯然性能更高，據貝加萊總部的測試數據顯示高了18倍的整體性能（其測試是按照節點數、數據負載不斷增加然后取性能的均值）。
老石：TSN是如何實現時間敏感的呢？它是在標準以太網標準上做了哪些修改嗎？
老宋
TSN本身是一系列的標準，它包含了時鐘同步、數據調度與網絡配置三個方面的關鍵標準，TSN僅指數據鏈路層的標準，這一點必須闡明，它可以采用IEEE802.3的以太網或IEEE802.3cg的標準網絡來實現物理層，而數據鏈路層采用了橋接網絡，以及不同的數據流調度的策略，也就是Shaper-整形器，比如CBS基于信用的整形器、Qbv-時間感知整形器TAS、CQF-周期性排隊與轉發、ATS-異步傳輸整形器。想了解這個就得了解以太網本身是怎么傳輸的，然后就明白TSN主要是在Transmit Selection這個地方進行了策略調度機制的設計。
老石：TSN這兩年在工業界越來越火，這個TSN源自哪里，是咱們工業界獨有嗎？其他行業也叫TSN嗎？全球誰在主導這個標準啊？
老宋
SN并非是源自工業界，TSN最早是在音視頻傳輸領域，后來在汽車領域于2012年成立IEEE802.1Q工作，而到工業已經是2015年的事情了，成立了IEEE802.1 TSN工作組。
在汽車工業里一般稱為AVB-Audio Video Bridge，是由IEEE802.1Qav、IEEE802.1AS和IEEE802.1Qat（已經作為IEEE802.1Q的基礎標準）構成。
在航空航天領域也有大量時間敏感型網絡應用，他們可以稱為AS6802，而在工業領域，IEC和IEEE合作，成立了IEC 60802工作組用于實現TSN網絡的互操作性標準制定。
目前TSN的推動組織是Avnu，包括IIC、OPC UA基金會也加入了推動這項技術的工作，他們會和主要的Shaper廠商共同推動TSN技術的發展。
老石：TSN今后是要成為標準以太網協議，而且比以前的標準以太網協議先進，那是否意味著今后民用商用工業用的以太網協議都會成為TSN？
老宋
TSN是一項VLAN技術，即Vitural Local Area Network，這顯然定義了它是一個局域網，并且是一個虛擬的局域網，它不必一定成為商用和民用的所有通吃的標準，TSN域和非TSN域的區別在于VLAN ID，即，進入TSN網絡會被交換機給打上VLAN標簽，然后借助于TSN機制在該網絡中傳輸，但離開了TSN網絡的時候，這個VLAN標簽會被去除，它也可以變為一個標準以太網幀被傳輸。因此，TSN交換機會和普通交換機一起工作沒有問題。
因此，商業或民用網絡并不是必須要變為TSN網絡，這完全取決于應用本身的需求，尤其是經濟性指標，因此，如果沒有特殊的實時性需求的話，倒沒有必要，目前TSN網絡看來聚焦在工業級IoT應用比較多。
老石：為何這兩年突然TSN就受到業界這么多人的關注？它能解決哪些現在解決不了的問題嗎？
老宋
TSN火的原因就是大量的物聯網應用需求產生的，因為，你必須考慮周期性和非周期性數據的同一網絡傳輸問題，帶寬的需求較之以往更大。
你可以看到這個圖中，描述了幾個場景：
（1）音視頻同步：其實，如果你看中央電視臺，你看到播音員的口型和語音會出現不同步—這也屬于質量問題，因為音頻和視頻沒有同步，或者像大劇院里的音箱，你想想如果他們不能實現同步，就會出現重復的聲音，也屬于數據傳輸質量的問題。
（2）ADAS，相對于傳統的汽車而言，ADAS會需要多個激光雷達（比如前后三個），包括安全系統，這些更多的傳感器都會帶來帶寬的需求較之以往更大。
（3）AR/VR、機器視覺：這些技術在工業場景更多的使用都會讓帶寬的需求變大。
因此，TSN是有實際的需求的，連接變得更為廣泛，則需要更大的網絡容量傳輸能力。
老石：既然具有時間敏感特點的以太網絡有這么多優點，那么為何在早先的標準以太網推出時沒有考慮做成時間敏感呢？為何現在就要加上時間敏感？是原先沒有想到嗎，還是原來的技術實現不了，或者是成本太高等其他原因？
老宋
90年代大眾來中國投資建汽車廠的時候，中國的高速公路才剛開始，包括現在很多老的小區都沒有足夠的停車位，誰會料到今天汽車如此普及呢？
同樣道理，在你不需要這項技術的時候，你是不會真正有動力去開發這樣的技術的，因為如果沒有人用，這些研發投入就失去意義了，因此，任何技術的流行都會需要時間，而且，就目前而言，TSN都還沒有到它真正爆發的時候，因為，對互聯的需求也就最近幾年才剛開始，大量的工廠實際上還處于單機生產的階段。因此，TSN現在已經處于未雨綢繆的階段，因為大數據應用僅在局部開始，而并非進入爆發期。
當然，你說的沒錯，要實現TSN這樣的網絡的確需要非常大的技術投入，因為它的復雜性是超過現有的網絡的，就像時鐘同步就比IEEE1588有可靠性方面的需求，調度機制也更多樣靈活，這些都是需要芯片處理包括千兆以太網處理芯片、傳輸電纜、交換芯片等，這些都是成本，而只有面臨巨大的市場機會，芯片廠商才會有動力去投入研發。
老石：截至到目前，關于TSN的相關產品研發、測試床，支持的廠商等最新進展是什么樣的？
老宋
目前TSN有幾個重要的測試床推動者，一個是德國的LNI-就是工業4.0組織的測試床，一個是在IIC的測試床，還有一個就是由華為ECC組織的測試床，貝加萊在三個組織中都積極的參與了Testbed的建設。
目前，主流的自動化廠商都發布了各自的TSN產品或者測試產品，像B&R在2017年SPS發布了TSN產品，而SIEMENS在2018年漢諾威展發布了Profinet over TSN的產品，2019年三菱發布了CC-Link IE TSN產品。華為、TTTech、CISCO、MOXA、赫斯曼等廠商也發布了TSN交換機產品。
在芯片這個領域包括了NXP、XILINX、Intel、AD等廠商均發布了支持TSN的芯片組。
老石：雖然TSN這兩年火熱，幾乎所有人看好和支持，那為何從實際產品上還并不多見，或者還沒有批量生產和銷售，正式工業應用幾乎沒有，主要卡在哪里呢？預計到什么時候，TSN會開始真正落地應用？
老宋
看來，你比用戶更著急，但是，工業產品一般生命周期都比較長，就像CAN總線、Modbus現在還在用一樣，實際上，它并沒有想你想象那么慢，相對于過去的總線從概念、局部應用、大面積成熟應用的時間而言，TSN的發展算是比較快的，因為你要知道TSN面向工業的工作組2015年底才成立，2016年9月才召開Shaper的啟動會議，因此，你能夠在2018年看到這么多公司推出產品已經算是非常快的了。
TSN在2019年包括像現在已知的貝加萊、三菱都會有批量化產品推出，工業產品不會像手機那么更新快，華為的P20 Mate Pro我還沒買呢，P30就出來了，而工業產品一般生命周期都在15年以上，因為一臺機床可能會用20年以上。
因此，其實TSN發展已經非常快了。
老石：一個通信網絡要實現TSN，需要哪些設備來構成或支持？相比其他網絡，TSN實現起來會不會更加昂貴？
老宋
TSN是一個VLAN，因此它很多實現是在軟件的層面的，需要具有處理這種時鐘同步和調度機制的交換機，當然對于控制器而言，需要TSN的芯片支撐，具體的芯片成本我倒沒有考量過，但是，事物發展的規律是具有共性的，成本一定是一個不斷下降的過程，因為大量的采用就可以降低成本。
老石：現在看到國外廠商TSN產品陸續發布了，但國內廠商還沒有，那要如何才能開發一個TSN的主站或者從站或者I/O呢？成本高嗎？
老宋
這一點倒不完全是這個情況，華為在這方面已經走在前面，他們的TSN交換機也已經開發完成了，不過也似乎尚未進入批量化階段，因為華為會考慮更多的場景問題，因此，在整形器方面會有一些自己的設計，最近我寫了關于TSN的整形器（Shaper），還請教了華為的兩位專家，另外，MOXA也有TSN的交換機產品推出，還有一些大學、研究所、企業也推出TSN相關的技術測試產品，目前尚未正式發布 。
目前提供TSN技術開發板的包括XILINX，以及TTTech和Intel共同推出的TSN解決方案、芯片廠商NXP、AD等也推出了TSN的開發與測試芯片及測試板。
老石：現在實時以太網、現場總線在控制領域、特別是運動控制領域應用廣泛，那TSN會取代這些協議嗎？TSN和這些實時網絡會是什么樣的關系？
老宋
又需要強調一遍，就是TSN是在ISO/OSI架構的第二層，這意味著目前的TSN可以以各種形式出現，其實，以太網本身也是這個發展過程，比如Profinet就是Profibus over Ethernet，POWERLINK就是CANopen over Ethernet，那么，就會出現Profinet over TSN、CC-Link IE TSN這些場景，這種設計往往是為了保持應用層軟件的延續性，以確保現有的設備投資的可用性，而貝加萊則會選擇OPC UA over TSN，原有的POWERLINK CANopen應用層會逐漸轉向OPC UA，必須保持一個軟件應用的延續性，這也是在較長的一段時間里，應用層保持，而逐步轉向TSN的過程。
這一點必須強調，對于任何工業應用而言，保持技術的穩定性、繼承性是一種必須的考量，因此，技術的升級必須盡量的平滑過渡，對于用戶同樣如此，這是投資安全性的保障，因此，TSN短期內當然不會取代現有的網絡，但是，在更長的時間里，TSN會成為基礎的網絡架構。
ISO/OSI模型很有意思，就是它使得各個層可以獨立設計，包括物理層，目前的IEEE802.3可以繼續使用，當然也可以使用諸如PoE（Power on Ethernet）、SPE（Single Pair Ethernet-IEEE802.3cg）的物理層。
老石：現在另外一個通訊技術5G也已經來臨，5G也是以低時延、高帶寬為最大特點，而且5G要最多的應用可能在工業上，那么TSN和5G會是一個競爭關系嗎？
老宋
5G也有針對ULL（Ultra Lower Latency）的場景，但是，5G屬于無線網絡，在工業領域的應用，尤其是類似于運動控制這些應該還不會采用5G，但是，基于IIoT的應用中對網絡的確定性評估可以承受的領域5G是可以使用的，另外，TSN也會有針對無線場景的標準。
因此，評估技術的應用前景主要看場景—他們肯定不會是競爭關系，而是相互補充。
老石：對于TSN，也有些人認為現在是“雷聲大雨點小”，那TSN標準的最新進展是什么樣的？還需要解決哪些方面的問題從而來加速推進呢？現在技術發展那么快，TSN會不會中途又被新的通信技術給替代了？
老宋
其實，任何一項技術的核心驅動力是“經濟性”，而技術推動必然有一個接受過程，市場需要培育，因此，TSN顯然也不可能短期馬上就會大量的應用，想想現場總線從開始到發展到頂峰實際上也經歷了30年的時間，如果放眼整個產業的發展，TSN從2015年發展到今天已經算是非常快的速度了。
至于TSN中途會不會被新的通信技術替代，這個問題比較有意思，理論上來說，一切皆有可能。但是，任何技術都是來自于需求的，如果需求沒有本質的變化，那么技術也就不會有本質的變化，如果需求就是網絡的統一，那么無論是TSN還是說一個新的技術，同樣是這個技術實現路徑，而且通信技術不可能離開芯片、工業控制獨立存在，因此，只會有TSN的升級，而很難有一個獨立的技術替代它。
技術的發展有其必然性，既然大家看到了10年后的技術需求而開發TSN，那么它就會在很長一段時間內持續的發展。
至于更久的時間比如30年后會是怎樣，我想大部分人都無法關注，因為，這個時候如果你敏銳的觀察到30年后的網絡的需求，然后研發30年后要用到的技術，你這家公司是活不到那個時候的。
老石：如果未來一旦TSN在各個領域都普及了，是不是就是實現了所謂的工業物聯網萬物互聯？
老宋
這個倒是值得期待，TSN正是致力于此，不過，萬物是否一定是被TSN互聯，那也未必，因為這個世界有太多的技術，就像剛才提到的5G，人類因為多樣性才有意思，也因為有未知才值得探索，TSN能不能實現萬物互聯并不重要，它只是一個技術，不用賦予它那么重大的意義，就像比爾。蓋茨所說“我們總是高估在一年或者兩年中能夠做到的，而低估五年或者十年中能夠做到的”—短期看TSN似乎還沒有到要廣泛應用的階段，但長期來說，TSN在汽車、工業互聯網領域將是具有統治性地位的，不過它的最佳搭檔是OPC UA，這兩者的配合將會讓工業有著天下一統的可能。
當然，在工業世界里，價值的創造不僅僅依賴于網絡技術，而依賴于對客戶價值的追求，包括軟件的應用價值、人的創造力，沒有這些，TSN發揮不了什么，它只是一個實現我們價值創造過程的工具—對于工業企業而言，價值仍舊來自于為客戶解決問題，TSN會幫助我們。