基于TSN的工业以太网赋能加速工业4.0时代的到来

　　数字化变革正在为工业自动化和工业生产带来振奋人心的新机遇，通过发展完善的工业大数据网络体系，工业生产不必限制于单个环节的效率天花板，从而能够通过更加合理的资源配置，实现效率的提升。然而这一目标却对未来的工业网络提出了更高要求：不仅需要承担传统的工业控制系统实时通讯，同时还需要承担大数据采集和传输的任务。因此，要想充分发挥数字化变革带来的优势，构建一个真正能够“一网到底”的高带宽、低延迟的确定性网络必不可少。

　　更确切地说，未来统一的网络基础设施要具备确定性通讯能力，保证性能和服务质量能与导致当前自动化孤岛现象的各厂商专有协议水平相当，甚至优于专有协议。目前，全球众多标准组织和供应商正携手为工业网络开发全新的统一基础——时间敏感网络(Time Sensitive Network，简称TSN)，高性能半导体技术提供商ADI正是其中一员。

　　TSN这样满足自动化实时通信需求

　　在工厂自动化和驱动技术的背景下，实时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下(最低至微秒)，因此为了满足自动化的实时要求，需要保证传输带宽和传输延迟。但是经典以太网却不能提供延迟和带宽保证，相反，如果操作需要，以太网甚至可以随时丢弃帧，许多问题正是出在这里：

　　Ø 如果在峰值时间存储的帧数多于网桥缓冲存储器可以容纳的帧数，则丢弃新传入的帧。

　　Ø 由于帧长不同，因此其延迟时间为其长度的函数。这会导致延迟波动(抖动)。

　　Ø 由于交换机应通过其发送帧的端口可能已经被其他帧完全占用，所以会导致额外的延迟。发送大型以太网帧(1522字节)在100 Mbps速率下大约耗时124μs。

　　自动化中的实时通信

　　借助TSN，业界已经成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展版本，成功地摆脱了过去的限制。TSN扩展了以太网第2层，纳入了实时操作所需的一系列机制：

　　Ø 802.1AS/802.1AS-Rev考虑了网络中时钟的高精度同步问题。

　　Ø 时间感知整形器 (TAS) 选项使以太网能够在硬调度模式下运行。有了该选项，就可以在特定时间阻止/释放QoS模型的一个或多个队列。

　　Ø 抢占(穿插快速流量)选项使长帧能够被分解成更小的部分，从而最大限度地减小优先级更高的帧的延迟。该选项可用于在速率超过100 Mbps时，优化TAS的保护带或替换TAS。

　　Ø 复制和消除帧以提高可靠性的选项可用于定义通过网络的冗余路径。

　　Ø 使用软件定义的网络意味着帧不再通过目标节点的硬件MAC地址转发到目的地，而是通过特殊MAC地址(本地管理的多播MAC)和VLAN ID的组合转发。不再自动确定这些帧在网络中的路由方式，而是由软件进行配置。多播MAC和VLAN ID的这种组合称为流ID，具有相同流ID的所有TSN帧称为TSN流。TSN流始终只有一个发件人，但可以有多个收件人。

　　鉴于现有资源，现在可以用特殊的方式组织TSN流，不再需要丢弃帧。现在，网桥将其资源用于TSN流的无损转发。

　　以太网帧(其中，与TSN数据流标识相关的部分以绿色表示)

　　通过802.1AS-rev，TSN还定义了可互操作的统一方法，用于同步网络中的分布式时钟。这些都使得在硬实时应用以及所有其它应用(网络服务器、SSH等)中，共用电缆成为可能。

　　实现既有系统向TSN的低成本过渡

　　在各方面，强调的重点都是旨在让客户能够轻松顺利地过渡到TSN。今天，我们可以有把握地说，现有的工业以太网协议不会在一夜之间消失。与之相反，任何人当前正在使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或类似普遍的工业以太网协议，他们都可以很有把握地假定，在10年内他们还是能够使用这些协议运行网络，并获得支持和替换部件。

　　TSN网络与PROFINET和EtherCAT相结合

　　所有工业以太网组织都提供了模型，用来描述现有工厂如何与基于TSN的新设备协同工作。现有工业网络的接口由网关(Sercos)、带耦合器(EtherCAT)或没有任何特殊硬件(PROFINET RT)的接口组成，特别是PROFINET和EtherNet/IP计划将其完整协议作为第2层用于TSN，这使得逐步过渡到TSN成为可能。

　　多协议强强联手，实现更大的普适性

　　伴随着TSN，工业以太网领域也正涌现出新的协议：带有新传输协议PUB/SUB的开放平台通信统一架构OPC UA与TSN一起，已被视为传统协议的竞争对手。有人将OPC UA用作应用层，TSN被视为使该协议具有实时能力的手段。但是，这里还有大量的工作要做，传输需要新的OPC UA传输层(即所谓的OPC UA PUB/SUB协议)。OPC UA通过其地址空间形成通用应用接口，而TSN为标准以太网添加实时能力并实现千兆位数据速度。因此，通过发布/订阅(pub/sub)模型将这两种技术结合起来是有意义的。

　　OPC UA不仅是一种用于连接客户端和服务器的协议，同样也是一种信息模型，其优势在于地址空间。OPC UA非常灵活，允许将现有用户接口(工业以太网协议的配置文件)映射到OPC UA，因此，现在工业以太网协议中的几乎每个配置文件在OPC UA地址空间中都有表示，在工业4.0的框架下，OPC UA被视为未来非常有前途的通用语言。相比之下，TSN是IEEE-802.1以太网的扩展，具有完整的一系列新能力，旨在让以太网更具确定性和实时性。因为预计未来将有众多制造商生产支持TSN的硬件，所以也可以把它视为实时通信的平民化。几乎每种协议都可以通过TSN获得实时能力。

　　在此背景下，pub/sub工作组的目的就是在TSN的帮助下，为OPC UA指定一种实时传输协议。这将使OPC UA具备实时性，从而可以替代工业以太网协议。它将受到传统PLC以上层次的热烈欢迎，因为来自不同制造商的控制器将能与OPC UA实时交互。TSN还能为OPC UA提供有保证的网络带宽，因而其鲁棒性会比目前所能实现的要更高。

　　一颗芯片，支持多种以太网协议

　　ADI公司推出的fido5000系列是面向工业以太网应用的实时以太网多协议交换机(REM交换机)，能支持当今所有主要工业协议，利用fido5000现在就可以将产品规划过渡至TSN并同时满足当前需求(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。交换机灵活的架构能够适应协议未来的变化，并且支持未来的协议及其他发展，借助fido5000还将使实现OPC UA PUB/SUB成为可能。

　　fido5000功能概览

　　除了单芯片fido5000，ADI同时还提供基于fido5000电路板级完整解决方案的RapID平台。RapID平台实现了所有常见的工业以太网协议，可轻松集成到非以太网现场设备中。这使得现场设备能够满足工业4.0应用的要求。常见工业以太网协议的实现均已经过预先认证。RapID平台另一个有趣的功能是动态集成的Web服务器。通过此功能，它允许用户很方便得读取和修改网络参数，输入及输出数据。

　　基于fido5000的RapID平台

　　fido5000 REM交换芯片和RapID平台已经为基于当前工业以太网标准和未来TSN标准的时间关键型应用提供了最佳的前提条件。