物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)，推動了經(jīng)濟(jì)各部門對網(wǎng)絡(luò)化、時間感知系統(tǒng)的需求。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的發(fā)展，使得通過分布式網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)量大大增加，從而需要管理和傳輸關(guān)鍵和非關(guān)鍵信息的新方法。
對可靠性和安全性水平的需求正在增長，工程師正在尋找目前專用和隔離工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)的替代品。最新的IEEE 802.1時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）標(biāo)準(zhǔn)集，代表了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，旨在滿足這些新的市場需求。
圖1：TSN標(biāo)準(zhǔn)允許管理網(wǎng)絡(luò)通信以確保性能和數(shù)據(jù)傳遞。圖片來源：Avnu Alliance
工業(yè)控制應(yīng)用需要實現(xiàn)從傳感器到控制器以及執(zhí)行器，一致且確定的數(shù)據(jù)傳輸。這些元件之間交換的數(shù)據(jù)，對于控制任何制造過程都至關(guān)重要，因此必須最大限度地減少對數(shù)據(jù)交換的干擾或阻礙。對于大多數(shù)自動化系統(tǒng)而言，這并不是一個問題，因為已經(jīng)通過獨立的網(wǎng)絡(luò)將控制數(shù)據(jù)從信息數(shù)據(jù)中分離出來了。
IIoT正在改變這一范式，因為制造商可以從控制過程中使用的傳感器和設(shè)備中尋求見解和分析信息。通過同一網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)總量增加。某些數(shù)據(jù)對于控制系統(tǒng)至關(guān)重要，而其它數(shù)據(jù)對于信息和分析系統(tǒng)則至關(guān)重要。
在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，TSN是確保控制數(shù)據(jù)流量具有足夠帶寬的一種途徑，它還允許非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流量在同一網(wǎng)絡(luò)上傳輸。TSN提供了實現(xiàn)同一物理網(wǎng)絡(luò)上不同數(shù)據(jù)流量匯聚的工具，從而降低了基礎(chǔ)架構(gòu)的成本。
控制關(guān)鍵流量
TSN是IEEE引入的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的集合，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一組用于管理流量的新機制，為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)定義了新功能，例如流量塑形、幀搶占、流量調(diào)度、入口策略和無縫冗余。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的所有部分都以相同的時間基準(zhǔn)運行時，可以根據(jù)計劃表來協(xié)調(diào)流量，該計劃可以更好地控制關(guān)鍵流量。
這些功能為管理以太網(wǎng)流量提供了新的控制層。但是，從業(yè)務(wù)角度來看，TSN是否值得投資？在應(yīng)用到復(fù)雜系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中，如果TSN代表了該標(biāo)準(zhǔn)的另外一層，那么TSN如何能為最終用戶創(chuàng)建一個更簡單的系統(tǒng)？
TSN標(biāo)準(zhǔn)旨在促進(jìn)系統(tǒng)級配置，并且在創(chuàng)建時就從系統(tǒng)的角度，而不是從組件的角度出發(fā)。TSN使終端站可以在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布需求，并允許系統(tǒng)中的網(wǎng)橋和交換機向更廣泛的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布其功能。
例如，“P802.1Qcc–流預(yù)留協(xié)議（SRP）增強和性能改進(jìn)”規(guī)范是一種機制，旨在使網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)在系統(tǒng)級別上更智能，并傳達(dá)信息以便將控制面板從手動配置轉(zhuǎn)換到自動化工作流程。
在這個未來的體系結(jié)構(gòu)中（如圖2所示），可以向用戶提供系統(tǒng)視圖，允許配置輸入/輸出（I/O）和控制設(shè)備，以及拓?fù)浜突A(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)備的布局。TSN價值主張的核心原則是對所有網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行管理，從而確保性能和數(shù)據(jù)傳遞。為此，所有設(shè)備都需要通過發(fā)布或通知系統(tǒng)對流量的需求及其管理流量的功能，來參與流量規(guī)劃。在此示例中，使用集中式網(wǎng)絡(luò)配置引擎來配置系統(tǒng)。在分布式模型中，使用數(shù)個域管理器來運行系統(tǒng)。
圖2：該圖展示了TSN支持的系統(tǒng)層配置，允許配置I/O和控制設(shè)備的拓?fù)洳季帧?/p>
讓系統(tǒng)更智能
在未來，集中式網(wǎng)絡(luò)配置將成為一種智能工具，它可以從TSN標(biāo)準(zhǔn)中收集和傳達(dá)信息。它可以計算出最佳的解決方案，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中所有連接之間的所有數(shù)據(jù)流量。系統(tǒng)清楚可用帶寬，并在網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)橋）中配置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組件，以容納流量。如果系統(tǒng)無法解決滿足性能要求和子網(wǎng)中流量負(fù)載的配置，它將通知用戶，以便可以修改拓?fù)?、性能要求或?fù)載。
TSN使運行計算成為可能，這有助于實現(xiàn)或預(yù)測給定應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是否成功。TSN可以使由于操作完整性、實時性、安全性等原因而分開的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)融合在一起。打破關(guān)鍵系統(tǒng)和非關(guān)鍵系統(tǒng)之間的通信障礙，這也是實現(xiàn)IIoT和工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。借助TSN和時間同步功能，無論對環(huán)境有多苛刻，都可以隨時隨地從邊緣實時數(shù)據(jù)中獲取洞察信息。選擇TSN可以改變工業(yè)模式，在平臺上構(gòu)建一個更加融合和確定性的網(wǎng)絡(luò)，以保護(hù)長期投資。TSN及其附屬的智能軟件，為智能系統(tǒng)提供了配置網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的能力。借助TSN的網(wǎng)絡(luò)智能，系統(tǒng)將變得更自動化，并且不再需要人工干預(yù)。
工業(yè)中應(yīng)用TSN的好處
由TSN基礎(chǔ)架構(gòu)提供的數(shù)字技術(shù)可以縮短運營交付周期，提高系統(tǒng)可見性，并提高資產(chǎn)利用率。這些好處可以通過對未來系統(tǒng)進(jìn)行驗證來為進(jìn)一步的改進(jìn)鋪平道路，其中包括：
●易于網(wǎng)絡(luò)配置：現(xiàn)在，技術(shù)人員必須在常規(guī)網(wǎng)絡(luò)上手動配置每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。TSN可以通過智能配置工具進(jìn)行自動配置。網(wǎng)絡(luò)了解實現(xiàn)所需性能必須執(zhí)行的動作，并根據(jù)需要打開和關(guān)閉特定服務(wù)。TSN所要求的用于全網(wǎng)配置和調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)化方法，也為離線仿真以及網(wǎng)絡(luò)和體系結(jié)構(gòu)建模提供了途徑。
●安全網(wǎng)絡(luò)：安全性對于工業(yè)自動化和控制網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。由于TSN是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，因此控制網(wǎng)絡(luò)可以利用數(shù)十年來在以太網(wǎng)內(nèi)發(fā)展起來的最佳安全實踐。TSN還通過精確的計時機制，為數(shù)據(jù)添加了一層安全保護(hù)，該機制有助于及早發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)漏洞。
●降低系統(tǒng)成本：TSN允許在一個網(wǎng)絡(luò)上融合不同類型的流量，從而降低總體系統(tǒng)成本。由于系統(tǒng)需要較少的設(shè)備和電纜，因此還可降低硬件和維護(hù)成本。
●未來的網(wǎng)絡(luò)增強功能：TSN是以太網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分，這意味著該技術(shù)不會限制帶寬和其它性能標(biāo)準(zhǔn)?？梢詫⑿鹿?jié)點添加到網(wǎng)絡(luò)并通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)現(xiàn)新增節(jié)點。
由于這些原因，TSN成為構(gòu)建未來智能網(wǎng)絡(luò)的一個重要平臺。TSN有助于構(gòu)建更加融合和確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而保護(hù)企業(yè)的長期投資。
（作者：Anil Kumar）