隨著工業物聯網的發展，不同的場景與應用對數據傳輸的要求不一，網絡部署面臨著新的需求和挑戰，為了有效解決以太網通訊的不確定問題，實現真正的實時通訊，各大廠商開始大力引入和推廣時間敏感網絡（TSN）。
TSN擁有許多傳統工業網絡架構難以實現的功能，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？最新的行業動態又有哪些？近日，研華科技聯合CC-Link協會通過兩岸連線直播的形式舉辦了在線會議，我們不妨通過這次會議，來深入了解TSN這一可能成為未來工業通信統一標準的工業網絡技術。
臺北現場：研華IIoT事業群產品總監林玉偉（左3）、CLPA中國臺灣地區事務局長 陳重光（左2）；
上海現場：研華IIoT事業群資深開發經理張亦誠（右1）、CLPA中國支部高級工程師 楊凱（右2）
TSN，未來已來
工業以太網不是一個新的概念，在它蓬勃發展的期間誕生了幾十種通訊協議。研華工業物聯網事業群資深開發經理張亦誠表示，目前工業領域所使用的通訊協議形色不一，每一個協議背后也都各自有支持的廠商，雖然單獨來看都各具優勢，但最大的問題就是彼此不相容，難以形成統一的標準。“語言”不通為實時通訊帶來很大難度，想享受“書同文，車同軌”式的便利，統一標準的TSN也就應運而生。
傳統工業網絡存在延遲和實時控制困難的問題，傳輸速度無法超過100 Mb/s，擴展性也因此受到影響。不同的通訊協議只能使用專有的硬軟件，更是嚴重限制了用戶使用的靈活性、設備互操作性，增加了維護和運營成本。參與本次會議的4位專家一致認為，在工業互聯網時代，企業亟需最大程度保持敏捷、靈活，以提高效率和迅速響應能力，TSN的出現正解決了這一問題。
CLPA中國支部高級工程師楊凱表示，在目前的工廠網絡里，不同的生產線上，可能會存在例如Profinet、CC-Link等不同的總線協議，不同產線之間的數據交互和信息化改造始終是用戶的痛點。而傳統的工業實時以太網，一般采取預留帶寬的方式來保證數據的實時性和準確性，但可靠性和實時性的表現著實一般。TSN作為以太網擴充的協議標準，在實現數據融合傳輸、打破信息孤島，以及實現互聯互通等方面展現出了前所未有的潛力。
TSN原本是起源于Ethernet AVB（Audio Video Bridging）的標準化規格，它在被賦予了同步時間、控制A/V機器機能、預約頻寬等功能后，由IEEE（電氣和電子工程師協會）不斷增修，普及到了工業、汽車等行業，并在2012年將其正式改名為TSN。顯而易見，在未來，工業以太網將從個別規格向共通網絡規格移轉。CLPA中國臺灣地區事務局長陳重光介紹道，近年來，除了IEEE將該規格同步到IEC的國際標準規格上外，CC-Link協會、PI、OPC UA等開放式網絡協會團體也正在研討將TSN作為開放型網絡的適用性。
陳重光表示，目前，TSN的各項征訂規格的板塊仍在組建當中，作為工業網絡常會使用的技術規格，其中IEEE802.1AS-Rev和1588 PTP用于定義網絡上連接機器的同步時間；IEEE802.1Qbv將通訊幀分類，確保優先通訊頻寬；IEEE802.1Qbu則負責定義優先級的通訊幀，在進入優先度高的頻寬時會分割通訊幀，并讓優先度高的優先通行。陳重光解釋道：“在現有網絡下，整體的通訊效率會受到低速通訊幀速度的影響，在使用TSN技術時，就像將公路上的快慢車道實行分離，讓特定的通訊協議優先通行。”
針對用戶對TSN使用的顧慮，研華工業物聯網事業群產品總監林玉偉解釋道：“融合不是為了取代，所有工廠原有的以太網協議還是會存在，TSN只是作為一個統一的標準，充當這些有分歧的協議的媒介，其目的都是達到融合的效果。”
搶先一步，研華發布TSN交換機
現如今，用戶想要向TSN標準逐步靠攏，不僅需要具備TSN的網關進行不同協議之間的轉換，還需要TSN交換機來傳輸和匯聚數據。陳重光表示：“TSN因本身所具備的及時性、低延遲、高速大容量通訊，具備時間戳記、混合IP通訊等多種通訊協議功能，本領和優勢更加顯著。”這也讓相關廠商看到了其中無限的商機。
在TSN交換機的研發中，研華無疑搶先了一步。在此次會議上，研華正式發布了EKI-8500G工業級TSN以太網交換機，成為當前全球為數不多的采用TSN芯片方案的TSN交換機。
該新品區別于市面上大部分利用FPGA（現場可編程門陣列）設計的TSN交換機，EKI-8500G采用TSN專用芯片設計，具備8個千兆RJ45端口+ 2個千兆SFP端口，以及雙12?48 VDC電源輸入和1 x繼電器輸出。林玉偉向大家詳細介紹了EKI-8500G所具備的4大核心特色：時間同步、優先流量調度、時間感知整形器、高可靠的冗余資料傳輸。
所謂時間同步（IEEE 802.1AS）：在傳統的時間同步通訊架構中，設備之間的時間來源不一，及時性的需求也不一樣，TSN能使時間不同步的設備共用一個精準的時間來源，這樣的同步機制在半導體制造、汽車制造業等領域中，能夠保障機器行云流水的運作。
所謂流量調度功能（IEEE 802.1Qbu）：一般的通訊架構中，重要的OT資料出現的時候，也并不會中斷正在傳輸的資料，使得重要訊息被延遲，從而帶來停機損失。TSN的優先流量調度機制可以中斷當前正在傳輸的低優先級資料，禮讓重要資料先行，OT等重要的資訊就不會因此被搶占傳輸資源。
所謂時間感知整形器（IEEE 802.1Qbv）：TSN的標準在資料注列中架設了時間開關的閘門，使得實時性資料在固定時間內傳輸，不受其他非實時性資料的影響。簡單來說，這個機制是根據已知且設定的時間表來進行開關驅動。不同于傳統交換機的QOS功能，TSN交換機會對優先等級高的數據采取預支、預留手段，以保障數據流通的實時性。
所謂高可靠性的冗余資料傳輸（IEEE 802.1CB）：資料在傳輸的時候，設備會生成一份復制的備份檔案，兩份檔案會走在不同的傳輸路徑上，如果兩者都順利抵達，備份檔就會被自動刪除。如果有一條路徑因故被中斷，另外一條路徑的備份檔仍會抵達終點，確保資料被送到目的地。
除了可以實現以上4大功能外，為應對工業應用場景，新產品體積更小，可在-40~75℃的溫度區間內穩定運轉，林玉偉也補充道：“該產品讓資訊傳輸的環境在擁有IT頻寬的同時，具備了OT的精準和穩定性。”研華EKI-8510G工業交換機，為IIOT工業物聯網帶來高時效、低延遲，及穩定可靠的運行能力。
未來除了交換機產品外，林玉偉也表示研華還會有更多口數交換機、網關、配置軟件等TSN關鍵產品的推出計劃。會議當天觀眾互動熱烈，有觀眾在線提出問題：“如果工廠PLC等設備不支持TSN，要如何解決兼容問題？”
林玉偉對此解釋道：“TSN是一個統一的標準，老舊工廠內設備間想要支持TSN，當然還需要借助交換機、網關、對應的軟件等產品。但以PLC為例，作為工廠里最主要的控制器，其技術匹配度已經走在設備的最前端。在TSN的各種以太網協議發布時，很多PLC廠商都嗅到商機，并積極、大力地推廣，工廠的PLC產品一旦先行，周邊的設備也一定要跟齊，因此產品設備的部分，客戶其實并不用擔心，廠商會幫我們解決。”
TSN開啟IT和OT融合的新曙光
當然，除了產品供應商的積極研發外，為主動擁抱TSN的時代，2019年2月，CC-Link協會就發布了全新的通訊協議CC-Link IE TSN。這一舉動拓展了CC-Link IE基于工業以太網實現企業從信息層到應用層縱向整合的先進通信技術。CLPA中國支部高級工程師楊凱補充道：“相對于傳統的CC-Link以及CC-Link IE，CC-Link IE TSN在開放性方面是史無前例的。”完全開放的架構也是為了方便更多廠商進行合作，以共同建立TSN標準的生態圈。
據悉，包括三菱在內的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生產廠商，現已陸續推出從PLC、運動控制器到交換機、I/O、伺服、機器人等全線產品。除了CC-Link IE TSN外，Modbus、Profinet、EtherNet/IP等協議也都紛紛上新，加入TSN的大家庭中。此外，在全球范圍內，設置了多個TSN試驗床，測試床旨在加速推動著技術落地，幫助TSN在不同行業，尤其是在交通、5G垂直市場應用、汽車、半導體等領域施展拳腳。在本次線上會議上，四位專家不約而同都表現出了對TSN生態圈的樂觀態度，認為未來有望在5年內建立亞洲TSN生態圈。
在工業通訊領域，現場總線技術從推出到落地大概花了10年時間，以太網技術的大規模運用則花了差不多5年，而新興的TSN則有望在未來的3~5年內走向成熟。對于用戶或廠家來說，開發產品從立項到研發量產，再到推向市場也僅再需1~2年的時間。楊凱解釋道：“這就好比3G、4G、5G技術的迭代，我們能夠發現，新技術從推出到落地再到成熟的生命周期，一直在不斷縮短。”
過去，一個新技術的發展演進，要先經過一連串小規模或特定應用的試點，然后再慢慢向全行業擴散。而TSN技術不一樣，它像是個含著金鑰匙降臨的新生兒，因為行業的認可度極高，我們今天所看到的TSN發展現狀，是多個領域協會和聯盟共同推進的結果。其實，TSN技術的未來已經到來。對于TSN的發展前景，嘉賓分析認為業內人士已都信心滿滿，張亦誠表示：“在國內已經有大批廠家投入了TSN產品的研發，TSN有望很快席卷全球。”
未來，工業自動化和控制系統將致力于滿足高可用性和實時通訊的需求。值得欣慰的是，標準組織和獨立的網絡協議供應商均已達成共識，洞見了這一發展趨勢的潛力，共同攜手推進TSN這一下一代工業網絡標準。借助這股東風，脫離現有專屬架構的限制，落地工業物聯網和實現IT、OT融合的宏圖大業又向前大跨了一步。讓我們共同期待TSN產業生態圈的成型與壯大，未來讓新興通訊技術的基石，墊在每一個IIOT世界探索者的腳下。