用于工业应用的时间敏感网络

对于以太网技术的大多数应用，如果所有组件都正常工作，那么在现代网络部署中，延迟(即数据从a点遍历网络到B点所花费的时间)通常不是问题。在流媒体视频、下载文件、甚至是玩在线视频游戏时，5毫秒的延迟或几个数据包的故障之间的差异往往不会被人们注意到。在需要分布式组件紧密耦合的系统中，例如科学计算、高频股票交易系统或生产线操作，毫秒很重要。不会发生丢失或乱序数据传输。为了满足这些需求和其他人喜欢它，我们IEEE成立了一个特别工作组来研究时间敏感型网络(听)[1]。

传统的以太网传输可以被认为是最好的努力;发送方分片传输数据，接收方将分片重新组装成原始数据。如果某个切片丢失或到达时顺序不正确，接收方知道如何请求该切片的另一个副本和/或将它们放入正确的顺序。这些重发和乱序组装的操作需要时间，并且可能在数据可用的接收系统中造成延迟。网络设备供应商知道传统以太网的这些限制，并创建了专有的通信协议，例如EtherCAT[2],Profinet[3]来解决它们。虽然这些实现很好地扩展了以太网的功能，以满足制造的需求，但组件和设备需要满足相关行业组织的标准规范，以便更容易地集成。

TSN:同步、服务质量、调度

IEEE 802.1任务组开发TSN具有几个特定的目标。时钟同步到纳秒级的精度是结合精确时间协议(IEEE 1588)[4]来完成的。带宽预留和网络流量整形允许特定类型和分类的通信抢占其他通信，类似于标准以太网上的服务质量(QoS)应用。由于工业通信需求，调度和预订系统中使用的策略在设计和实现上要复杂得多。目前正在努力使这些功能更加健壮，并适应不同的通信工作负载，例如汽车和安全系统[5]。今天，有八个优先级值可以分配给网络通信，帮助设备发送和接收基于重要性的数据。

当通过七层OSI模型的框架进行分析时，TSN带来的许多变化发生在第二层。这些第2层的更改依赖于组成第1层的物理接口，例如对时间戳的支持。

由于通信结构和发送方式的根本差异，TSN需要配对支持的硬件和操作系统。这对OSI模型的影响的简要概述如下表所示。与IEC的联合项目被称为IEC/IEEE 60802 TSN自动化概要[6]。在IEEE 802.1AS, 802.1Q (at, av, br, bu, bv, ca, cc, ch, ci, cp, cr)[7]中查找更多详细信息。

表:时间敏感型网络如何影响OSI各层

第2部分- TSN当前的挑战:硬件

工业流程的数字化，通常被称为“工业4.0”，已经进行了多年。不同的行业正在以不同的速度接受这一概念。他们面临的许多潜在挑战可以通过采用和集成支持TSN的软件和设备来减少。对于机器学习(ML)等应用程序来说，时间序列数据至关重要，它要求所有对其数据进行时间戳的组件都具有精确和同步的时间，测量的数量级为纳秒，因为今天的线路执行操作的速度非常快。

安全或控制系统必须保证可用带宽，通过带宽，下游设备可以可靠地发送和接收关键命令。通过定制或专业设备引入设施的创新必须与现有协议协同工作，以避免上一代的供应商锁定。工业物联网(IIoT)运动以不同的价格点为许多不同的数据收集用例提供解决方案，使以前未被查看的设备或生产线操作方面的监控和数据收集具有成本效益。

要使用TSN特性，硬件必须支持它。与以太网通信相关的芯片和组件必须支持内置功能，例如时间戳生成。不幸的是，这意味着目前使用的许多设备不支持TSN，需要升级，包括可编程逻辑控制器(PLC)通信模块、服务器、工作站和传感器。这也需要一个新的网络代码实现来处理网络通信，因为标准以太网中不存在塑造和优先级功能。这些特性和功能将消耗更多处理器时间。

因此，这个固件可能会被限制在更多的当前硬件上，这些硬件有更多可用资源供TSN功能使用，这将是硬件升级的另一个驱动因素。在一个地点实现完整的TSN需要TSN支持的网络交换机、支持TSN的以太网控制器、支持TSN芯片组和软件的服务器或设备，如果需要从专有的确定性网络转换或转换，还可能需要TSN网关。的Avnu联盟是一个致力于评估和认证设备以确保兼容性和符合标准[8]的组织。

IEEE 802.11无线，5G的TSN研究

在采用TSN作为工业4.0的一部分时，连接性是另一个考虑因素。今天，实现TSN是通过电线和电缆实现的。关于如何将TSN功能引入无线设备的研究正在进行中，但组织不应该计划在未来几年内使用这些技术。这项研究已经提出了在标准IEEE 802.11无线空间和5G蜂窝网络频谱[9]中运行的概念验证产品。目前，无线设备还不能支持TSN的特性或功能。网络设计人员或工程师在评估他们计划部署的设备和连接需求时应该了解这些限制。无线的工业4.0方法目前正在考虑其他技术，例如LoRaWAN而且Bluetooth Low Energy (BLE)。

第3部分- TSN在工业4.0中的应用、益处:标准、决定论

支持tsn的设备的好处是驱动解决方案，如预测维护、机器性能指标、质量和效率建模，这利用了人工智能或机器学习，并且不能被夸大。拥有一个能够支持高速控制、数据采集和监控功能的接口将简化过去需要多个接口和更复杂实现的应用程序，从而实现更快的开发和部署。

作为IEEE标准，对于希望采用新的通信技术和功能的组织来说，对供应商锁定和专有协议的担忧不再是一个问题。支持TSN的网络交换机将可从各种供应商获得。设备可以从任何在其产品中实现TSN的供应商处购买。使用标准以太网电缆可以消除一些复杂性，并允许IT和OT共享负责支持基础设施的技术资源。作为TSN的最终用户，由于产品是根据已发布的标准开发的，因此不需要考虑IEEE施加的许可证、费用或其他年度成本，互操作性是主要目标。

让确定性数据遍历标准网络解决方案的能力应该会降低进入设施的解决方案的复杂性。由于增加了调度和优先级功能的可靠性，TSN可能是从遗留解决方案升级的一条前进道路。供应商还将引入网关，允许时间敏感的通信协议，如呼叫TSN过渡到基于tsn的以太网，允许他们有以太网的好处，而不需要以相当大的成本完全更换组件。

目前通过设备级环(DLR)、并行冗余协议(PRP)、媒体冗余协议(MRP)实现的冗余方法可能会被添加到TSN的附加功能所取代。虽然这些还没有到位，但它们正在讨论中，如果被纳入标准，将进一步降低工业网络的复杂性和专有结构。使用这些现有技术的组织应该继续了解这些领域的发展，因为它们可能会影响5到7年后项目升级的设计和技术选择。

第4部分- TSN特性、功能的时间

工业网络的短期和长期前景都令人兴奋。本文讨论的所有特性和功能可能需要几年时间才能成熟并出现在设备中。一些功能，如精确时间协议，目前正在使用，并已经在创造价值。对时间敏感的网络是工业4.0变革运动的关键组成部分。由于TSN的准确性和一致性，现在可能实现的用途和应用被用户的想象力所阻碍。

艾伦纠缠是OT建筑师州际公路和一个2021年40岁以下的工程领导，在控制工程2021年9月号．州际公路控制工程内容合作伙伴。由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程、《媒体，mhoske@cfemedia.com。

关键字

时间敏感的网络，实时以太网

学习目标

考虑IEEE时间敏感网络(TSN)如何帮助同步、服务质量和调度。

了解TSN网络如何影响OSI层、硬件和无线。

研究TSN在工业4.0中的用途和好处。

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参考资料控制工程文章:用于工业应用的时间敏感网络

[1] Kang Y.， Sunwoo, L.， Gwak, S.， Kim, T.， & An, D.无线通信系统中工业自动化的时间敏感网络技术。能源，14(15)，4497。2021.

[2] Beckhoff。EtherCAT -以太网现场总线，2022。(在线)。可用:https://www.beckhoff.com/en-en/products/i-o/ethercat/．[访问时间:2022年3月]。

[3]现场总线。《福利》，Profibus.com, 2022年。(在线)。可用:https://www.profibus.com/technology/profinet/benefits．[访问时间:2022年3月]。

[4]朱宏，吕坤，闫艳，张宏，黄涛。提高时敏组网中时钟同步精度和可靠性的措施。IEEE Access, 2020。

[5] J. Prados-Garzon, J.， Chinchilla-Romero, L.， Ameigeiras, P.， Muñoz, P.，洛佩兹- soler, J.M.“工业网络的异步时间敏感网络”，2021年欧洲网络与通信联合会议& 6G峰会(EuCNC/6G峰会)，2021年，第130-135页。

[6] IEC。“IEC/IEEE 60802 TSN工业自动化概要”，2022。(在线)。可用:https://1.ieee802.org/tsn/iec-ieee-60802/．[访问时间:2022年3月]。

[7] Zezulka, F.， Marcon, P.， Bradac, Z.， Arm, J.， Benesl, T.“时间敏感网络作为工业4.0的通信未来”，第16届IFAC可编程设备和嵌入式系统会议，2019年，第29-31页。

[8] ANVU。“阿夫努联盟及其使命是什么?””,2022年。(在线)。可用:https://avnu.org/faqs/[访问时间:2022年3月]。

[9] Brown, G.“用于工业自动化的超可靠低延迟5G”，2019年。(在线)。可用:https://www.qualcomm.com/media/documents/files/read-the-white-paper-by-heavy-reading.pdf

[10] Varis, P.， Leyrer, T.“工业自动化的时间敏感网络”，2022。(在线)。可用:https://www.ti.com/lit/wp/spry316b/spry316b.pdf[访问时间:2022年3月]。

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