对时间敏感的网络和实时以太网数据对未来的工业系统意味着什么?

Avnu联盟成员解释了由时间敏感网络(TSN)实现的实时通信将如何加强工业系统的未来。

通过Todd Walter, Ludwig Leurs, Anil Kumar, Paul Brooks, Bogdan Tenea, Paul Didier 2017年1月14日

工业物联网(IIoT)带来了创建智能系统的机会，可以在整个企业和云中的设备之间共享数据。随着人们对工业物联网和工业4.0的兴趣不断增长，越来越多的设计师、工程师和最终用户都在寻找时间敏感网络(TSN)一套正在修订的标准电气与电子工程师学会-解决及时处理原始数据的需求，减少延迟，提高鲁棒性，并为更先进的制造和产品模型提供基础，其中数据可以在控制系统的各层之间更加灵活和共享。(TSN工作组是IEEE 802.1工作组[以太网]的一部分，由音频视频桥接[AVB]工作组发展而来。)

为了支持工业物联网基础设施的这些新功能并连接网络设备，需要一个可互操作的系统，允许多个制造商、协议和组织共享相同的TSN网络。为了做好准备，Avnu联盟选择并验证一组底层机制，以满足给定市场的需求，创建一个公共基础设施，其他人可以在此基础上构建，以实现操作技术(OT)和信息技术(IT)之间的融合。这种融合增强了与工业设备的连接，并能够更快地获得新的商业机会，包括大数据分析和智能互联系统和机器。

Avnu联盟是一个行业合作伙伴关系，培养和发展一个为工业网络系统提供互操作设备的制造商生态系统。Avnu的工业部门包括整个生态系统和供应链的成员公司，包括IT供应商、硅供应商和工业供应商，他们共同努力创建一个低延迟、时间同步、高可靠的网络设备的互操作生态系统。Avnu创建了认证计划，以确保网络设备的互操作性，适用于多个市场和应用，从机器控制、医疗保健、智能电网和机器人到发电和过程控制，以及面向未来自动驾驶的汽车。这些领域中的每一个都采用嵌入式处理来执行闭环自主控制，具有高可用性需求，并且是高度软件定义的。

控制工程(CE)采访了几位Avnu联盟成员，询问工业物联网如何影响工业网络，TSN对工业系统的未来意味着什么。Todd Walter是国家仪器公司首席营销经理和Avnu工业部门主席;Ludwig Leurs是博世力士乐以太网汇聚总监;阿尼尔•库马尔(Anil Kumar)是英特尔(Intel)物联网集团首席系统工程师;保罗·布鲁克斯是罗克韦尔自动化公司的业务发展经理;Bogdan Tenea是Ixia的产品专家;Paul Didier是思科的行业解决方案架构师。

CE:以太网的发展如何改变了工业控制系统的设计方法?

路德维希他们:标准以太网已经发展到支持下一代控制系统。有了这个，最近的工作IEEE 802局域网/城域网标准委员会,互联网工程任务组(IETF)和其他标准组织已经扩展了在标准以太网网络上操作时间敏感系统的能力，支持各种应用和市场，包括专业音频/视频、汽车和工业。这些标准主要由IEEE 802.1 TSN任务组驱动，定义了使用标准以太网技术创建分布式、同步、实时系统的新机制，允许在同一网络上收敛低延迟控制流量和标准以太网流量。

TSN支持实时控制和同步，例如，运动应用程序和机器人之间，通过一个以太网。与此同时，TSN可以支持制造应用程序中的其他常见流量，推动IT和运营技术之间的融合。TSN不是一种颠覆性的技术，它使现有的工业实时控制应用程序共存和互操作，如新的OPC UA发布者/订阅者模型目前正在定稿OPC基金会．由于Avnu在音频/视频应用方面取得了成功，它将有助于在使用控制循环中的视频摄像机的现代机器中重用该技术。

随着支持TSN的网络基础设施变得越来越普遍，我们将看到今天许多经过修改的以太网网络可以使用标准802.1以太网上的基于ot的应用层迁移到基于TSN的网络。

CE:随着网络越来越拥挤的工业物联网数据，TSN如何确保数据的通信，使工业物联网能够帮助用户?

Anil Kumar:TSN承诺创造一个更智能、超连接设备和基础设施的世界。制造机器、运输系统和电网将配备嵌入式传感、处理、控制和分析功能。虽然工业物联网应用中由工业传感器和控制系统收集的大部分数据对时间不敏感，但也将有大量任务关键型、对时间敏感的数据必须在严格的延迟和可靠性范围内传输和共享。

TSN对传输调度的公共时钟、延迟规定、预留带宽和冗余等要求，使TSN确保精确的时间同步，以支持多个数据流的同步。来自机器视觉、3d扫描和功率分析的大型数据集会对网络带宽造成压力。TSN将支持全双工标准以太网，具有更高的带宽选项，如1gb, 10gb，甚至400gb版本IEEE 802.3．它还提供顶级It安全条款和互操作性，可扩展到大型系统。TSN还可以与现有的棕地应用程序和标准IT通信集成，并且是面向未来的，因为它在不断发展。

CE:与前几代标准相比，具有TSN特性的新一代以太网将如何改进?

保罗·布鲁克斯:TSN的价值来自于简化融合和增强连接，解锁实现大数据分析驱动的改进运营的工业物联网承诺所需的关键数据。设计人员可以利用来自消费者世界的处理、通信、软件和系统设计方面的进步，使用在提供精确计时的同时不断演进的标准。

特别是对于工业市场，这些标准支持简化分布式、同步控制系统的开发和部署，这些控制系统通常出现在各种工业应用中，包括机器控制、工厂自动化、发电和配电、石油和天然气勘探等。今天的许多控制应用程序都是使用非标准的网络接口和基础设施部署的。以太网的局限性导致了碎片化，并导致以太网变体的产生，其中包括实时性能，以满足测量和控制应用的需求。

这些变体经常修改以太网堆栈的硬件和基础设施组件，以提供行为上的保证。这些修改提供了控制所需的延迟和带宽预留。然而，由于它们需要对硬件进行修改，它们不再与标准以太网互操作，而且在网络上访问它们要困难得多。此外，在某些情况下，这些修改阻止了系统与以太网标准一起发展，并且与标准以太网相比，它们在带宽方面受到了限制。

与以太网的专有修改变体不同，TSN和相关工作，包括IETF项目，如DetNet[确定性网络]，提供了使用标准以太网技术将解决方案扩展到这些应用程序的机制，使OT和IT数据能够在公共物理网络上融合。TSN可确保可预测的时间关键流量交付，并具有与现有应用程序以及标准IT流量集成的潜力，以加强互操作性。其他优势包括简化开发和更快的上市时间。

CE: Avnu联盟及其成员如何推动这一下一代标准?

托德·沃尔特:Avnu联盟是一个非营利性的成员运营组织，促进、教育和支持公司创建提供可靠的、同步的确定性网络的设备。我们的重点是通过跨广泛市场的互操作性验证和测试，创建一个开放的、可互操作的生态系统。随着以太网的功能随着新标准的更新，Avnu联盟提供了社区来讨论、协作、认证和促进不断发展的网络功能，从而实现OT和IT之间的融合。

Avnu联盟由关键技术和设备供应商组成，包括领先的硅供应商，如英特尔和Analog Devices;网络基础设施供应商，如思科和Belden Hirshmann;端站供应商，如国家仪器、罗克韦尔自动化和博世力士乐;以及Ixia和Sprient等测试设备提供商。通过覆盖价值链的各个层面和市场，包括工业、汽车和专业AV，我们能够有效地为所有市场创建一个共同的全球基础。

为了促进共享网络并加速产品推向市场，Avnu通过一系列服务(包括开源软件、硬件参考设计、测试计划和认证服务)促进了公共技术平台的建立，以开发和验证支持tsn的产品的正确操作和实现。

Avnu联盟还与IEEE、IETF、ODVA、OPC-UA和工业互联网联盟(IIC)其目标是创建这个共同的基础，允许多种协议和制造商共存在同一个TSN网络上。Avnu还将教育其他群体TSN作为优先事项，这导致了联系的发展，各个群体可以从共享知识中受益，从而有助于广泛和不断增长的成员。

Avnu与IIC合作开发了世界上第一个TSN测试平台，以展示标准和制造应用生态系统的价值，包括IIoT结合高性能和延迟敏感应用的能力。我们在国家仪器公司主持这个试验台。

CE:你最近在TSN技术上有什么进步可以分享吗?

Bogdan Tenea:实际上，早在9月份，在IEEE汽车以太网和IP技术日上，几个Avnu成员首次演示了一个名为抢占的IEEE TSN新标准。在那里，来自Ixia的测试设备证明了互操作性，并测量了支持这种新技术的原型设备的性能改进。

抢占(IEEE 802.1 qbu / 802.3 qbr)[局域网和城域网标准-媒体访问控制桥接器和虚拟桥接局域网-修正:帧抢占]是IEEE以太网标准的新添加，允许高优先级帧在传输中中断低优先级帧，最大限度地减少高优先级流量的延迟。在工业自动化控制系统(IACS)应用中，抢占可以进一步将不同技术的多个网络融合到一个以太网和IP基础设施中，实现自组织工厂操作和订单控制生产。通过高度降低低优先级流量对重要流量的影响，可以实现两种流量在同一链路上混合使用。

Avnu在加快上市时间方面发挥着非常重要的作用，Avnu使成员公司能够组织nda插件会议来试验尖端技术，而不用担心机密性。从这个意义上说，我提到的公开演示是可能的，因为我们有机会在Avnu的保护伞下组织一个plugfest，在几周前测试抢占。

CE:为了支持未来工业系统的需求，网络基础设施需要做些什么?

保罗·迪迪埃:通过TSN，我们已经为工业供应商建立了一个关键的构建模块，现在可以构建使用融合网络的物联网就绪设备和应用程序。这里的标准仍在不断发展。我们仍然需要完成以下标准:弹性，在多路径网络上没有包丢失;管理交通以进一步保护TSN交通的能力;抢占，拆分大包的能力等等。

但除了TSN工作之外，我们还在努力解决与工业系统直接相关的许多其他挑战。在物理层，出现了更多的以太网变体:更轻的铜电缆(如单双绞线)，更长的/更短的距离(10秒到1000秒的米)，以及更多的PoE选项，如用于本质安全环境的更低功率。这使得可以在更恶劣的工业环境中部署。在IETF DetNet工作组中，我们正在将这些TSN“确定性”功能扩展到更大的、可扩展的网络上，以处理更大的系统。我们还将把TSN引入标准的、开放的无线网络。

所有这些都与通用网络的关键举措相吻合，包括为更多设备提供更高带宽的持续努力。但是我想特别指出自动化网络配置和管理的推动，通常被称为软件定义网络。这种以编程方式配置和管理网络的能力将降低工业生态系统的复杂性，因为工业生态系统需要简单和确定性的行为。在思科，我们正在开发更多的交换机来支持TSN。

CE: Avnu和TSN在2017年有什么可以期待的?

沃尔特:随着最新一代项目的完成并成为标准的正式组成部分，我们看到几乎所有供应商的兴趣都在增加。第一批TSN工业产品于2016年向选定的客户提供，包括来自国家仪器与英特尔TSN芯片和驱动程序还有思科TSN交换机．2017年，我们将看到更多来自Avnu会员的产品。事实上，它基于开放以太网标准，这意味着技术的采用受益于所有支持它的公司和品牌的投资，而不受一家公司关于如何开发和支持技术的商业计划或未来决策的限制。工业市场中的制造商受益于Avnu的集体多行业经验和网络专业知识，以加快先进的网络实现，最终更快地进入市场。

例如，Avnu最近完成了一份题为“支持TSN的工业系统的操作理论”的最佳实践文档，描述了一个工业模型的系统架构和需求，该模型使多个行业集团、供应商和协议能够共享TSN网络。本文档介绍了构建系统架构所需的基本机制，包括时间同步、使用预定传输的服务质量和网络配置。本文介绍了几个工业用例的需求，包括如何在需要时启用和集成非tsn技术。Avnu联盟成员创建了本文档，以帮助行业中的设计人员和工程师了解真实的应用环境，并构建针对多个供应商和行业团体配置的TSN网络。

随着标准和网络的不断发展，Avnu在定义和验证标准基础方面的工作也在不断发展。这最终将包括框架抢占、冗余、入口监管和安全性等机制。此外，Avnu定义的基础将继续支持其他功能，包括支持多个IEEE 1588配置文件，扩展到非常大的网络架构的指南，以及将多个网络聚合/组合到一个支持tsn的网络域。

Avnu认证也将随着标准的发展而发展，互操作性作为基线承诺，向后和向前兼容性得到保证。这意味着系统设计师和工程师不会在网络安装之前就设计过时的网络。

Avnu联盟还设有一个工业咨询委员会，制造商和最终用户可以在这里了解更多关于标准的信息，并参与塑造工业网络的未来。加入该组织是免费的，该组织提供了一个关于标准以太网演进的视角，同时提供了与融合、时间同步通信领域的其他人进行网络连接的机会。

Emily Guenther编辑，副内容经理，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．

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