TSN-工业通信的未来在这里？TSN时间敏感性网络

TSN(Time Sensitive Network)-时间敏感型网络是一个最新的但却并非陌生的技术，对于那些旨在推动工业物联网（IIoT）和工业4.0的厂商而言，他们在推动什么是一个值得探讨的话题，因为，在事实上推动IIoT和工业4.0的过程中，我们会遇到很多挑战，如果我们不了解OPC UA+TSN的话，某种意义上，我们只是在号称推动工业物联网，或者工业4.0。
一、TSN的渊源

TSN并非像很多人所感受的—这是一个全新的名词，事实上，TSN已经运行了有一些时间了，当然，它是一项从视频音频数据领域延伸到汽车领域，并进一步推广至工业领域的技术。

Bridging最初由IEEE802.1D来定义，当LAN加入这一规范后成为了IEEE802.1Q，然而，这并不能满足确定性与鲁棒性的工业如工厂自动化的需求，因此，不同的组织就开发了自己的非标准的确定性的以太网变种，2006年，IEEE开始组建了AVB(AduioVideo Bridging)任务组，2012年，AVB的成员扩展其应用到确定性以太网需求的网络，这就是IEEE 802.1现在称为TSN。

1.1.视频/音频传输需求

TSN是最初来源于在视频领域的应用需求，例如：在足球赛事中往往需要大量的摄像机位来捕捉赛场的全局，在顶级的赛事如世界杯一场比赛包括主看台、球门后、门线、边线、顶部等多达30甚至60个机位，用于最为有效的为不能现场看球的球迷们传播最为精彩的比赛场景，包括各个视角如赛场顶部、两侧看台、主看台、球门线，当然也包括对球星如梅西、C罗这样的球员的全程关注，而这些都是高清的数据，并且要通过网络传输到处理中心，对于带宽的要求显然是很大的，而另一方面，为了最大限度的提供实时性，需要这些图像、音频必须实现高实时的传输与处理，可以想象其带宽和实时性的需求。





图1-为视频/音频系统同步处理提供的架构

1.2.汽车/无人驾驶汽车

对于无人驾驶汽车而言，或者对于更为智能的汽车而言，传统的CAN总线已经不够用了，因为我们需要更大的带宽来传输更为复杂的信号，以及在汽车与周边进行交互的时候所需要的道路、交通信息，尤为重要的是—快速响应能力对于安全非常重要，对于高速运行的汽车而言，延迟意味着生命，低延时是必然的需求。





图2-智能车的数据传输需求架构（来自 NXP）





图3-NXP为汽车开发TSN技术的芯片应用

各个主要的芯片厂商如NXP、XILINX、瑞萨等已经为新一代的汽车开发了TSN芯片，在奥迪、奔驰等汽车上已经在开始有测试应用系统。

IEEE802.1本身是为了Audio/Video领域而设计的标准，在2005年即成立，并一直致力于开发针对音频/视频桥的IEEE802.1AVB标准的开发，由Avnu联盟负责其兼容性以及市场推广。

IEEE802.1AVB逐渐受到了其它领域的产业关注，并对此产生兴趣，但是，AVB并非是一个适合于所有产业的名字，在2012年IEEE AVB TG被重命名为TSN TG，在2015年InterworkingTG与TSN TG合并成为新的TSN任务组。

原来的AVB标准包括了以下几组：

? IEEE Std. 802.1AS-2011 –通用精确时钟协议，在Layer 2的IEEE1588精确时钟协议规范

? IEEE Std. 802.1Qav时间敏感数据流转发以及队列（FQTSS）：特定Credit-Based Shaper(CBS)

? IEEE Std. 802.1Qat –流预留协议-时间敏感性数据流注册与预留

? IEEE Std. 802.1BA – AVB系统-提供整体AVB架构和AVB规范

? CBS + SRP 提供250μS以下的桥连接

1.3.IIoT与智能制造对于网络的需求

在智能制造时代，我们说IT与OT融合来实现整个数据透明下的协同制造，但是，对于智能制造而言所遇到的问题却使得IT与OT的融合产生了诸多的障碍，这包括以下几个方面



图4.工业物联网的应用场景

（1）.总线的复杂性

总线的复杂性不仅给OT端带来了障碍，且给IT信息采集与指令下行带来了障碍，因为每种总线有着不同的物理接口、传输机制、对象字典，而即使是采用了以太网来标准各个总线，但是，仍然会在互操作层出现问题，这使得对于IT应用，如大数据分析、订单排产、能源优化等应用遇到了障碍，无法实现基本的应用数据标准，这需要每个厂商根据底层设备不同写各种接口、应用层配置工具，带来了极大的复杂性，而这种复杂性使得耗费巨大的人力资源，这对于依靠规模效应来运营的IT而言就缺乏经济性，因此，长期以来，虽然大家关注，却很少有公司能够在这一领域获得较大的成长。

（2）.周期性与非周期性数据的传输

IT与OT数据的不同也使得网络需求差异，这使得往往采用不同的机制，对于OT而言，其控制任务是周期性的，因此采用的是周期性网络，多数采用轮询机制，由主站对从站分配时间片的模式，而IT网络则是广泛使用的标准IEEE802.3网络，采用CSMA/CD，即冲突监测，防止碰撞的机制，而且标准以太网的数据帧是为了大容量数据传输如Word文件、JPEG图片、视频/音频等数据。

（3）.实时性的差异

由于实时性的需求不同，也使得IT与OT网络有差异，对于微秒级的运动控制任务而言，要求网络必须要非常低的延时与抖动，而对于IT网络则往往对实时性没有特别的要求，但对数据负载有着要求。

由于IT与OT网络的需求差异性，以及总线复杂性，使得过去IT与OT的融合一直处于困境。

这是TSN网络因何在制造业得以应用的原因，因为TSN解决了上述几个障碍：

（1）.单一网络来解决复杂性问题，与OPC UA融合来实现整体的IT与OT融合。

（2）.周期性数据与非周期性数据在同一网络中得到传输；

（3）.平衡实时性与数据容量大负载传输需求

我们明白这个背景，就会明白TSN为何被OT厂商所共同关注，希望将其引入制造业以解决现实中的融合问题，否则，网络将成为推动智能制造的第一个难点。