工业4.0的网络技术（TSN）

TSN 的全称是时间敏感网络（Time-Sensitive Networking），是IEEE802.1 工作组的时间敏感网络任务组制定的一组标准（EEE 802.1Q）。主要用于在以太网络上传输时间敏感的实时数据。它将是未来汽车，工业4.0 中的主要网络技术之一。和opc ua 协议相结合，成为工业控制的网络基础。国际大公司都投入了巨大的人力物力在开发和融合中，预计在未来几年内技术成熟并进入市场。到那时，将会对许多传统的自动控制网络，协议，和软件造成冲击。

首先，TSN 是一个以太网协议，是OSI 的第二层。它是一个以太网协议，但不是互联网协议。在交换机中，它更加以太网头信息来前向传送数据，而不是IP 地址。以太网的承载部分可以是任何数据，不仅限于IP 协议。

TSN并非今天才有，基于以太网的时间敏感通信协议以前就有了，比如AVB——以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio Video Bridging）。应用于网络音视频实时传输。事实上2012年11月的时候正式将AVB更名为TSN – Time Sensitive Network时间敏感网络

TSN 应用于所谓“确定性通信Deterministic communication”，它在航天，汽车，制造，交通和公共事业行业非常重要。TSN 利用高带宽的以太网实现确定通信，提高了连接和优化的水平。

顾名思义，时间是TSN 中主要的特性。TSN 保证了在固定和可预测的时间内将信息从A 点到B 点。这也意味着这些网络设备共享一个公共的时钟，实现时间同步。TSN 通过使用PTP（Precision Time Protocol）协议来实现时间同步的。这是以前就有的IEEE1588 协议。甚至在STM32 处理器中都支持IEEE1588.

TSN 解决方案的组成部分

TSN 流（TSN flow）

用于描述终端设备之间时间敏感通信的术语。每个流都有一个限定的时间需求，网络设备必须努力满足它。每个TSN都有一个唯一的标识符。

终端设备（End devices）

这些是数据流的源和目的地。终端设备运行需要确定通信的应用程序。他们同样称为谈话者talkers 和聆听者listeners。

网桥（Bridges）

也称为以太网交换机。具有调度TSN 流以太网帧的能力。

下图为cisco 的IE4000 工业交换机

中心网络控制器（Central network controller）

中心用户配置（Centralized user configuration）

TSN 的测试平台

TSN 技术还比较新，目前有cisco，NI，Intel，华为，XIlinx，ADI 等公司在测试过程中。

一个NI 的CompactRIO检测主齿轮的位置，一个从CompactRIO根据这些信息控制从齿轮的位置，保持对齐。一个工业控制器触发摄像机拍摄，检测对齐状况。

另一个测试台使用intel ATOMCPU ，i210 网络驱动卡（支持TSN），Xilinx，intel FPGA Cyclone，ADI 和open62541 opc ua 程序测试。

TSN 是如何保证实时通信？

TSN 将数据进行所谓的Traffic Scheduling ，对于实时要求高的周期性数据流，要预先告诉交换机，例如 Flow A to B 128 Byte 200us。然后交换机可以根据这个要求，优先调度通信流量，只有没有传送TSN 的流的空隙中，可以用来传送非TSN 的数据，这个过程称为Traffic shaping（交通整形）。

NXP LS1021 处理器的资料中的示意图很好地示意了交通整形的方式，每个端口都有8个队列，可以按照调度的需求开关。是一种类似时分复用的方式开关队列，每个时隙200ns

OPC UA 与 TSN

OPC UA 是工业4.0 中重要的网络协议，能够描述各种软硬设备，而且它是语义级的通信协议，也就是说，既能听得见，又能听的懂。它将替代现有的所有自动控制的专用协议，而成为未来工业控制的通用语言。

相比之下，TSN是IEEE-802.1以太网的扩展，具有完整的一系列新能力，旨在让以太网更具确定性和实时性。因为预计未来将有众多制造商生产支持TSN的硬件，所以也可以把它视为实时通信的平民化。几乎每种协议都可以通过TSN获得实时能力。

OPC UA 和TSN 相结合，将使OPC UA具备实时性，实现了“传得快，听的见，听的懂”的终结目标。

在此背景下，opc 基金会成立了一个pub/sub工作组，研究OPC UA与TSN 相结合，从而可以替代工业以太网协议。它将受到传统PLC以上层次的热烈欢迎，因为来自不同制造商的控制器将能与OPC UA实时交互。TSN还能为OPC UA提供有保证的网络带宽。

未来的opc ua 协议可以在TSN，MQTT，AMQP和以太网上传输。

基于TSN提供的网络通信的高确定性和低时延之上，OPC UA则提供了一个独立于平台的面向服务的体系架构，它定义了统一的标准和信息模型，可以实现设备与设备、设备和企业，以及不同厂商设备之间的交互。

TSN+OPC UA组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的通信网络，将会在带宽、安全、互操作、延迟和同步等方面带来巨大改善。

举例来说，在工厂数据采集、传输与生产运营中，都会需要对现场的机器状态、生产能耗、质量相关、生产相关参数进行采集，TSN+OPC UA在整体上使得在工厂的各个环节的横向与纵向数据实现了透明交互，并且配置效率更高，程序与应用模块化更强。

TSN+OPC UA促进了OT（运营技术）与IT（信息与通信技术）之间的融合。

从传感器端采集的数据通过TSN和OPC UA，不用再历经PLC控制器、SCADA系统、MES系统…就可以直接连入云端。OPC UA作为一种数据传输的统一格式，无论是传感器层还是云平台层都可以部署，保持全栈信息模型的统一。传统工业自动化厂商依靠PLC控制器作为工厂神经中枢的地位有可能被冲击。能够快速导入IT 的最新技术，其中包括人工智能，数据分析，边缘计算，云平台。

我们期待这一天早日到来，也同时要有所准备。

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