時間敏感網(wǎng)絡（TSN）靠譜嗎

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202205/434073.htm

人類對自然的探索永無止境，一項新技術或者新理論可能會開啟一個嶄新的時代。電報通過編碼和相應的電處理技術實現(xiàn)遠距離信息交互。電話解決了異地間的實時話音通信問題。而互聯(lián)網(wǎng)技術則是通信技術的一次革命，網(wǎng)絡實現(xiàn)了文字、語音、圖片和視頻信息的實時傳播。在網(wǎng)絡技術不斷發(fā)展的過程中也存在很多問題：端到端時延不確定、帶寬不足和安全性問題等。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，不同的場景、不同的業(yè)務對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠖疾灰粯?，這些問題日益凸顯。

現(xiàn)代工廠現(xiàn)場包含各種生產(chǎn)資料、通信設備、生產(chǎn)控制設備以及傳感器等；各設備需通過網(wǎng)絡來有機連接在一起，為了提升效率，現(xiàn)場控制和運動都是在毫厘之間，這就要求通信和處理也必須是盡可能短，在多個動作和步驟有約束關系的情況下，相互間還有時間差的要求，傳統(tǒng)通常由工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線等方式與執(zhí)行層設備連接。而傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線存在標準不一、相互無法對接等弊端，在此背景下TSN（Time Sensitive Networking，時間敏感網(wǎng)絡）進入人們視野。TSN的優(yōu)點如圖1所示。

圖1 時間敏感網(wǎng)絡的特點

TSN是一組以太網(wǎng)標準，沿襲了AVB在傳輸高質(zhì)量音視頻的出色表現(xiàn)，通過精準時間同步、定時調(diào)度、幀搶占、幀復制與消除和安全連接等核心技術，實現(xiàn)了時間同步的低延遲流服務，為系統(tǒng)內(nèi)各單元提供低時延的等時的標準數(shù)據(jù)，從而為控制、測量、配置、UI和文件交換基礎架構等的融合提供基礎。

圖2 企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡示意圖

有關TSN的標準、技術、性能和關鍵指標在這里就不贅述了，可以參考IEEE 802.1相關工作組的內(nèi)容。下面著重談談TSN的融合、演進等等。

TSN是否就等同于實時通信

答案是否定的。實時通信是網(wǎng)絡通信追求的終極目標，人類通過不斷地探索研究一次次向零時延逼近，當前在5G場景中可以做到端對端通信時延在毫秒級別，但有些場景在追求低延時的同時，希望端對端抖動也足夠?。ǘ秳颖妊訒r要小一個數(shù)量級。如端對端時延控制在1ms內(nèi)，同時需要端對端的抖動控制在100us內(nèi)，否則時延1ms沒有意義；在工業(yè)現(xiàn)場傳感器、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)之間需要等時實時通信才能滿足各執(zhí)行機構之間配合，才能制造出高精度的產(chǎn)品。

實時通信主要在傳輸媒介、報文和協(xié)議處理上做到極致；而等時實時通信是在實時通信基礎上引入高精度時鐘，全網(wǎng)實現(xiàn)在同一節(jié)拍下進行調(diào)度，這樣既滿足實時要求，又合理地控制了端對端的抖動時間。有個很好的等時例子：3G/4G從速率上比傳統(tǒng)的窄帶E1/T1要快很多，但無論采用VoLte等技術，語音通話效果都無法與基于TDMA的固話相比。

在萬物互聯(lián)時代，各設備、各系統(tǒng)間協(xié)同會更加緊密，迫切需要端對端等時實時通信；基于時間等時的基礎網(wǎng)絡將是未來5~10年的發(fā)展方向。

TSN與OPC UA的結合

OPC UA定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和語法表達方法(信息模型)，每種系統(tǒng)若采用OPC UA的信息模型，可以方便被其他系統(tǒng)所獲取和集成。也就是說，OPC UA為工廠車間和企業(yè)之間的數(shù)據(jù)和信息傳遞提供一個與平臺無關的互操作性標準。

TSN與OPC UA都是近年來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域的熱門詞匯。在OT和IT的融合趨勢中，大量工業(yè)設備的聯(lián)接要求數(shù)據(jù)的互通和互操作性，以及網(wǎng)絡的實時和確定性。可以說OPC UA over TSN就是為OT和IT的融合、解決面向未來的工業(yè)網(wǎng)絡互聯(lián)而生。據(jù)統(tǒng)計，當前國際上現(xiàn)存常用的總線、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)量高達40余種，除此之外還有一些直接采用私有協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)設備的信息交互的，這樣就形成了一個個豎井型的業(yè)務系統(tǒng)，同一個系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)可以互通，但跨系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互通則非常困難。打通設備間，將各系統(tǒng)通過通信技術有機連接起來，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)資源的垂直整合，已成不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，希望能使用一整套接口、屬性和方法的標準集，提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠系統(tǒng)中各系統(tǒng)、各單元數(shù)據(jù)的無縫集成。

圖3 OPC UA TSN滿足今天制造業(yè)應用所需的所有通信需求

現(xiàn)代企業(yè)規(guī)模不斷擴大，相應信息系統(tǒng)也越加復雜，通常構建了現(xiàn)場級、車間級和企業(yè)級等通信系統(tǒng)，為了實現(xiàn)在復雜環(huán)境情況下的高確定性、低時延性和與平臺無關的互操作性，OPC UA over TSN+邊緣計算平臺功能提供了很大想象空間，通過傳感器收集各種數(shù)據(jù)，在邊緣側(cè)進行預測分析；進一步還可以通過邊云協(xié)同，在云端實現(xiàn)深度分析和工業(yè)流程優(yōu)化?？上驳氖荌EEE和ECC等組織都已布局。

TSN與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

進入工業(yè)4.0時代，IT與OT融合、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是姓“工”、還是姓“互”等等討論依然是熱門話題。當前移動互聯(lián)網(wǎng)拐點已至，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代將接下這一棒，向上對接工業(yè)優(yōu)化應用，向下連接海量設備，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺憑借先進的計算架構和高性能的云計算基礎設施，能夠?qū)崿F(xiàn)對海量異構數(shù)據(jù)的集成、存儲與計算。而擺在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路上，至少有三座高峰：

第一座：網(wǎng)絡協(xié)議

據(jù)統(tǒng)計，當前國際上現(xiàn)存常用的總線、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)量高達40余種，加上一些變種和私有協(xié)議，達上千種以上。各種不同時期，不同品牌，不同協(xié)議的工業(yè)設備，都有不同格式的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。因而不同工業(yè)設備之間的連接，是一個極其復雜的問題。

第二座：知識壁壘

俗話說隔行如隔山。隨著工業(yè)革命推進，行業(yè)越分越細，更趨專業(yè)化；不同行業(yè)、專業(yè)有不同的細分技術和獨門專業(yè)知識。如：一個再好的醫(yī)療設備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，也不太可能被工程機械企業(yè)所采用。

第三座：平臺互聯(lián)

現(xiàn)在國內(nèi)大大小小的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺有很多，這些“平臺”之間是無法聯(lián)接的，形成一個個豎井型的業(yè)務系統(tǒng)。后續(xù)會逐漸整合，會和消費互聯(lián)網(wǎng)一樣，形成寡頭經(jīng)濟，誰更快建成平臺、誰的平臺服務更好、誰的平臺為入駐企業(yè)創(chuàng)造的價值更高，誰就有可能是剩下的幾家‘寡頭’之一。

而這三座高峰說白了都是由標準不一，無法互聯(lián)互通，形成壁壘等所引起，當前TSN＋OPC UA已成為工業(yè)界統(tǒng)一標準的共識。

TSN與5G的互通

5G相比4G而言，在性能和速度上都有很大的提升，尤其是無線接入網(wǎng)絡（RAN）提供了更好的可靠性和傳輸延遲。在無線場景中，通過TSN和5G網(wǎng)絡的互通，實現(xiàn)端對端超低延時，可以滿足對時間敏感的業(yè)務需求?？梢哉f5G與TSN的融合，是一個寬闊的領域。如下圖所示，拉通無線接入網(wǎng)絡和核心網(wǎng)絡?？上驳氖窃?GPP不同版本中為了支持TSN也做了大量工作：靈活的參數(shù)集、更小的數(shù)據(jù)時隙和有效支持低延時應用的快速確認等等，為uRLLC場景做了很多優(yōu)化。

圖4 5G端對端網(wǎng)絡示意圖

同時在基站側(cè)引入MEC，組成云、邊、端三體協(xié)同的最佳解決方案，擁有低延時、高可靠、精準時間同步的基礎設施，成為實時物聯(lián)網(wǎng)RT-IoT的典范。

TSN部署演進

當前工廠網(wǎng)絡采用典型的兩層三級架構，其中IT和OT兩層網(wǎng)絡之間通過網(wǎng)關實現(xiàn)互聯(lián)和安全隔離；工廠、車間、現(xiàn)場三級之間的網(wǎng)絡配置和管理策略相互獨立。隨著TSN＋OPC UA的推進，拉通了底層互聯(lián)互通、語義轉(zhuǎn)換和信息技術的發(fā)展，原有的兩層三級架構將會變成模糊，變得更加扁平、高效。但這個過程會經(jīng)過幾個階段的演進：

1. 孤島式TSN網(wǎng)絡

TSN＋OPC UA的出現(xiàn)，替換現(xiàn)有種類繁多的工業(yè)協(xié)議成為可能，現(xiàn)場級網(wǎng)絡逐漸替換以TSN為基礎的統(tǒng)一通信，徹底實現(xiàn)了各現(xiàn)場設備間的互聯(lián)互通。

這個階段，TSN作為低時延，高吞吐量的等時實時網(wǎng)絡，將與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)等共存。

2. 局域式TSN網(wǎng)絡

孤島式TSN網(wǎng)絡還是局限在現(xiàn)場級，服務于以工單為單位實現(xiàn)單個零件和模塊的生產(chǎn)，這時IT和OT還是割裂的。我們希望一個工廠是一個整體，希望從上到下，或從下到上都是一個有機的整體；因而從訂單到ERP；再到MES、SCADA的工單和流程分解；經(jīng)PLC和HMI的中繼；最后驅(qū)動到傳感器和執(zhí)行器等等。把現(xiàn)場、車間和工廠內(nèi)部IT管理系統(tǒng)等相互間徹底打通，真正實現(xiàn)IT與OT的融合。

3. 跨域式TSN網(wǎng)絡

TSN網(wǎng)絡不僅僅用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，在娛樂領域也會大放異彩，比如網(wǎng)絡直播，當前網(wǎng)絡直播通常是基于Internet，在直播源頭和接收之間通過盡力而為的網(wǎng)絡來進行傳輸?shù)模渲蠧DN負責中繼和分發(fā)；數(shù)據(jù)加速技術來提升數(shù)據(jù)傳輸效率，但這些只能起到優(yōu)化，不能從根本上解決視頻卡頓等問題。如果采用端對端TSN，則能有效解決傳輸時延和抖動問題。

業(yè)務通過分片，設備上采用全光網(wǎng)絡（如：OXC），調(diào)度上采用TSN模型，實現(xiàn)跨域TSN。最近思科宣布26億美元收購光網(wǎng)絡技術公司Acacia，很明確思科在硅光領域的發(fā)力，硅光產(chǎn)品納入思科的整體解決方案中為跨域多云提供強有競爭力，硅光在降低功耗和時延上有很大優(yōu)勢。

同時無線方面會利用毫米波5G，Wi-Fi 6等進行低延時傳輸，最終會實現(xiàn)TSN有線無線統(tǒng)一。

新華三的TSN布局

“松散”型的消費類互聯(lián)網(wǎng)往“緊密”型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)牽引，將是未來5～10年的方向，各方都在集聚能量，蓄勢待發(fā)。

圖5 新華三工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構

新華三工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡基于SDN/NFV、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術，形成一張可靈活定義、安全可靠的柔性網(wǎng)絡，關鍵組件包含TSN時間敏感以太網(wǎng)、SNA Center（先知網(wǎng)絡中心）等，實現(xiàn)有線無線一體化、IT/OT雙網(wǎng)融合，提供多維可視、安全可靠、及智能運維的網(wǎng)絡服務，建立從現(xiàn)場層、控制層、管理層直到云端的融合網(wǎng)絡，也為跨域做好了準備。

1．采用扁平化的融合網(wǎng)絡架構，通過TSN核心技術，提供低延時、高可靠的確定性網(wǎng)絡，IT和OT設備都統(tǒng)一接入到同一個網(wǎng)絡中，實現(xiàn)控制信息等實時數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)信息等非實時數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡中傳輸，滿足工業(yè)生產(chǎn)過程實時監(jiān)控、自動控制、業(yè)務管理等需求。

2．提供有線、無線融合網(wǎng)絡，實現(xiàn)工廠有線無線網(wǎng)絡全覆蓋，解決信息孤島問題，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對于生產(chǎn)全流程、無死角的網(wǎng)絡覆蓋需求，支撐工廠的信息采集、生產(chǎn)控制等的應用需求。

3．SNA Center作為整個網(wǎng)絡的大腦，包括先知分析器、SDN控制器、網(wǎng)絡管理、安全管控等核心組件，它具有對網(wǎng)絡進行全局統(tǒng)一管理、控制和智能分析、業(yè)務編排的能力。SNA Center擁有全局視角，能夠解決不同網(wǎng)絡管理域之間的協(xié)同問題，從而簡化運維、降低OPEX；同時SNA Center可以實時感知網(wǎng)絡狀態(tài)，基于用戶意圖或網(wǎng)絡狀態(tài)分析可以實現(xiàn)業(yè)務自動化部署和風險預測，讓網(wǎng)絡更加智能，能夠更加簡潔、智慧、高效的為業(yè)務服務。

4．SNA Center通過高性能 API Gateway 提供符合 RESTful 標準的北向 API，并支持對接IT、OT應用系統(tǒng)，實現(xiàn)SNA網(wǎng)絡的可編程自動化，將智能化生產(chǎn)、個性化定制等應用需求傳遞給SNA Center，SNA Center理解業(yè)務意圖并解析成網(wǎng)絡語言，通過靈活定義，快速構建出適合生產(chǎn)環(huán)境的柔性網(wǎng)絡。

結束語

一種新技術的出現(xiàn)，除了它是否能的的確確地解決實際問題外，還要關注它的演進、生態(tài)等等。在萬物互聯(lián)中各系統(tǒng)、各節(jié)點的緊密協(xié)同和效率持續(xù)提升下，TSN不僅靠譜，并將會大放異彩。