随着工业物联网的发展，不同的场景与应用对数据传输的要求不一，网络部署面临着新的需求和挑战，为了有效解决以太网通讯的不确定问题，实现真正的实时通讯，各大厂商开始大力引入和推广时间敏感网络（TSN）。
TSN拥有许多传统工业网络架构难以实现的功能，它的前世今生是什么？TSN能为IT与OT深度融合带来哪些契机？最新的行业动态又有哪些？
近日，研华科技联合CC-Link协会连线直播，为大家深入解析TSN这一可能成为未来工业通信统一标准的工业网络技术。
TSN，未来已来
研华工业物联网事业群资深开发经理张亦诚表示，目前工业领域所使用的通讯协议形色不一，每一个协议背后也都各自有支持的厂商，彼此不相容，难以形成统一标准。
“语言”不通为实时通讯带来很大难度，想享受“书同文，车同轨”式的便利，统一标准的TSN也就应运而生。
传统工业网络存在延迟和实时控制困难的问题，传输速度无法超过100 Mb/s，扩展性也因此受到影响。不同的通讯协议只能使用专有的硬软件，更是严重限制了用户使用的灵活性、设备互操作性，增加了维护和运营成本。
工业互联网时代，企业亟需最大程度保持敏捷、灵活，以提高效率和迅速响应能力，TSN的出现正解决了这一问题。
CLPA中国支部高级工程师杨凯表示，在目前的工厂网络里，不同的生产线上，可能会存在例如Profinet、CC-Link等不同的总线协议，不同产线之间的数据交互和信息化改造始终是用户的痛点。而传统的工业实时以太网，一般采取预留带宽的方式来保证数据的实时性和准确性，但可靠性和实时性的表现着实一般。
TSN作为以太网扩充的协议标准，在实现数据融合传输、打破信息孤岛，以及实现互联互通等方面展现出了前所未有的潜力。
TSN原本是起源于Ethernet AVB（Audio Video Bridging）的标准化规格，它在被赋予了同步时间、控制A/V机器机能、预约频宽等功能后，由IEEE（电气和电子工程师协会）不断增修，普及到了工业、汽车等行业，并在2012年将其正式改名为TSN。
显而易见，在未来，工业以太网将从个别规格向共通网络规格移转。
CLPA中国台湾地区事务局长陈重光介绍道，近年来，除了IEEE将该规格同步到IEC的国际标准规格上外，CC-Link协会、PI、OPC UA等开放式网络协会团体也正在研讨将TSN作为开放型网络的适用性。
陈重光表示，目前，TSN的各项征订规格的板块仍在组建当中，作为工业网络常会使用的技术规格，其中IEEE802.1AS-Rev和1588 PTP用于定义网络上连接机器的同步时间；IEEE802.1Qbv将通讯帧分类，确保优先通讯频宽；IEEE802.1Qbu则负责定义优先级的通讯帧，在进入优先度高的频宽时会分割通讯帧,并让优先度高的优先通行。
陈重光解释道：“在现有网络下，整体的通讯效率会受到低速通讯帧速度的影响，在使用TSN技术时，就像将公路上的快慢车道实行分离，让特定的通讯协议优先通行。”
抢先一步，研华发布TSN交换机
现如今，用户想要向TSN标准逐步靠拢，不仅需要具备TSN的网关进行不同协议之间的转换，还需要TSN交换机来传输和汇聚数据。
陈重光表示：“TSN因本身所具备的及时性、低延迟、高速大容量通讯，具备时间戳记、混合IP通讯等多种通讯协议功能，本领和优势更加显著。”
在TSN交换机的研发中，研华抢先一步。于此次会议正式发布EKI-8500G工业级TSN以太网交换机，成为当前全球为数不多的采用TSN芯片方案的TSN交换机。
EKI-8500G工业级TSN以太网交换机
该新品区别于市面上大部分利用FPGA（现场可编程门阵列）设计的TSN交换机，EKI-8500G采用TSN专用芯片设计，具备8个千兆RJ45端口+ 2个千兆SFP端口，以及双12〜48 VDC电源输入和1 x继电器输出。
EKI-8500G具备4大核心特色：时间同步、优先流量调度、时间感知整形器、高可靠的冗余资料传输。
所谓时间同步（IEEE 802.1AS）：在传统的时间同步通讯架构中，设备之间的时间来源不一，及时性的需求也不一样，TSN能使时间不同步的设备共用一个精准的时间来源，这样的同步机制在半导体制造、汽车制造业等领域中，能够保障机器行云流水的运作。
所谓流量调度功能（IEEE 802.1Qbu）：一般的通讯架构中，重要的OT资料出现的时候，也并不会中断正在传输的资料，使得重要讯息被延迟，从而带来停机损失。TSN的优先流量调度机制可以中断当前正在传输的低优先级资料，礼让重要资料先行，OT等重要的资讯就不会因此被抢占传输资源。
所谓时间感知整形器（IEEE 802.1Qbv）：TSN的标准在资料队列中架设了时间开关的闸门，使得实时性资料在固定时间内传输，不受其他非实时性资料的影响。简单来说，这个机制是根据已知且设定的时间表来进行开关驱动。不同于传统交换机的QOS功能，TSN交换机会对优先等级高的数据采取预支、预留手段，以保障数据流通的实时性。
所谓高可靠性的冗余资料传输（IEEE 802.1CB）：资料在传输的时候，设备会生成一份复制的备份档案，两份档案会走在不同的传输路径上，如果两者都顺利抵达，备份档就会被自动删除。如果有一条路径因故被中断，另外一条路径的备份档仍会抵达终点，确保资料被送到目的地。
除了可以实现以上4大功能外，为应对工业应用场景，新产品体积更小，可在-40~75℃的温度区间内稳定运转，林玉伟也补充道：“该产品让资讯传输的环境在拥有IT频宽的同时，具备了OT的精准和稳定性。”
研华EKI-8510G工业交换机，为IIOT工业物联网带来高时效、低延迟，及稳定可靠的运行能力。
未来除了交换机产品外，林玉伟也表示研华还会有更多交换机、网关、配置软件等TSN关键产品的推出计划。
那么如果工厂PLC等设备不支持TSN，要如何解决兼容问题？
林玉伟对此解释道：“TSN是一个统一的标准，老旧工厂内设备间想要支持TSN，当然还需要借助交换机、网关、对应的软件等产品。但以PLC为例，作为工厂里最主要的控制器，其技术匹配度已经走在设备的最前端。在TSN的各种以太网协议发布时，很多PLC厂商都嗅到商机，并积极、大力地推广，工厂的PLC产品一旦先行，周边的设备也一定要跟齐，因此产品设备的部分，客户其实并不用担心，厂商会帮我们解决。”
TSN开启IT和OT融合的新曙光
CLPA中国支部高级工程师杨凯表示：“相对于传统的CC-Link以及CC-Link IE，CC-Link IE TSN在开放性方面是史无前例的。”完全开放的架构也是为了方便更多厂商进行合作，以共同建立TSN标准的生态圈。
据悉，包括三菱在内的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生产厂商，现已陆续推出从PLC、运动控制器到交换机、I/O、伺服、机器人等全线产品。除了CC-Link IE TSN外，Modbus、Profinet、EtherNet/IP等协议也都纷纷上新，加入TSN的大家庭中。
此外，在全球范围内，设置了多个TSN试验床，测试床旨在加速推动着技术落地，帮助TSN在不同行业，尤其是在交通、5G垂直市场应用、汽车、半导体等领域施展拳脚。
在本次线上会议上，四位专家不约而同都表现出了对TSN生态圈的乐观态度，认为未来有望在5年内建立亚洲TSN生态圈。
过去，一个新技术的发展演进，要先经过一连串小规模或特定应用的试点，然后再慢慢向全行业扩散。而TSN技术不一样，它像是个含着金钥匙降临的新生儿，因为行业的认可度极高，我们今天所看到的TSN发展现状，是多个领域协会和联盟共同推进的结果。
其实，TSN技术的未来已经到来。
未来，工业自动化和控制系统将致力于满足高可用性和实时通讯的需求。值得欣慰的是，标准组织和独立的网络协议供应商均已达成共识，洞见了这一发展趋势的潜力，共同携手推进TSN这一下一代工业网络标准。借助这股东风，脱离现有专属架构的限制，落地工业物联网和实现IT、OT融合的宏图大业又向前大跨了一步。让我们共同期待TSN产业生态圈的成型与壮大，未来让新兴通讯技术的基石，垫在每一个IIoT世界探索者的脚下。
