隨著工業物聯網的發展，不同的場景與應用對數據傳輸的要求不一，網絡部署面臨著新的需求和挑戰，為了有效解決以太網通訊的不確定問題，實現真正的實時通訊，各大廠商開始大力引入和推廣時間敏感網絡（TSN）。
TSN擁有許多傳統工業網絡架構難以實現的功能，它的前世今生是什么？TSN能為IT與OT深度融合帶來哪些契機？最新的行業動態又有哪些？
近日，研華科技聯合CC-Link協會連線直播，為大家深入解析TSN這一可能成為未來工業通信統一標準的工業網絡技術。
TSN，未來已來
研華工業物聯網事業群資深開發經理張亦誠表示，目前工業領域所使用的通訊協議形色不一，每一個協議背后也都各自有支持的廠商，彼此不相容，難以形成統一標準。
“語言”不通為實時通訊帶來很大難度，想享受“書同文，車同軌”式的便利，統一標準的TSN也就應運而生。
傳統工業網絡存在延遲和實時控制困難的問題，傳輸速度無法超過100 Mb/s，擴展性也因此受到影響。不同的通訊協議只能使用專有的硬軟件，更是嚴重限制了用戶使用的靈活性、設備互操作性，增加了維護和運營成本。
工業互聯網時代，企業亟需最大程度保持敏捷、靈活，以提高效率和迅速響應能力，TSN的出現正解決了這一問題。
CLPA中國支部高級工程師楊凱表示，在目前的工廠網絡里，不同的生產線上，可能會存在例如Profinet、CC-Link等不同的總線協議，不同產線之間的數據交互和信息化改造始終是用戶的痛點。而傳統的工業實時以太網，一般采取預留帶寬的方式來保證數據的實時性和準確性，但可靠性和實時性的表現著實一般。
TSN作為以太網擴充的協議標準，在實現數據融合傳輸、打破信息孤島，以及實現互聯互通等方面展現出了前所未有的潛力。
TSN原本是起源于Ethernet AVB（Audio Video Bridging）的標準化規格，它在被賦予了同步時間、控制A/V機器機能、預約頻寬等功能后，由IEEE（電氣和電子工程師協會）不斷增修，普及到了工業、汽車等行業，并在2012年將其正式改名為TSN。
顯而易見，在未來，工業以太網將從個別規格向共通網絡規格移轉。
CLPA中國臺灣地區事務局長陳重光介紹道，近年來，除了IEEE將該規格同步到IEC的國際標準規格上外，CC-Link協會、PI、OPC UA等開放式網絡協會團體也正在研討將TSN作為開放型網絡的適用性。
陳重光表示，目前，TSN的各項征訂規格的板塊仍在組建當中，作為工業網絡常會使用的技術規格，其中IEEE802.1AS-Rev和1588 PTP用于定義網絡上連接機器的同步時間；IEEE802.1Qbv將通訊幀分類，確保優先通訊頻寬；IEEE802.1Qbu則負責定義優先級的通訊幀，在進入優先度高的頻寬時會分割通訊幀,并讓優先度高的優先通行。
陳重光解釋道：“在現有網絡下，整體的通訊效率會受到低速通訊幀速度的影響，在使用TSN技術時，就像將公路上的快慢車道實行分離，讓特定的通訊協議優先通行。”
搶先一步，研華發布TSN交換機
現如今，用戶想要向TSN標準逐步靠攏，不僅需要具備TSN的網關進行不同協議之間的轉換，還需要TSN交換機來傳輸和匯聚數據。
陳重光表示：“TSN因本身所具備的及時性、低延遲、高速大容量通訊，具備時間戳記、混合IP通訊等多種通訊協議功能，本領和優勢更加顯著。”
在TSN交換機的研發中，研華搶先一步。于此次會議正式發布EKI-8500G工業級TSN以太網交換機，成為當前全球為數不多的采用TSN芯片方案的TSN交換機。
EKI-8500G工業級TSN以太網交換機
該新品區別于市面上大部分利用FPGA（現場可編程門陣列）設計的TSN交換機，EKI-8500G采用TSN專用芯片設計，具備8個千兆RJ45端口+ 2個千兆SFP端口，以及雙12〜48 VDC電源輸入和1 x繼電器輸出。
EKI-8500G具備4大核心特色：時間同步、優先流量調度、時間感知整形器、高可靠的冗余資料傳輸。
所謂時間同步（IEEE 802.1AS）：在傳統的時間同步通訊架構中，設備之間的時間來源不一，及時性的需求也不一樣，TSN能使時間不同步的設備共用一個精準的時間來源，這樣的同步機制在半導體制造、汽車制造業等領域中，能夠保障機器行云流水的運作。
所謂流量調度功能（IEEE 802.1Qbu）：一般的通訊架構中，重要的OT資料出現的時候，也并不會中斷正在傳輸的資料，使得重要訊息被延遲，從而帶來停機損失。TSN的優先流量調度機制可以中斷當前正在傳輸的低優先級資料，禮讓重要資料先行，OT等重要的資訊就不會因此被搶占傳輸資源。
所謂時間感知整形器（IEEE 802.1Qbv）：TSN的標準在資料隊列中架設了時間開關的閘門，使得實時性資料在固定時間內傳輸，不受其他非實時性資料的影響。簡單來說，這個機制是根據已知且設定的時間表來進行開關驅動。不同于傳統交換機的QOS功能，TSN交換機會對優先等級高的數據采取預支、預留手段，以保障數據流通的實時性。
所謂高可靠性的冗余資料傳輸（IEEE 802.1CB）：資料在傳輸的時候，設備會生成一份復制的備份檔案，兩份檔案會走在不同的傳輸路徑上，如果兩者都順利抵達，備份檔就會被自動刪除。如果有一條路徑因故被中斷，另外一條路徑的備份檔仍會抵達終點，確保資料被送到目的地。
除了可以實現以上4大功能外，為應對工業應用場景，新產品體積更小，可在-40~75℃的溫度區間內穩定運轉，林玉偉也補充道：“該產品讓資訊傳輸的環境在擁有IT頻寬的同時，具備了OT的精準和穩定性。”
研華EKI-8510G工業交換機，為IIOT工業物聯網帶來高時效、低延遲，及穩定可靠的運行能力。
未來除了交換機產品外，林玉偉也表示研華還會有更多交換機、網關、配置軟件等TSN關鍵產品的推出計劃。
那么如果工廠PLC等設備不支持TSN，要如何解決兼容問題？
林玉偉對此解釋道：“TSN是一個統一的標準，老舊工廠內設備間想要支持TSN，當然還需要借助交換機、網關、對應的軟件等產品。但以PLC為例，作為工廠里最主要的控制器，其技術匹配度已經走在設備的最前端。在TSN的各種以太網協議發布時，很多PLC廠商都嗅到商機，并積極、大力地推廣，工廠的PLC產品一旦先行，周邊的設備也一定要跟齊，因此產品設備的部分，客戶其實并不用擔心，廠商會幫我們解決。”
TSN開啟IT和OT融合的新曙光
CLPA中國支部高級工程師楊凱表示：“相對于傳統的CC-Link以及CC-Link IE，CC-Link IE TSN在開放性方面是史無前例的。”完全開放的架構也是為了方便更多廠商進行合作，以共同建立TSN標準的生態圈。
據悉，包括三菱在內的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生產廠商，現已陸續推出從PLC、運動控制器到交換機、I/O、伺服、機器人等全線產品。除了CC-Link IE TSN外，Modbus、Profinet、EtherNet/IP等協議也都紛紛上新，加入TSN的大家庭中。
此外，在全球范圍內，設置了多個TSN試驗床，測試床旨在加速推動著技術落地，幫助TSN在不同行業，尤其是在交通、5G垂直市場應用、汽車、半導體等領域施展拳腳。
在本次線上會議上，四位專家不約而同都表現出了對TSN生態圈的樂觀態度，認為未來有望在5年內建立亞洲TSN生態圈。
過去，一個新技術的發展演進，要先經過一連串小規模或特定應用的試點，然后再慢慢向全行業擴散。而TSN技術不一樣，它像是個含著金鑰匙降臨的新生兒，因為行業的認可度極高，我們今天所看到的TSN發展現狀，是多個領域協會和聯盟共同推進的結果。
其實，TSN技術的未來已經到來。
未來，工業自動化和控制系統將致力于滿足高可用性和實時通訊的需求。值得欣慰的是，標準組織和獨立的網絡協議供應商均已達成共識，洞見了這一發展趨勢的潛力，共同攜手推進TSN這一下一代工業網絡標準。借助這股東風，脫離現有專屬架構的限制，落地工業物聯網和實現IT、OT融合的宏圖大業又向前大跨了一步。讓我們共同期待TSN產業生態圈的成型與壯大，未來讓新興通訊技術的基石，墊在每一個IIoT世界探索者的腳下。
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