TSN：一次对以太网的“魔改”
最新更新时间：2020-08-06
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今天，我们这个世界的运行对于“数据”的依赖越来越强。数据不仅仅为我们的行动提供参考依据，有时还会直接参与决策，向机器发出指令，而且这样的场景正在渗透进一些更为“关键”的领域，比如工业制造。
所谓“要想富，先修路”，现实世界中交通的改善会提高人流、物流等生产要素的流通效率，进而提振整个经济系统的发展。同样的道理，在虚拟的数字世界也适用——我们只有为数据的流通提供一个高效的网络，才能释放出其巨大的能量。可不幸的是，这样的网络，在以往的工业领域并不那么畅通。
为工业网络“筑路”
为工业领域的数据交互“筑路”的想法，其实早已有之。上个世纪70年代，随着可编程逻辑控制器（PLC）和自动化技术的发展，对生产设备进行分布式控制逐渐成为刚需，由此催生了工业现场总线，将以往彼此孤立的设备联通起来。正如每个技术在发展初期都会经历一个标准丛生的“战国”时代，工业现场总线也不例外，而且由于工业领域独特的“垂直化”的生态结构，导致这些标准直至今日也没能统一起来，这也使得数据的流通被局限在了有限的范围内，对于工业网络的扩展和彼此之间的数据共享非常不利。
这种标准林立、彼此割据带来的“痛点”，随着工业网络规模的扩大，也变得越来越“痛”。于是，在21世纪初，人们推出了“工业以太网”。顾名思义，工业以太网就是将“统一”了IT领域的以太网架构，引入到工业领域，统一采用标准以太网介质，也以此为契机实现在物理层和数据链路层上标准的统一。
这个理想看上去很美，但是需要注意的是，工业以太网前面仍然被冠以“工业”二字，这是因为其与传统的以太网技术是不同的。标准的以太网采用的是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的机制，当两个数据发送方发生冲突时，必须延迟一定时间后重发报文，如遇到网络拥堵，有的报文可能长时间无法发送出去。所以从本质上讲，以太网是一个对时间不敏感、不确定性的网络。而工业自动化控制，优先考虑的就是实时性，以确保数据报文的准时送达。为了适应工业应用中这样的要求，就需要对标准的以太网进行“改造”，在其基础上修改或增加了一些特定的协议以保证实时性和确定性，让其成为一个确定性的网络，这就形成了所谓的工业以太网。
但各个厂商在对同一个以太网进行改造时的思路和方法不尽相同，这就造成了同样叫“工业以太网”的网络，实际上是无法真正实现互联、互通、互操作的，为了让数据在这些“子”网络间流通，人们不得不增加额外的网关。这就好比是大家都修了同样的“路”，但是不同路网上的交通规则却是不同的，想在这样的路网之间顺畅无障碍地奔驰，并不容易。
与此同时，更大的一个挑战在于，工业4.0等智能制造概念的提出，需要与之相配的网络能够同时支持不同类型的数据流通，无论是制造现场控制所需的实时性数据，还是生产管理与优化所需的非实时性数据，都需要在统一网络中进行集中和处理，对于一些全局优化的工作可以不通过传统层级的控制器，而直接连通边缘侧和云端。也就是说，一个理想的工业应用中的以太网架构，应该是既能满足OT（运营技术）网络实时性控制要求，又能支持IT（信息技术）领域大吞吐量数据传输需要的融合性的网络，这样才能将工业生产全流程的数据汇聚起来，不留信息死角。
实现这样的理想，必须对我们所熟悉的以太网来一次深度的改造，打造一个满足制造业要求，统一的网络与协议规范，同时这也是摆脱不同总线标准之间互通互操作性方面的障碍的唯一出路。TSN（Time Sensitive Network，时间敏感型网络）由此诞生了。
迈向TSN之路
虽然今天我们探讨最多的是TSN在工业领域的应用，但实际上它缘起于一个音视频领域的标准。为了有效解决音频视频网络中数据实时同步传输的问题， IEEE 802.1工作组于2006年成立AVB音频视频桥接任务组，并取得了卓有成效的进展。很快人们就意识到，AVB的一系列研究成果，与解决以太网中数据传输的时间确定性问题之间，有很多共通之处。于是在2012年，AVB任务组扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，并将任务组名称改为“TSN任务组”。
TSN需要应对的挑战，主要有三个方面：时间同步、调度和流量整形，以及通信路径的选择、预留和容错。
•时间同步：此举是为网络中的所有设备实现共同的时间参考，提供彼此同步的时钟，也是为端到端的传输延迟提供一个协商的基准。
•调度和流量整形：允许在同一网络上共存不同优先级的流量类别，每个类别对可用带宽和端到端延迟都有不同的要求，由此实现不同数据流量类型的同网传输。
•通信路径的选择，预留和容错：定义所有参与实时通信的设备在选择通信路径、预留带宽和时隙方面需要遵循相同的规则，使其可以利用多条路径来实现故障排除，确保网络的安全性和可靠性。
经过多年的发展，TSN已经在IEEE802.1标准框架下，定义出了一系列的“子标准”，形成了一套完整的协议，为以太网协议的MAC层提供通用处理机制，在确保以太网数据通信的时间确定性（实时性）的同时，也让不同协议网络之间的互操作成为了可能性。
表1：TSN相关标准（资料来源：网络）
当然，从标准的制订到行业普遍接受、大范围的商用，还需要一个漫长的过程，对于工业制造业这种行事缜密的领域，人们考虑权衡的因素就更多了。因此，围绕着TSN整个生态体系的搭建，人们的努力一直没有停止，各个技术供应商都从不同层面，为TSN最终的落地提供着支持，积聚着能量。
图1，安富利的TSN HW Eval Kit（图源：安富利）
比如，安富利就为开发者提供了一个时效性网络硬件评估套件（TSN HW Eval Kit）。这是一个利用现有的Xilinx和安富利的硬件资源搭建的TSN平台，开发者可以利用它实现TSN的原型开发和验证，为最终的方案实现奠定坚实的基础。
图2：基于安富利TSN HW Eval Kit的TSN系统框图（图源：安富利）
总之，工业4.0以及工业物联网（IIoT）的兴起，让人们踏上了一条对以太网进行深度“魔改”之路，作为这次“魔改”成果的TSN正在前面向我们招手，现在是时候加快脚步，向着这个目标冲刺了。
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