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发表于 2019-6-9 08:46:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
TSN(Time Sensitive Network)时间敏感型网络是一个最新的但却并非陌生的技术,无纸记录仪在本文将仪表工关注的TSN知识以问答形式展示给大家。

1、TSN是时间敏感网络的意思,时间敏感是什么意思?其他网络对时间不敏感吗?有衡量指标吗?
答:说实话,最初在2016年贝加莱总部介绍TSN的时候,我觉得这似乎不像是一个工业自动化领域的技术,因为像PROFINET、POWERLINK、EtherCAT等工业网络已经可以达到比较高的实时性指标,而且好像也极少遇到什么当前100μS循环周期搞不定的案子,工业网络讲 “Determistic”,即确定性网络,因为控制是基于“等时同步”的,工业领域早已实现“时间敏感”。因此,就个人而言当时觉得这个词是IT的人不了解工业而开发出来的网络,因为TSN的最初描述是为以太网赋予“确定性”、“实时性”传输能力,这是因为标准以太网是没有这个能力的,但是,实时以太网有这个能力。

那么,问题的关键在哪里?TSN最关键的目的在于“同一”网络的数据传输,即,周期性的控制通信需求和非周期的数据在同一个网络中传输,才是TSN的核心诉求。

因为现在的IT与OT融合过程中会遇到非常大的问题,即,周期性数据和非周期性数据往往需要通过两个网络传输,因此,你会发现控制器各家都是两个网口,一个实时以太网,一个标准以太网,一般实时网络用语机器与系统控制,而标准网络用于管理级信息的传输。

通常,衡量网络的QoS(Qualityof Service)指标包括循环周期、延迟、抖动这几个指标,一般来说,硬实时会在百微秒这个级别的刷新,抖动控制在几十个nS这个级别,延迟在微秒级。没有特别的官方定义实时性,因为,应用场景不同。

2、TSN特点之一是实时性高,我们以往的现场总线、实时以太网不也有这个特点吗?相比这些TSN在实时性方面也有优势吗?
答:尽管TSN的关键诉求在于“同一”网络的传输,但经过研发人员的设计,其调度机制也允许获得较高的实时响应能力,目前贝加莱已经开发的千兆以太网的TSN测试下来抖动在50nS(抖动通常描述的是最差情况),可以达到的最快周期是在10μS级,因此,对于现有的工业控制而言,TSN的实时性是完全可以保障的。

和目前主流的实时以太网比TSN显然性能更高,据贝加莱总部的千兆测试数据显示高了18倍的整体性能(其测试是按照节点数、数据负载不断增加然后取性能的均值)。

3、TSN是如何实现时间敏感的呢?它是在标准以太网标准上做了哪些修改吗?
答:TSN本身是一系列的标准,它包含了时钟同步、数据调度与网络配置三个方面的关键标准,TSN仅指数据链路层的标准,这一点必须阐明,它可以采用IEEE802.3的以太网或IEEE802.3cg的标准网络来实现物理层,而数据链路层采用了桥接网络,以及不同的数据流调度的策略,也就是Shaper-整形器,比如CBS基于信用的整形器、Qbv-时间感知整形器TAS、CQF-周期性排队与转发、ATS-异步传输整形器。想了解这个就得了解以太网本身是怎么传输的,然后就明白TSN主要是在Transmit Selection这个地方进行了策略调度机制的设计。

4、TSN这两年在工业界越来越火,这个TSN源自哪里,是咱们工业界独有吗?其他行业也叫TSN吗?全球谁在主导这个标准啊?
答:TSN并非是源自工业界,TSN最早是在音视频传输领域,后来在汽车领域于2012年成立IEEE802.1Q工作,而到工业已经是2015年的事情了,成立了IEEE802.1 TSN工作组。

在汽车工业里他们一般称为AVB-Audio Video Bridge,是由IEEE802.1Qav、IEEE802.1AS和IEEE802.1Qat(已经作为IEEE802.1Q的基础标准)构成。

在航空航天领域也有大量时间敏感型网络应用,他们可以称为AS6802,而在工业领域,IEC和IEEE合作,成立了IEC60802工作组用于实现TSN网络的互操作性标准制定。

目前TSN的推动组织是Avnu,包括IIC、OPC UA基金会也加入了推动这项技术的工作,他们会和主要的Shaper厂商共同推动TSN技术的发展。

5、TSN今后是要成为标准以太网协议,而且比以前的标准以太网协议先进,那是否意味着今后民用商用工业用的以太网协议都会成为TSN?
答:TSN是一项VLAN技术,即Vitural Local Area Network,这显然定义了它是一个局域网,并且是一个虚拟的局域网,它不必一定成为商用和民用的所有通吃的标准,TSN域和非TSN域的区别在于VLANID,即,进入TSN网络会被交换机给打上VLAN标签,然后借助于TSN机制在该网络中传输,但离开了TSN网络的时候,这个VLAN标签会被去除,它也可以变为一个标准以太网帧被传输。因此,TSN交换机会和普通交换机一起工作没有问题。

因此,商业或民用网络并不是必须要变为TSN网络,这完全取决于应用本身的需求,尤其是经济性指标,因此,如果没有特殊的实时性需求的话,倒没有必要,目前TSN网络看来聚焦在工业级IoT应用比较多。

6、为何这两年突然TSN就受到业界这么多人的关注?它能解决哪些现在解决不了的问题吗?
答:TSN火的原因就是大量的物联网应用需求产生的,因为,你必须考虑周期性和非周期性数据的同一网络传输问题,带宽的需求较之以往更大。
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你可以看到这个图中,描述了几个场景:
①音视频同步:其实,如果你看中央电视台,你看到播音员的口型和语音会出现不同步—这也属于质量问题,因为音频和视频没有同步,或者像大剧院里的音箱,你想想如果他们不能实现同步,就会出现重复的声音,也属于数据传输质量的问题。
②.ADAS,相对于传统的汽车而言,ADAS会需要多个激光雷达(比如前后三个),包括安全系统,这些更多的传感器都会带来带宽的需求较之以往更大。
③.AR/VR、机器视觉:这些技术在工业场景更多的使用都会让带宽的需求变大。
因此,TSN是有实际的需求的,连接变得更为广泛,则需要更大的网络容量传输能力。

7、既然具有时间敏感特点的以太网络有这么多优点,那么为何在早先的标准以太网推出时没有考虑做成时间敏感呢?为何现在就要加上时间敏感?是原先没有想到吗,还是原来的技术实现不了,或者是成本太高等其他原因?
答:90年代大众来中国投资建汽车厂的时候,中国的高速公路才刚开始,包括现在很多老的小区都没有足够的停车位,谁会料到今天汽车如此普及呢?

同样道理,在你不需要这项技术的时候,你是不会真正有动力去开发这样的技术的,因为如果没有人用,这些研发投入就失去意义了,因此,任何技术的流行都会需要时间,而且,就目前而言,TSN都还没有到它真正爆发的时候,因为,对互联的需求也就最近几年才刚开始,大量的工厂实际上还处于单机生产的阶段。因此,TSN现在已经处于未雨绸缪的阶段,因为大数据应用仅在局部开始,而并非进入爆发期。

当然,你说的没错,要实现TSN这样的网络的确需要非常大的技术投入,因为它的复杂性是超过现有的网络的,就像时钟同步就比IEEE1588有可靠性方面的需求,调度机制也更多样灵活,这些都是需要芯片处理包括千兆以太网处理芯片、传输电缆、交换芯片等,这些都是成本,而只有面临巨大的市场机会,芯片厂商才会有动力去投入研发。 现在大量的芯片厂商投入其中也是因为看到其广阔的未来-这些投入会让TSN变得更为易用而低成本--TSN潜在的规模使得它较之以往的网络更具竞争力。

8、截至到目前,关于TSN的相关产品研发、测试床,支持的厂商等最新进展是什么样的?
答:目前TSN有几个重要的测试床推动者,一个是德国的LNI-就是工业4.0组织的测试床,一个是在IIC的测试床,还有一个就是由华为ECC组织的测试床,贝加莱在三个组织中都积极的参与了Testbed的建设。

目前,主流的自动化厂商都发布了各自的TSN产品或者测试产品,像B&R在2017年SPS发布了TSN产品,而SIEMENS在2018年汉诺威展发布了Profinet over TSN的产品,2019年三菱发布了CC-Link IE TSN产品。华为、TTTech、CISCO、MOXA、赫斯曼等厂商也发布了TSN交换机产品。

9、虽然TSN这两年火热,几乎所有人看好和支持,那为何从实际产品上还并不多见,或者还没有批量生产和销售,正式工业应用几乎没有,主要卡在哪里呢?预计到什么时候,TSN会开始真正落地应用?
答:看来,你比用户更着急,但是,工业产品一般生命周期都比较长,就像CAN总线、Modbus现在还在用一样,实际上,它并没有想你想象那么慢,相对于过去的总线从概念、局部应用、大面积成熟应用的时间而言,TSN的发展算是比较快的,因为你要知道TSN面向工业的工作组2015年底才成立,2016年9月才召开Shaper的启动会议,因此,你能够在2018年看到这么多公司推出产品已经算是非常快的了。

TSN在2019年包括像现在已知的贝加莱、三菱都会有批量化产品推出,工业产品不会像手机那么更新快,华为的P20 Mate Pro我还没买呢,P30就出来了,而工业产品一般生命周期都在15年以上,因为一台机床可能会用20年以上。
因此,其实TSN发展已经非常快了。

10、一个通信网络要实现TSN,需要哪些设备来构成或支持?相比其他网络,TSN实现起来会不会更加昂贵?
答:TSN是一个VLAN,因此它很多实现是在软件的层面的,需要具有处理这种时钟同步和调度机制的交换机,当然对于控制器而言,需要TSN的芯片支撑,具体的芯片成本我倒没有考量过,但是,事物发展的规律是具有共性的,成本一定是一个不断下降的过程,因为大量的采用就可以降低成本。

11、现在看到国外厂商TSN产品陆续发布了,但国内厂商还没有,那要如何才能开发一个TSN的主站或者从站或者I/O呢?成本高吗?
答:这一点倒不完全是这个情况,华为在这方面已经走在前面,他们的TSN交换机也已经开发完成了,不过也似乎尚未进入批量化阶段,因为华为会考虑更多的场景问题,因此,在整形器方面会有一些自己的设计,最近我写了关于TSN的整形器(Shaper),还请教了华为的两位专家,另外,MOXA也有TSN的交换机产品推出,还有一些大学、研究所、企业也推出TSN相关的技术测试产品,目前尚未正式发布。

目前提供TSN技术开发板的包括XILINX,以及TTTech和Intel共同推出的TSN解决方案、芯片厂商NXP、AD等也推出了TSN的开发与测试芯片及测试板。

12、现在实时以太网、现场总线在控制领域、特别是运动控制领域应用广泛,那TSN会取代这些协议吗?TSN和这些实时网络会是什么样的关系?
答:又需要强调一遍,就是TSN是在ISO/OSI架构的第二层,这意味着目前的TSN可以以各种形式出现,其实,以太网本身也是这个发展过程,比如Profinet就是Profibus over Ethernet,POWERLINK就是CANopen over Ethernet,那么,就会出现Profinet over TSN、CC-Link IE over TSN这些场景,这种设计往往是为了保持应用层软件的延续性,以确保现有的设备投资的可用性,而贝加莱则会选择OPC UA over TSN,原有的POWERLINK CANopen应用层会逐渐转向OPC UA,必须保持一个软件应用的延续性,这也是在较长的一段时间里,应用层保持,而数据链路层则逐步转向TSN的过程。从TSN目前所展示的性能而言,应对运动控制的任务也没有丝毫问题,一些厂商宣城将很快推出TSN的运动控制产品,贝加莱2019年推出IO和控制器,并计划在2020年推出基于TSN通信的运动控制产品。

这一点必须强调,对于任何工业应用而言,保持技术的稳定性、继承性是一种必须的考量,因此,技术的升级必须尽量的平滑过渡,对于用户同样如此,这是投资安全性的保障,因此,TSN短期内当然不会取代现有的网络,但是,在更长的时间里,TSN会成为基础的网络架构。

ISO/OSI模型很有意思,就是它使得各个层可以独立设计,包括物理层,目前的IEEE802.3可以继续使用,当然也可以使用诸如PoE(Power onEthernet)、SPE(Single Pair Ethernet-IEEE802.3cg)的物理层。

13、现在另外一个通讯技术5G也已经来临,5G也是以低时延、高带宽为最大特点,而且5G要最多的应用可能在工业上,那么TSN和5G会是一个竞争关系吗?
答:5G也有针对ULL(UltraLower Latency)的场景,但是,5G属于无线网络,在工业领域的应用,尤其是类似于运动控制这些应该还不会采用5G,但是,基于IIoT的应用中对网络的确定性评估可以承受的领域5G是可以使用的,另外,TSN也会有针对无线场景的标准。因此,评估技术的应用前景主要看场景—他们肯定不会是竞争关系,而是相互补充。

14、对于TSN,也有些人认为现在是“雷声大雨点小”,那TSN标准的最新进展是什么样的?还需要解决哪些方面的问题从而来加速推进呢?现在技术发展那么快,TSN会不会中途又被新的通信技术给替代了?
答:其实,任何一项技术的核心驱动力是“经济性”,而技术推动必然有一个接受过程,市场需要培育,因此,TSN显然也不可能短期马上就会大量的应用,想想现场总线从开始到发展到顶峰实际上也经历了30年的时间,如果放眼整个产业的发展,TSN从2015年发展到今天已经算是非常快的速度了。

至于TSN中途会不会被新的通信技术替代,这个问题比较有意思,理论上来说,一切皆有可能,但是,任何技术都是来自于需求的,如果需求没有本质的变化,那么技术也就不会有本质的变化,如果需求就是网络的统一,那么无论是TSN还是说一个新的技术,同样是这个技术实现路径,而且通信技术不可能离开芯片、工业控制独立存在,因此,只会有TSN的升级,而很难有一个独立的技术替代它。

技术的发展有其必然性,既然大家看到了10年后的技术需求而开发TSN,那么它就会在很长一段时间内持续的发展。至于更久的时间比如30年后会是怎样,我想大部分人都无法关注,因为,这个时候如果你敏锐的观察到30年后的网络的需求,然后研发30年后要用到的技术,你这家公司是活不到那个时候的。

15、如果未来一旦TSN在各个领域都普及了,是不是就是实现了所谓的工业物联网万物互联?
答:这个倒是值得期待,TSN正是致力于此,不过,万物是否一定是被TSN互联,那也未必,因为这个世界有太多的技术,就像刚才提到的5G,人类因为多样性才有意思,也因为有未知才值得探索,TSN能不能实现万物互联并不重要,它只是一个技术,不用赋予它那么重大的意义,就像比尔.盖茨所说“我们总是高估在一年或者两年中能够做到的,而低估五年或者十年中能够做到的”—短期看TSN似乎还没有到要广泛应用的阶段,但长期来说,TSN在汽车、工业互联网领域将是具有统治性地位的,不过它的最佳搭档是OPC UA,这两者的配合将会让工业有着天下一统的可能。

当然,在工业世界里,价值的创造不仅仅依赖于网络技术,而依赖于对客户价值的追求,包括软件的应用价值、人的创造力,没有这些,TSN发挥不了什么,它只是一个实现我们价值创造过程的工具—对于工业企业而言,价值仍旧来自于为客户解决问题,TSN会帮助我们。

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