IEC/IEEE60802TSN概要：工业自动化的实时网络配置文件-IEEE的实时网络可以减少通信延迟并提高可靠性。TSN是工业0的关键组件。
学习目标
考虑IEEE时间敏感网络如何帮助同步、服务质量和调度。了解TSN网络对OSI层、硬件、无线技术的影响。探讨TSN在工业0中的用途和好处。
对于大多数以太网技术的应用，如果所有的组件都在工作，从A点到B点数据在网络中传输所花费的延迟通常不是一个问题。在需要紧密耦合分布式组件的系统中，例如科学计算、高频股票交易系统或制造线操作中，毫秒级别的延迟就非常重要了。在流媒体视频、下载文件甚至玩在线游戏时，5毫秒的延迟差异或接收到几个乱序的数据包往往会被人们忽略。不能发生任何漏接或乱序的数据传输。为了满足这些需求以及其他类似的需求，IEEE成立了一个任务组来研究时间敏感网络。
传统以太网传输可以被视为尽力而为；发送方将数据分成片段进行传输，接收方将这些片段重新组装成原始数据。如果缺少一部分片段或顺序不正确，则接收方知道如何请求另一个片段的副本和/或将它们放入正确的顺序中。这些重新发送和乱序组装的操作需要时间，并且可能会延迟接收系统可用于使用的数据。网络设备供应商知道传统以太网的这些限制，并创建了专有的通信协议，例如EtherCAT和Profinet来解决它们。虽然这些实现非常擅长扩展以太网的功能以满足制造业的需求，但组件和设备需要符合相关贸易组织的标准规格，以便更容易地进行集成。
第一部分-TSN：同步、服务质量、调度
IEEE801任务组制定了TSN并设定了几个特定的目标。通过采用精密时间协议，可以将时钟同步到纳秒级别的准确度。带宽保留和网络流量整形允许特定类型和分类的通信优先于其他通信，类似于在标准以太网网络上应用服务质量。由于工业通信要求，调度和保留系统中使用的策略在设计和实现上要复杂得多。目前正在努力使这些功能更加稳健，并适应不同的通信负载，例如汽车和安全系统。今天有八个优先级值可以分配给网络通信，以帮助设备根据重要性发送和接收数据。
当通过七层OSI模型的框架进行分析时，TSN带来的许多变化发生在第2层。这些第2层的变化对组成第1层的物理接口具有一些依赖关系，例如支持时间戳。
第二部分-TSN当前面临的挑战：硬件
工业流程数字化，通常称为“工业0”，已经进行了多年。不同的行业以不同的速度拥抱这个概念。采用并集成支持TSN的软件和设备可以减少许多可能面临的挑战。对于应用程序关键的时间序列数据），需要所有时间戳其数据的组件具有准确且同步的时间，由于当今的生产线执行动作的速度非常快，所以需要在纳秒级别上进行测量。
安全或控制系统必须通过可用的带宽保证关键命令可以被发送，并可靠地被下游设备接收。通过定制或专业设备引入到设施中的创新必须与现有协议配合工作，以避免上一代的供应商锁定。工业物联网发展提供了针对各种测量点的数据收集用例的解决方案，使得以前未被观察到的设备或生产线操作方面的成本效益监测和数据收集成为可能。
要使用TSN功能，硬件必须支持它。与以太网通信相关的芯片和组件必须支持内置功能，例如时间戳生成。不幸的是，这意味着今天使用的许多设备不支持TSN，并且需要升级，包括可编程逻辑控制器通信模块，服务器，工作站和传感器。这还需要一个新的网络代码实现，用于处理网络通信，因为标准以太网中不存在整形和优先级功能。这些功能和功能将消耗更多的处理器时间。
该固件可能仅限于更具备TSN功能的当前硬件，这将是升级硬件的另一个驱动因素。在一个实现完整的TSN网络中需要TSN支持的网络交换机，带有TSN支持的以太网控制器，具有TSN支持的芯片组和软件的服务器或设备，以及可能需要TSN网关以进行专有确定性网络的过渡或转换。Avnu联盟是一家组织，致力于评估和认证设备以确保其兼容性和符合标准。
关于IEEE8011无线和5G的TSN研究
在采用TSN作为工业0的一部分时，连通性是另一个需要考虑的因素。目前，实现TSN是通过电线和电缆实现的。如何将TSN功能引入到无线设备中的研究正在进行中，但组织不应计划在未来几年内使用这些技术。这项研究已经推出了在标准IEEE8011无线空间和5G蜂窝网络频谱下运行的概念验证产品。目前，无线设备无法支持TSN的特性或功能。在评估他们计划部署和连接需求的设备时，网络设计师或工程师应理解这些限制。目前，无线领域的工业0方法还在考虑其他技术，例如LoRaWAN和蓝牙低功耗。
第三部分-TSN在工业0中的用途和优势：标准和确定性
启用TSN功能的设备对于推动解决方案而言具有不可言喻的好处，例如预测性维护、机器性能指标、质量和效率建模，这些方案利用了人工智能或机器学习。拥有一个接口可以实现高速控制、数据采集和监督功能，将简化先前需要多个接口和更复杂实现的应用程序，从而实现更快的开发和部署。
作为IEEE标准，厂商锁定和专有协议的顾虑对于寻求采用新通信技术和功能的组织来说不再是问题。支持TSN的网络交换机将可从各种供应商获得。可以从任何实现TSN的厂商购买设备。使用标准以太网电缆可以减少一些复杂性，并且可能允许IT和OT共享负责支持基础架构的技术资源。作为TSN的终端用户，IEEE没有针对开发产品所需的公布标准征收许可证、费用或其他年度费用，保证互操作性才是主要目标。
具有确定性数据遍历标准网络解决方案的能力，应该会降低进入设施的解决方案的复杂性。通过增加的调度和优先级功能的可靠性，TSN可能是从传统解决方案升级的一种途径。厂商还将推出网关，使时敏通信协议可以转换到基于TSN的以太网，从而使其具备以太网的好处，而不需要以相当大的成本完全更换组件。
通过设备级环、并行冗余协议和媒体冗余协议实现的当前冗余方法可能会被添加到TSN中的附加功能所替换。虽然这些功能目前尚未实现，但正在讨论中，如果将它们纳入标准，将进一步降低工业网络的复杂性和专有结构。使用这些现有技术的组织应继续了解这些领域的发展，因为它们可能影响5至7年后升级项目的设计和技术选择。
第四部分-实现TSN功能的时间点
工业网络的短期和长期未来正在变得令人兴奋。所有在本文中讨论的功能和特性可能需要几年时间才能成熟并在设备中出现。一些特性，如精确时间协议，已经被使用，并且已经创造了价值。时敏网络是工业0转型运动的关键组成部分。现在，使用TSN的准确性和一致性可能实现的用途和应用只受限于用户想象力。
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