所圖甚大的TSN

大家都在討論IIoT或是工業互聯網，但是，似乎卻不了解OPCUATSN，而事實上，IT與OT的融合在基礎的通信連接上所遇到的問題超乎大家的想象，之前也談到了這個話題，IT是一個通用平臺及工具，它依賴于大規模的應用降低單位用戶成本進而獲得規模效應，能夠擴張，而阻礙這個經濟性的正是來自OT現場的總線和各種協議，這也是難點，因此產業各界均把眼光聚焦到了OPCUATSN上，但是，似乎很多人卻對OPCUATSN知之甚少，對OT界而言必須注意到以下幾點：

（1）.OPCUATSN圖謀的是制造業的天下，如果只是把問題聚焦在通信互聯及其實時性這些技術問題上的話，那么我們對TSN和OPCUA的理解可能簡單了；

（2）.它帶來的好處一定會驅使很多企業快速推廣這個技術，它的推進速度可能超過大家的想象，有些人認為這個技術目前不成熟，而且配置實現復雜，不會很快的推進，但是，如果考慮到它潛在的商業利益，你也知道，只有利益才能驅動技術—它可能比我們想象的要快；

（3）.如果你要推進先進制造，可能很難邁過這個門檻—如果不提前謀局，可能就會失去很多市場先機。

一些人是不了解就大談智能制造／IIoT等，而另一些人尤其在自動化的人對TSN抱有一定的懷疑態度，例如實時性和網絡配置的復雜性，但是，OPCUATSN不只是為了自動化應用而設計的，它的圖謀不是自動化，而是整個制造業，事實上，我們今天談論的各種概念智能制造／工業互聯網／工業物聯網／數字孿生等等都要依賴于它的基礎實現。

TSN有哪些應用場景正在被考慮？

實際上，工業的人考慮TSN，主要聚焦在了它的實時應用了，但是，TSN本身能夠覆蓋的場景卻遠非工業所能描繪，而這些領域會導致TSN的成本會較低，通過目前正在推進的互操作測試，可能在未來很多相關的場景可以實現互聯—這個時候再回頭看工業4.0所描繪的場景時候，包括CPS、IIoT、SmartFactory，以及消費端的連接、移動互聯（5G）等，你才會發現這個發展方向遠非想象的那么簡單，它的圖謀之大，超乎想象。

圖1-TSN應用于多種數據的傳輸需求而產生

1.ADAS輔助駕駛汽車

汽車，尤其是輔助駕駛-無論是哪個等級的，都需要高帶寬和低延遲-因為需要更高的響應能力來應對外界環境的變化，IEEE802.1AS,IEEE802.1Qat、IEEE802.1（已納入IEEE.Q),Qav,IEEE802.1BA和其它行規構成了針對汽車領域的以太網架構，這個架構主要是為了應對未來輔助駕駛所需的高帶寬、低延遲需求，因此，汽車制造業巨大的市場會讓TSN的芯片成本會更低。

圖2-輔助駕駛汽車需要更為高帶寬低延遲的總線

2.遠程醫療：正在發展的遠程手術，由于考慮到其信息的傳輸高速需求，因此必須有高帶寬的網絡予以支撐，通過遠程的視覺和機器人輔助手術系統，人們可以在遠程來實施一次手術，那么這同樣需要高可靠、高帶寬的網絡支持。

3.VR/AR技術：當人們將VR/AR引入制造業，圖形與圖像，以及與之同步的聲音，往往需要高帶寬，人們希望VR和AR可以滿足在設備裝配、維護、運行監測等方面的便利，這些技術都會對帶寬提出較高的要求，同時又要和產線進行交互，因此，需要一定的實時性（并不強調硬實時）。

4.數字孿生：DigitalTwin來實現虛擬的數字化設計運行平臺與物理的產線之間動態的交互，以相互協同，這需要大量的數據交互，無論對于流程工業的模型還是離散制造的模型而言，這種交互都需要高帶寬與低延遲的網絡支撐。

5.IIoT的應用場景：需要傳輸更為廣泛的數據，由于物聯網需要傳輸大量的數據，不像傳統的數據采集系統，需要傳輸僅僅是物理的信號，還包括相關的智能傳感器的狀態、歷史記錄、配置、診斷等數據，這使得數據量較之傳統的數據采集更大的帶寬需求，對于一些應用也需要低延遲的數據傳輸。

6.工業控制系統：這一點毋庸置疑，因為在工業控制領域一直是屬于時間敏感型應用場景。

因此，TSN提供了一系列的時鐘同步方案、通過設計不同的數據流控制、網絡配置等規范來滿足各種場景的需求，因此，TSN包含著眾多的標準，由IEEE主導，并希望能夠使得其成為更為廣泛適用的網絡協議。

圖3-工業控制一直是基于等時同步的時間敏感型應用場景

TSN的標準族

IEEE802.1Q各個工作組一直在致力于各種標準的制定，這些標準涵蓋了針對未來各種場景的應用，如圖4所示，分為四個大類：

（1）.時鐘同步，這是一切通信的基礎，IEEE802.1AS是基于IEEE588-2008時鐘同步標準之上的，在TSN標準中包括了IEEE802.1AS和為了工業更為可靠的時鐘同步修訂版IEEE802.1AS-Rev。

圖4-目前的IEEE802.1Q標準組件

（2）.數據流控制相關的標準

主要是針對各種整形器的標準（Shaper），在數據流處理（如圖5所示），經過接收端、入口、濾波、流量計量，到達交換機隊列中，而傳輸選擇則是基于不同的整形器（Shaper）來進行不同應用場景的流控制，主要包括以下幾種情況：

CBS-基于信用的整形器用于目前的IEEE802.1AVB標準包；

TAS—時間感知執行器，對于IEEE802.1Qbv采用了TAS的整形器，目前這個主要針對工業應用場景；

搶占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br,這個是為了讓Qbv的帶寬使用更為高效而設計的機制；

IEEE802.1Qch所采用的周期性序列與轉發，以及Qcr異步數據流整形（ATS）等，這些不同的整形器基于不同的應用場景。

圖5-IEEE802.1Q的標準數據幀處理流程

（3）.為了可靠性而設計的標準

IEEE802.1AS-Rev主要是為了避免主時鐘失效時切換到另一個主時鐘；

IEEE802.1Qci幀檢測過濾與報錯-針對數據幀未能及時到達或者到達了錯誤的數據幀等進行的處理機制；

IEEE802.1QCB-針對數據幀的復制與解除-數據沿著環路走時會復制，但在某個節點相遇則會解除一個數據幀的處理機制。

（4）.網絡配置協議

包括IEEE802.1Qat-針對汽車行業的AVB協議包里的一個流預留協議（StreamReservationProtocol），IEEE802.1Qcc，針對SRP的增強版，用于配置TSN網絡中的Qbu+802.3br、Qbv等，包括用于配置Qbv,Qbu,Qci的YANG規范，這些都是為了更好的配置網絡和用戶。

表1-各種應用對于網絡的需求

表1的橫向是IEEE802.1Q定義的8種業務類型，而縱向衡量網絡服務質量（QoS）的關鍵考量指標，我們可以看到，IEEE802.1Q組織所擬開發的網絡是針對眾多的應用場景的。

目前IEEE802.1與IEC組成的60802工作組正在制定TSNIA行規，并且各個組織（LNI,IIC,ECC）正在進行TSN的Testbed均致力于實現在1/2級兩個層面的互操作，在TSN和OPCUA兩個層面的互操作實現。

圖6-60802工作組旨在實現TSNIA的各種標準及互操作行規

OPCUA+TSN所構成的無所不在的連接

TSN與OPCUA的融合會解決目前工業物聯網中的問題：

TSN解決信號、信息如何被用統一的網絡傳輸，由于TSN是一種軟件定義網絡（SoftwareDefinedNetwork），通過TSN交換機的可以為整個應用配置實時域或依賴于BE的端口、拓撲，這使得網絡可以根據各種應用場景的需要進行配置，而這些不同的TSN網絡間可以實現第一級互操作。

OPCUA解決數據以何種形式被應用：針對垂直行業的信息模型簡化了針對行業性的應用開發，而將MQTT/AMQP這些Pub/Sub機制融入OPCUA則解決了云連接的問題，對于管理殼而言，OPCUA提供了針對資產管理、能源、預測性維護的數據交互機制。

實際上，我們可以看到OPCUA+TSN涵蓋了為未來智能制造、工業物聯網所提供各種應用場景的通信互聯問題，可以看到其“所圖甚大”的布局，因此，了解并積極推進OPCUATSN對于中國智能制造的發展至關重要，有兩個路徑，一是自己獨立設計一條路線，另一個是研究清楚這條路線并占據主導，顯然，后者顯然切實可行。

本文為學習筆記，其中有些翻譯不準確請多指正，畢竟咱也不是IEEE工作組成員，考慮到學習筆記較長避免大家看暈了，擬推出系列文章，后續可能包括以下話題：

1.TSN在哪里？

2.TSN幀與優先級定義

3.TSN時鐘同步與延遲測量

4.不同的整形器差異CBS/TAS/ATS…

5.TSN標準化進展

6.當前產業的TSN開發狀態

敬請期待—至于具體推出時間，尚未可知，因為看那么枯燥無味的技術文檔，非常需要時間和精力，快時會很快，慢時也會很慢—采用BestEffort機制。