所圖甚大的TSN

大家都在討論IIoT或是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，但是，似乎卻不了解OPCUATSN，而事實上，IT與OT的融合在基礎(chǔ)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(guī)模的應(yīng)用降低單位用戶成本進而獲得規(guī)模效應(yīng)，能夠擴張，而阻礙這個經(jīng)濟性的正是來自O(shè)T現(xiàn)場的總線和各種協(xié)議，這也是難點，因此產(chǎn)業(yè)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(yè)的天下，如果只是把問題聚焦在通信互聯(lián)及其實時性這些技術(shù)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(qū)使很多企業(yè)快速推廣這個技術(shù)，它的推進速度可能超過大家的想象，有些人認為這個技術(shù)目前不成熟，而且配置實現(xiàn)復(fù)雜，不會很快的推進，但是，如果考慮到它潛在的商業(yè)利益，你也知道，只有利益才能驅(qū)動技術(shù)—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(tài)度，例如實時性和網(wǎng)絡(luò)配置的復(fù)雜性，但是，OPCUATSN不只是為了自動化應(yīng)用而設(shè)計的，它的圖謀不是自動化，而是整個制造業(yè)，事實上，我們今天談?wù)摰母鞣N概念智能制造／工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)／工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)／數(shù)字孿生等等都要依賴于它的基礎(chǔ)實現(xiàn)。

TSN有哪些應(yīng)用場景正在被考慮？

實際上，工業(yè)的人考慮TSN，主要聚焦在了它的實時應(yīng)用了，但是，TSN本身能夠覆蓋的場景卻遠非工業(yè)所能描繪，而這些領(lǐng)域會導(dǎo)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(guān)的場景可以實現(xiàn)互聯(lián)—這個時候再回頭看工業(yè)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(lián)（5G）等，你才會發(fā)現(xiàn)這個發(fā)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(yīng)用于多種數(shù)據(jù)的傳輸需求而產(chǎn)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(yīng)能力來應(yīng)對外界環(huán)境的變化，IEEE802.1AS,IEEE802.1Qat、IEEE802.1（已納入IEEE.Q),Qav,IEEE802.1BA和其它行規(guī)構(gòu)成了針對汽車領(lǐng)域的以太網(wǎng)架構(gòu)，這個架構(gòu)主要是為了應(yīng)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(yè)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(yī)療：正在發(fā)展的遠程手術(shù)，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(wǎng)絡(luò)予以支撐，通過遠程的視覺和機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)，人們可以在遠程來實施一次手術(shù)，那么這同樣需要高可靠、高帶寬的網(wǎng)絡(luò)支持。

3.VR/AR技術(shù)：當(dāng)人們將VR/AR引入制造業(yè)，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(shè)備裝配、維護、運行監(jiān)測等方面的便利，這些技術(shù)都會對帶寬提出較高的要求，同時又要和產(chǎn)線進行交互，因此，需要一定的實時性（并不強調(diào)硬實時）。

4.數(shù)字孿生：DigitalTwin來實現(xiàn)虛擬的數(shù)字化設(shè)計運行平臺與物理的產(chǎn)線之間動態(tài)的交互，以相互協(xié)同，這需要大量的數(shù)據(jù)交互，無論對于流程工業(yè)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(wǎng)絡(luò)支撐。

5.IIoT的應(yīng)用場景：需要傳輸更為廣泛的數(shù)據(jù)，由于物聯(lián)網(wǎng)需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，不像傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，需要傳輸僅僅是物理的信號，還包括相關(guān)的智能傳感器的狀態(tài)、歷史記錄、配置、診斷等數(shù)據(jù)，這使得數(shù)據(jù)量較之傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集更大的帶寬需求，對于一些應(yīng)用也需要低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。

6.工業(yè)控制系統(tǒng)：這一點毋庸置疑，因為在工業(yè)控制領(lǐng)域一直是屬于時間敏感型應(yīng)用場景。

因此，TSN提供了一系列的時鐘同步方案、通過設(shè)計不同的數(shù)據(jù)流控制、網(wǎng)絡(luò)配置等規(guī)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(dǎo)，并希望能夠使得其成為更為廣泛適用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

圖3-工業(yè)控制一直是基于等時同步的時間敏感型應(yīng)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(yīng)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(chǔ)，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(yè)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(shù)據(jù)流控制相關(guān)的標準

主要是針對各種整形器的標準（Shaper），在數(shù)據(jù)流處理（如圖5所示），經(jīng)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(yīng)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(zhí)行器，對于IEEE802.1Qbv采用了TAS的整形器，目前這個主要針對工業(yè)應(yīng)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(shè)計的機制；

IEEE802.1Qch所采用的周期性序列與轉(zhuǎn)發(fā)，以及Qcr異步數(shù)據(jù)流整形（ATS）等，這些不同的整形器基于不同的應(yīng)用場景。

圖5-IEEE802.1Q的標準數(shù)據(jù)幀處理流程

（3）.為了可靠性而設(shè)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(shù)據(jù)幀未能及時到達或者到達了錯誤的數(shù)據(jù)幀等進行的處理機制；

IEEE802.1QCB-針對數(shù)據(jù)幀的復(fù)制與解除-數(shù)據(jù)沿著環(huán)路走時會復(fù)制，但在某個節(jié)點相遇則會解除一個數(shù)據(jù)幀的處理機制。

（4）.網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議

包括IEEE802.1Qat-針對汽車行業(yè)的AVB協(xié)議包里的一個流預(yù)留協(xié)議（StreamReservationProtocol），IEEE802.1Qcc，針對SRP的增強版，用于配置TSN網(wǎng)絡(luò)中的Qbu+802.3br、Qbv等，包括用于配置Qbv,Qbu,Qci的YANG規(guī)范，這些都是為了更好的配置網(wǎng)絡(luò)和用戶。

表1-各種應(yīng)用對于網(wǎng)絡(luò)的需求

表1的橫向是IEEE802.1Q定義的8種業(yè)務(wù)類型，而縱向衡量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的關(guān)鍵考量指標，我們可以看到，IEEE802.1Q組織所擬開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)是針對眾多的應(yīng)用場景的。

目前IEEE802.1與IEC組成的60802工作組正在制定TSNIA行規(guī)，并且各個組織（LNI,IIC,ECC）正在進行TSN的Testbed均致力于實現(xiàn)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(xiàn)。

圖6-60802工作組旨在實現(xiàn)TSNIA的各種標準及互操作行規(guī)

OPCUA+TSN所構(gòu)成的無所不在的連接

TSN與OPCUA的融合會解決目前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的問題：

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

OPCUA解決數(shù)據(jù)以何種形式被應(yīng)用：針對垂直行業(yè)的信息模型簡化了針對行業(yè)性的應(yīng)用開發(fā)，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(chǎn)管理、能源、預(yù)測性維護的數(shù)據(jù)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)所提供各種應(yīng)用場景的通信互聯(lián)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(fā)展至關(guān)重要，有兩個路徑，一是自己獨立設(shè)計一條路線，另一個是研究清楚這條路線并占據(jù)主導(dǎo)，顯然，后者顯然切實可行。

本文為學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)筆記較長避免大家看暈了，擬推出系列文章，后續(xù)可能包括以下話題：

1.TSN在哪里？

2.TSN幀與優(yōu)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(dāng)前產(chǎn)業(yè)的TSN開發(fā)狀態(tài)

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(shù)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。