時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）靠譜嗎

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人類(lèi)對自然的探索永無(wú)止境，一項新技術(shù)或者新理論可能會(huì )開(kāi)啟一個(gè)嶄新的時(shí)代。電報通過(guò)編碼和相應的電處理技術(shù)實(shí)現遠距離信息交互。電話(huà)解決了異地間的實(shí)時(shí)話(huà)音通信問(wèn)題。而互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則是通信技術(shù)的一次革命，網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了文字、語(yǔ)音、圖片和視頻信息的實(shí)時(shí)傳播。在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中也存在很多問(wèn)題：端到端時(shí)延不確定、帶寬不足和安全性問(wèn)題等。特別是隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不同的場(chǎng)景、不同的業(yè)務(wù)對數據傳輸的要求都不一樣，這些問(wèn)題日益凸顯。

現代工廠(chǎng)現場(chǎng)包含各種生產(chǎn)資料、通信設備、生產(chǎn)控制設備以及傳感器等；各設備需通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)有機連接在一起，為了提升效率，現場(chǎng)控制和運動(dòng)都是在毫厘之間，這就要求通信和處理也必須是盡可能短，在多個(gè)動(dòng)作和步驟有約束關(guān)系的情況下，相互間還有時(shí)間差的要求，傳統通常由工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線(xiàn)等方式與執行層設備連接。而傳統工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線(xiàn)存在標準不一、相互無(wú)法對接等弊端，在此背景下TSN（Time Sensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )）進(jìn)入人們視野。TSN的優(yōu)點(diǎn)如圖1所示。

圖1 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)

TSN是一組以太網(wǎng)標準，沿襲了AVB在傳輸高質(zhì)量音視頻的出色表現，通過(guò)精準時(shí)間同步、定時(shí)調度、幀搶占、幀復制與消除和安全連接等核心技術(shù)，實(shí)現了時(shí)間同步的低延遲流服務(wù)，為系統內各單元提供低時(shí)延的等時(shí)的標準數據，從而為控制、測量、配置、UI和文件交換基礎架構等的融合提供基礎。

圖2 企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )示意圖

有關(guān)TSN的標準、技術(shù)、性能和關(guān)鍵指標在這里就不贅述了，可以參考IEEE 802.1相關(guān)工作組的內容。下面著(zhù)重談?wù)凾SN的融合、演進(jìn)等等。

TSN是否就等同于實(shí)時(shí)通信

答案是否定的。實(shí)時(shí)通信是網(wǎng)絡(luò )通信追求的終極目標，人類(lèi)通過(guò)不斷地探索研究一次次向零時(shí)延逼近，當前在5G場(chǎng)景中可以做到端對端通信時(shí)延在毫秒級別，但有些場(chǎng)景在追求低延時(shí)的同時(shí)，希望端對端抖動(dòng)也足夠?。ǘ秳?dòng)比延時(shí)要小一個(gè)數量級。如端對端時(shí)延控制在1ms內，同時(shí)需要端對端的抖動(dòng)控制在100us內，否則時(shí)延1ms沒(méi)有意義；在工業(yè)現場(chǎng)傳感器、控制系統、執行系統之間需要等時(shí)實(shí)時(shí)通信才能滿(mǎn)足各執行機構之間配合，才能制造出高精度的產(chǎn)品。

實(shí)時(shí)通信主要在傳輸媒介、報文和協(xié)議處理上做到極致；而等時(shí)實(shí)時(shí)通信是在實(shí)時(shí)通信基礎上引入高精度時(shí)鐘，全網(wǎng)實(shí)現在同一節拍下進(jìn)行調度，這樣既滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求，又合理地控制了端對端的抖動(dòng)時(shí)間。有個(gè)很好的等時(shí)例子：3G/4G從速率上比傳統的窄帶E1/T1要快很多，但無(wú)論采用VoLte等技術(shù)，語(yǔ)音通話(huà)效果都無(wú)法與基于TDMA的固話(huà)相比。

在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，各設備、各系統間協(xié)同會(huì )更加緊密，迫切需要端對端等時(shí)實(shí)時(shí)通信；基于時(shí)間等時(shí)的基礎網(wǎng)絡(luò )將是未來(lái)5~10年的發(fā)展方向。

TSN與OPC UA的結合

OPC UA定義了一套通用的數據描述和語(yǔ)法表達方法(信息模型)，每種系統若采用OPC UA的信息模型，可以方便被其他系統所獲取和集成。也就是說(shuō)，OPC UA為工廠(chǎng)車(chē)間和企業(yè)之間的數據和信息傳遞提供一個(gè)與平臺無(wú)關(guān)的互操作性標準。

TSN與OPC UA都是近年來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的熱門(mén)詞匯。在OT和IT的融合趨勢中，大量工業(yè)設備的聯(lián)接要求數據的互通和互操作性，以及網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)和確定性?？梢哉f(shuō)OPC UA over TSN就是為OT和IT的融合、解決面向未來(lái)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)而生。據統計，當前國際上現存常用的總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議數量高達40余種，除此之外還有一些直接采用私有協(xié)議實(shí)現工業(yè)設備的信息交互的，這樣就形成了一個(gè)個(gè)豎井型的業(yè)務(wù)系統，同一個(gè)系統內的數據可以互通，但跨系統間的數據互通則非常困難。打通設備間，將各系統通過(guò)通信技術(shù)有機連接起來(lái)，實(shí)現企業(yè)內資源的垂直整合，已成不可逆轉的趨勢，希望能使用一整套接口、屬性和方法的標準集，提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠(chǎng)系統中各系統、各單元數據的無(wú)縫集成。

圖3 OPC UA TSN滿(mǎn)足今天制造業(yè)應用所需的所有通信需求

現代企業(yè)規模不斷擴大，相應信息系統也越加復雜，通常構建了現場(chǎng)級、車(chē)間級和企業(yè)級等通信系統，為了實(shí)現在復雜環(huán)境情況下的高確定性、低時(shí)延性和與平臺無(wú)關(guān)的互操作性，OPC UA over TSN+邊緣計算平臺功能提供了很大想象空間，通過(guò)傳感器收集各種數據，在邊緣側進(jìn)行預測分析；進(jìn)一步還可以通過(guò)邊云協(xié)同，在云端實(shí)現深度分析和工業(yè)流程優(yōu)化?？上驳氖荌EEE和ECC等組織都已布局。

TSN與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，IT與OT融合、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是姓“工”、還是姓“互”等等討論依然是熱門(mén)話(huà)題。當前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)拐點(diǎn)已至，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將接下這一棒，向上對接工業(yè)優(yōu)化應用，向下連接海量設備，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺憑借先進(jìn)的計算架構和高性能的云計算基礎設施，能夠實(shí)現對海量異構數據的集成、存儲與計算。而擺在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路上，至少有三座高峰：

第一座：網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

據統計，當前國際上現存常用的總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議數量高達40余種，加上一些變種和私有協(xié)議，達上千種以上。各種不同時(shí)期，不同品牌，不同協(xié)議的工業(yè)設備，都有不同格式的數據通信協(xié)議。因而不同工業(yè)設備之間的連接，是一個(gè)極其復雜的問(wèn)題。

第二座：知識壁壘

俗話(huà)說(shuō)隔行如隔山。隨著(zhù)工業(yè)革命推進(jìn)，行業(yè)越分越細，更趨專(zhuān)業(yè)化；不同行業(yè)、專(zhuān)業(yè)有不同的細分技術(shù)和獨門(mén)專(zhuān)業(yè)知識。如：一個(gè)再好的醫療設備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，也不太可能被工程機械企業(yè)所采用。

第三座：平臺互聯(lián)

現在國內大大小小的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺有很多，這些“平臺”之間是無(wú)法聯(lián)接的，形成一個(gè)個(gè)豎井型的業(yè)務(wù)系統。后續會(huì )逐漸整合，會(huì )和消費互聯(lián)網(wǎng)一樣，形成寡頭經(jīng)濟，誰(shuí)更快建成平臺、誰(shuí)的平臺服務(wù)更好、誰(shuí)的平臺為入駐企業(yè)創(chuàng )造的價(jià)值更高，誰(shuí)就有可能是剩下的幾家‘寡頭’之一。

而這三座高峰說(shuō)白了都是由標準不一，無(wú)法互聯(lián)互通，形成壁壘等所引起，當前TSN＋OPC UA已成為工業(yè)界統一標準的共識。

TSN與5G的互通

5G相比4G而言，在性能和速度上都有很大的提升，尤其是無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )（RAN）提供了更好的可靠性和傳輸延遲。在無(wú)線(xiàn)場(chǎng)景中，通過(guò)TSN和5G網(wǎng)絡(luò )的互通，實(shí)現端對端超低延時(shí)，可以滿(mǎn)足對時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)需求?？梢哉f(shuō)5G與TSN的融合，是一個(gè)寬闊的領(lǐng)域。如下圖所示，拉通無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )和核心網(wǎng)絡(luò )?？上驳氖窃?GPP不同版本中為了支持TSN也做了大量工作：靈活的參數集、更小的數據時(shí)隙和有效支持低延時(shí)應用的快速確認等等，為uRLLC場(chǎng)景做了很多優(yōu)化。

圖4 5G端對端網(wǎng)絡(luò )示意圖

同時(shí)在基站側引入MEC，組成云、邊、端三體協(xié)同的最佳解決方案，擁有低延時(shí)、高可靠、精準時(shí)間同步的基礎設施，成為實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)RT-IoT的典范。

TSN部署演進(jìn)

當前工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )采用典型的兩層三級架構，其中IT和OT兩層網(wǎng)絡(luò )之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現互聯(lián)和安全隔離；工廠(chǎng)、車(chē)間、現場(chǎng)三級之間的網(wǎng)絡(luò )配置和管理策略相互獨立。隨著(zhù)TSN＋OPC UA的推進(jìn)，拉通了底層互聯(lián)互通、語(yǔ)義轉換和信息技術(shù)的發(fā)展，原有的兩層三級架構將會(huì )變成模糊，變得更加扁平、高效。但這個(gè)過(guò)程會(huì )經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段的演進(jìn)：

1. 孤島式TSN網(wǎng)絡(luò )

TSN＋OPC UA的出現，替換現有種類(lèi)繁多的工業(yè)協(xié)議成為可能，現場(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )逐漸替換以TSN為基礎的統一通信，徹底實(shí)現了各現場(chǎng)設備間的互聯(lián)互通。

這個(gè)階段，TSN作為低時(shí)延，高吞吐量的等時(shí)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )，將與傳統的互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)等共存。

2. 局域式TSN網(wǎng)絡(luò )

孤島式TSN網(wǎng)絡(luò )還是局限在現場(chǎng)級，服務(wù)于以工單為單位實(shí)現單個(gè)零件和模塊的生產(chǎn)，這時(shí)IT和OT還是割裂的。我們希望一個(gè)工廠(chǎng)是一個(gè)整體，希望從上到下，或從下到上都是一個(gè)有機的整體；因而從訂單到ERP；再到MES、SCADA的工單和流程分解；經(jīng)PLC和HMI的中繼；最后驅動(dòng)到傳感器和執行器等等。把現場(chǎng)、車(chē)間和工廠(chǎng)內部IT管理系統等相互間徹底打通，真正實(shí)現IT與OT的融合。

3. 跨域式TSN網(wǎng)絡(luò )

TSN網(wǎng)絡(luò )不僅僅用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，在娛樂(lè )領(lǐng)域也會(huì )大放異彩，比如網(wǎng)絡(luò )直播，當前網(wǎng)絡(luò )直播通常是基于Internet，在直播源頭和接收之間通過(guò)盡力而為的網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行傳輸的，其中CDN負責中繼和分發(fā)；數據加速技術(shù)來(lái)提升數據傳輸效率，但這些只能起到優(yōu)化，不能從根本上解決視頻卡頓等問(wèn)題。如果采用端對端TSN，則能有效解決傳輸時(shí)延和抖動(dòng)問(wèn)題。

業(yè)務(wù)通過(guò)分片，設備上采用全光網(wǎng)絡(luò )（如：OXC），調度上采用TSN模型，實(shí)現跨域TSN。最近思科宣布26億美元收購光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)公司Acacia，很明確思科在硅光領(lǐng)域的發(fā)力，硅光產(chǎn)品納入思科的整體解決方案中為跨域多云提供強有競爭力，硅光在降低功耗和時(shí)延上有很大優(yōu)勢。

同時(shí)無(wú)線(xiàn)方面會(huì )利用毫米波5G，Wi-Fi 6等進(jìn)行低延時(shí)傳輸，最終會(huì )實(shí)現TSN有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)統一。

新華三的TSN布局

“松散”型的消費類(lèi)互聯(lián)網(wǎng)往“緊密”型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)牽引，將是未來(lái)5～10年的方向，各方都在集聚能量，蓄勢待發(fā)。

圖5 新華三工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )架構

新華三工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )基于SDN/NFV、大數據、人工智能等新技術(shù)，形成一張可靈活定義、安全可靠的柔性網(wǎng)絡(luò )，關(guān)鍵組件包含TSN時(shí)間敏感以太網(wǎng)、SNA Center（先知網(wǎng)絡(luò )中心）等，實(shí)現有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)一體化、IT/OT雙網(wǎng)融合，提供多維可視、安全可靠、及智能運維的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，建立從現場(chǎng)層、控制層、管理層直到云端的融合網(wǎng)絡(luò )，也為跨域做好了準備。

1．采用扁平化的融合網(wǎng)絡(luò )架構，通過(guò)TSN核心技術(shù)，提供低延時(shí)、高可靠的確定性網(wǎng)絡(luò )，IT和OT設備都統一接入到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，實(shí)現控制信息等實(shí)時(shí)數據與數據信息等非實(shí)時(shí)數據在同一網(wǎng)絡(luò )中傳輸，滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監控、自動(dòng)控制、業(yè)務(wù)管理等需求。

2．提供有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)融合網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現工廠(chǎng)有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )全覆蓋，解決信息孤島問(wèn)題，滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對于生產(chǎn)全流程、無(wú)死角的網(wǎng)絡(luò )覆蓋需求，支撐工廠(chǎng)的信息采集、生產(chǎn)控制等的應用需求。

3．SNA Center作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的大腦，包括先知分析器、SDN控制器、網(wǎng)絡(luò )管理、安全管控等核心組件，它具有對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行全局統一管理、控制和智能分析、業(yè)務(wù)編排的能力。SNA Center擁有全局視角，能夠解決不同網(wǎng)絡(luò )管理域之間的協(xié)同問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化運維、降低OPEX；同時(shí)SNA Center可以實(shí)時(shí)感知網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，基于用戶(hù)意圖或網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)分析可以實(shí)現業(yè)務(wù)自動(dòng)化部署和風(fēng)險預測，讓網(wǎng)絡(luò )更加智能，能夠更加簡(jiǎn)潔、智慧、高效的為業(yè)務(wù)服務(wù)。

4．SNA Center通過(guò)高性能 API Gateway 提供符合 RESTful 標準的北向 API，并支持對接IT、OT應用系統，實(shí)現SNA網(wǎng)絡(luò )的可編程自動(dòng)化，將智能化生產(chǎn)、個(gè)性化定制等應用需求傳遞給SNA Center，SNA Center理解業(yè)務(wù)意圖并解析成網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)言，通過(guò)靈活定義，快速構建出適合生產(chǎn)環(huán)境的柔性網(wǎng)絡(luò )。

結束語(yǔ)

一種新技術(shù)的出現，除了它是否能的的確確地解決實(shí)際問(wèn)題外，還要關(guān)注它的演進(jìn)、生態(tài)等等。在萬(wàn)物互聯(lián)中各系統、各節點(diǎn)的緊密協(xié)同和效率持續提升下，TSN不僅靠譜，并將會(huì )大放異彩。