時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）靠譜嗎

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人類對(duì)自然的探索永無止境，一項(xiàng)新技術(shù)或者新理論可能會(huì)開啟一個(gè)嶄新的時(shí)代。電報(bào)通過編碼和相應(yīng)的電處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息交互。電話解決了異地間的實(shí)時(shí)話音通信問題。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(xiàn)了文字、語音、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)展的過程中也存在很多問題：端到端時(shí)延不確定、帶寬不足和安全性問題等。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不同的場景、不同的業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠖疾灰粯樱@些問題日益凸顯。

現(xiàn)代工廠現(xiàn)場包含各種生產(chǎn)資料、通信設(shè)備、生產(chǎn)控制設(shè)備以及傳感器等；各設(shè)備需通過網(wǎng)絡(luò)來有機(jī)連接在一起，為了提升效率，現(xiàn)場控制和運(yùn)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(tǒng)通常由工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線等方式與執(zhí)行層設(shè)備連接。而傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線存在標(biāo)準(zhǔn)不一、相互無法對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，沿襲了AVB在傳輸高質(zhì)量音視頻的出色表現(xiàn)，通過精準(zhǔn)時(shí)間同步、定時(shí)調(diào)度、幀搶占、幀復(fù)制與消除和安全連接等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步的低延遲流服務(wù)，為系統(tǒng)內(nèi)各單元提供低時(shí)延的等時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從而為控制、測量、配置、UI和文件交換基礎(chǔ)架構(gòu)等的融合提供基礎(chǔ)。

圖2 企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)示意圖

有關(guān)TSN的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、性能和關(guān)鍵指標(biāo)在這里就不贅述了，可以參考IEEE 802.1相關(guān)工作組的內(nèi)容。下面著重談?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(biāo)，人類通過不斷地探索研究一次次向零時(shí)延逼近，當(dāng)前在5G場景中可以做到端對(duì)端通信時(shí)延在毫秒級(jí)別，但有些場景在追求低延時(shí)的同時(shí)，希望端對(duì)端抖動(dòng)也足夠小（抖動(dòng)比延時(shí)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。如端對(duì)端時(shí)延控制在1ms內(nèi)，同時(shí)需要端對(duì)端的抖動(dòng)控制在100us內(nèi)，否則時(shí)延1ms沒有意義；在工業(yè)現(xiàn)場傳感器、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)之間需要等時(shí)實(shí)時(shí)通信才能滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(bào)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(chǔ)上引入高精度時(shí)鐘，全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)在同一節(jié)拍下進(jìn)行調(diào)度，這樣既滿足實(shí)時(shí)要求，又合理地控制了端對(duì)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(tǒng)的窄帶E1/T1要快很多，但無論采用VoLte等技術(shù)，語音通話效果都無法與基于TDMA的固話相比。

在萬物互聯(lián)時(shí)代，各設(shè)備、各系統(tǒng)間協(xié)同會(huì)更加緊密，迫切需要端對(duì)端等時(shí)實(shí)時(shí)通信；基于時(shí)間等時(shí)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)將是未來5~10年的發(fā)展方向。

TSN與OPC UA的結(jié)合

OPC UA定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和語法表達(dá)方法(信息模型)，每種系統(tǒng)若采用OPC UA的信息模型，可以方便被其他系統(tǒng)所獲取和集成。也就是說，OPC UA為工廠車間和企業(yè)之間的數(shù)據(jù)和信息傳遞提供一個(gè)與平臺(tái)無關(guān)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。

TSN與OPC UA都是近年來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的熱門詞匯。在OT和IT的融合趨勢中，大量工業(yè)設(shè)備的聯(lián)接要求數(shù)據(jù)的互通和互操作性，以及網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)和確定性。可以說OPC UA over TSN就是為OT和IT的融合、解決面向未來的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)而生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國際上現(xiàn)存常用的總線、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)量高達(dá)40余種，除此之外還有一些直接采用私有協(xié)議實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)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(tǒng)，同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)可以互通，但跨系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互通則非常困難。打通設(shè)備間，將各系統(tǒng)通過通信技術(shù)有機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)資源的垂直整合，已成不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，希望能使用一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠系統(tǒng)中各系統(tǒng)、各單元數(shù)據(jù)的無縫集成。

圖3 OPC UA TSN滿足今天制造業(yè)應(yīng)用所需的所有通信需求

現(xiàn)代企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，相應(yīng)信息系統(tǒng)也越加復(fù)雜，通常構(gòu)建了現(xiàn)場級(jí)、車間級(jí)和企業(yè)級(jí)等通信系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境情況下的高確定性、低時(shí)延性和與平臺(tái)無關(guān)的互操作性，OPC UA over TSN+邊緣計(jì)算平臺(tái)功能提供了很大想象空間，通過傳感器收集各種數(shù)據(jù)，在邊緣側(cè)進(jìn)行預(yù)測分析；進(jìn)一步還可以通過邊云協(xié)同，在云端實(shí)現(xiàn)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話題。當(dāng)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(duì)接工業(yè)優(yōu)化應(yīng)用，向下連接海量設(shè)備，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)憑借先進(jìn)的計(jì)算架構(gòu)和高性能的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成、存儲(chǔ)與計(jì)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(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國際上現(xiàn)存常用的總線、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)量高達(dá)40余種，加上一些變種和私有協(xié)議，達(dá)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(shè)備，都有不同格式的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。因而不同工業(yè)設(shè)備之間的連接，是一個(gè)極其復(fù)雜的問題。

第二座：知識(shí)壁壘

俗話說隔行如隔山。隨著工業(yè)革命推進(jìn)，行業(yè)越分越細(xì)，更趨專業(yè)化；不同行業(yè)、專業(yè)有不同的細(xì)分技術(shù)和獨(dú)門專業(yè)知識(shí)。如：一個(gè)再好的醫(yī)療設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，也不太可能被工程機(jī)械企業(yè)所采用。

第三座：平臺(tái)互聯(lián)

現(xiàn)在國內(nèi)大大小小的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有很多，這些“平臺(tái)”之間是無法聯(lián)接的，形成一個(gè)個(gè)豎井型的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。后續(xù)會(huì)逐漸整合，會(huì)和消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)一樣，形成寡頭經(jīng)濟(jì)，誰更快建成平臺(tái)、誰的平臺(tái)服務(wù)更好、誰的平臺(tái)為入駐企業(yè)創(chuàng)造的價(jià)值更高，誰就有可能是剩下的幾家‘寡頭’之一。

而這三座高峰說白了都是由標(biāo)準(zhǔn)不一，無法互聯(lián)互通，形成壁壘等所引起，當(dāng)前TSN＋OPC UA已成為工業(yè)界統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)。

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，尤其是無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）提供了更好的可靠性和傳輸延遲。在無線場景中，通過TSN和5G網(wǎng)絡(luò)的互通，實(shí)現(xiàn)端對(duì)端超低延時(shí)，可以滿足對(duì)時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)需求?？梢哉f5G與TSN的融合，是一個(gè)寬闊的領(lǐng)域。如下圖所示，拉通無線接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)。可喜的是在3GPP不同版本中為了支持TSN也做了大量工作：靈活的參數(shù)集、更小的數(shù)據(jù)時(shí)隙和有效支持低延時(shí)應(yīng)用的快速確認(rèn)等等，為uRLLC場景做了很多優(yōu)化。

圖4 5G端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)示意圖

同時(shí)在基站側(cè)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(zhǔn)時(shí)間同步的基礎(chǔ)設(shè)施，成為實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)RT-IoT的典范。

TSN部署演進(jìn)

當(dāng)前工廠網(wǎng)絡(luò)采用典型的兩層三級(jí)架構(gòu)，其中IT和OT兩層網(wǎng)絡(luò)之間通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和安全隔離；工廠、車間、現(xiàn)場三級(jí)之間的網(wǎng)絡(luò)配置和管理策略相互獨(dú)立。隨著TSN＋OPC UA的推進(jìn)，拉通了底層互聯(lián)互通、語義轉(zhuǎn)換和信息技術(shù)的發(fā)展，原有的兩層三級(jí)架構(gòu)將會(huì)變成模糊，變得更加扁平、高效。但這個(gè)過程會(huì)經(jīng)過幾個(gè)階段的演進(jìn)：

1. 孤島式TSN網(wǎng)絡(luò)

TSN＋OPC UA的出現(xiàn)，替換現(xiàn)有種類繁多的工業(yè)協(xié)議成為可能，現(xiàn)場級(jí)網(wǎng)絡(luò)逐漸替換以TSN為基礎(chǔ)的統(tǒng)一通信，徹底實(shí)現(xiàn)了各現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)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(xiàn)場級(jí)，服務(wù)于以工單為單位實(shí)現(xiàn)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)工廠是一個(gè)整體，希望從上到下，或從下到上都是一個(gè)有機(jī)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(qū)動(dòng)到傳感器和執(zhí)行器等等。把現(xiàn)場、車間和工廠內(nèi)部IT管理系統(tǒng)等相互間徹底打通，真正實(shí)現(xiàn)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)，在娛樂領(lǐng)域也會(huì)大放異彩，比如網(wǎng)絡(luò)直播，當(dāng)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盡力而為的網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行傳輸?shù)模渲蠧DN負(fù)責(zé)中繼和分發(fā)；數(shù)據(jù)加速技術(shù)來提升數(shù)據(jù)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題。如果采用端對(duì)端TSN，則能有效解決傳輸時(shí)延和抖動(dòng)問題。

業(yè)務(wù)通過分片，設(shè)備上采用全光網(wǎng)絡(luò)（如：OXC），調(diào)度上采用TSN模型，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)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)無線方面會(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(xiàn)TSN有線無線統(tǒng)一。

新華三的TSN布局

“松散”型的消費(fèi)類互聯(lián)網(wǎng)往“緊密”型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)牽引，將是未來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(gòu)

新華三工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基于SDN/NFV、大數(shù)據(jù)、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(xiàn)有線無線一體化、IT/OT雙網(wǎng)融合，提供多維可視、安全可靠、及智能運(yùn)維的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，建立從現(xiàn)場層、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(zhǔn)備。

1．采用扁平化的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過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(shè)備都統(tǒng)一接入到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)控制信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)信息等非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，滿足工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)控制、業(yè)務(wù)管理等需求。

2．提供有線、無線融合網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工廠有線無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，解決信息孤島問題，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)于生產(chǎn)全流程、無死角的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，支撐工廠的信息采集、生產(chǎn)控制等的應(yīng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全局統(tǒng)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)同問題，從而簡化運(yùn)維、降低OPEX；同時(shí)SNA Center可以實(shí)時(shí)感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，基于用戶意圖或網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)自動(dòng)化部署和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，讓網(wǎng)絡(luò)更加智能，能夠更加簡潔、智慧、高效的為業(yè)務(wù)服務(wù)。

4．SNA Center通過高性能 API Gateway 提供符合 RESTful 標(biāo)準(zhǔn)的北向 API，并支持對(duì)接IT、OT應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)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(yīng)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)語言，通過靈活定義，快速構(gòu)建出適合生產(chǎn)環(huán)境的柔性網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)束語

一種新技術(shù)的出現(xiàn)，除了它是否能的的確確地解決實(shí)際問題外，還要關(guān)注它的演進(jìn)、生態(tài)等等。在萬物互聯(lián)中各系統(tǒng)、各節(jié)點(diǎn)的緊密協(xié)同和效率持續(xù)提升下，TSN不僅靠譜，并將會(huì)大放異彩。