浅谈时间敏感网络TSN的工业应用
在工业领域，时间敏感网络 TSN 作为下一代工业网络的演进方向，在业内已基本形成共识。目前时间敏感网络协议组基本完备，技术慢慢趋于成熟，主流网络设备厂商纷纷进入产品或者方案研发阶段。
当前工厂内网架构通常出现 “两层三级” 的结构：“两层” 指 “工厂IT网络” 和 “工厂OT网络” 两层技术异构的网络，如下图 (图1) 所示；“三级” 指工厂管理层级的划分，网络也分成 “现场级”、“车间级”、“工厂级/企业级” 三个层次，每层之间的网络配置和管理策略相互独立，如下图 (图2) 所示：
伴随着工业互联网以及工业 4.0 的广泛推广，工业互联网业务发展对网络基础设施提出了更高的要求和需求，工厂内网络将呈现出融合、开放、灵活三种趋势。
- 融合趋势是指向网络结构扁平化，即OT (Operation Technology) & IT (Information Technology) 融合、控制信息与过程数据公网传输、有线与无线协同
- 开放趋势是指技术的开放、数据的开放
- 灵活趋势是指网络形态的灵活、网络管理的友好
工业以太网 (Industrial Ethernet) 如 EtherCAT、Powerlink、Profibus、Profinet、Sercos、Modubus、CC-Link等，虽然它们提供了确定性的连接和保证的延迟，但是它们之间不能互操作，这导致整个体系结构变得不灵活。
时间敏感网络 TSN (Time Sensitive Network) 包括 IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu 和 IEEE 802.1Qca 等多种标准，这个时间敏感网络是确定的连接、延迟有保证，最重要的是它能与其他以太网标准互操作。
时间敏感网络TSN工业应用状况
TSN 网络的重点是对当前的二层以太网增强了特性，为特定的业务流量提供确定的网络传输。目前 IEEE 802.1 TSN 工作组已经制定了一系列标准，通过允许一些流量分组优先转发，利用门控调度机制清理线路，带宽预留机制来保证业务流量在以太网中的传输性能。
在时间敏感网络中，很多业务流量对性能的要求不仅局限于时延和抖动，实现流量中的帧能在确定的且可预测的时间内送达是更为重要的指标要求。实现该需求下的底层技术基础，需要基于 IEEE 802.1AS 全网的时间同以及 802.1Qbv 协议的门控调度机制。
基于 TSN 网络在工业领域的应用，第一阶段定位于实现工厂内 OT 网络的互联互通，根据应用场景及网元在 OT 网络中的位置，将 TSN 设备分为工厂级网络设备、车间级网络设备、现场级网络设备。详见下图 (图3)：
- 工厂级网络设备 (C) 实现工厂内部各车间之间的互联互通，以及连同工厂与工厂外部企业内部网络的互联互通
- 车间级网络设备 (A1) 实现车间内部不同产线之间、集中式控制器与设备之间的互联互通，连同车间与车间外部工厂内网络实现互联互通
- 现场级网络设备 (A2) 实现现场设备、传感器等通信接口的通信协议转换并与控制器、检测监控装置进行互联互通，连同产线与产线外部车间内部网线实现互联互通
TSN方案简介
国外芯片和设备厂商也在积极推广自己 TSN 方案和设备，比如 Intel&TTTech、ADI 等。下面就针对两家方案情况，进行简单介绍和相关说明。
Intel&TTTech 的 TSN 解决方案
Intel&TTTech 合作开发基于 FPGA 的 TSN 解决方案，将 TTTech 的 TSN 以太网IP 与 Intel 的 SoC FPGA 平台相结合。工程师可以购买 TTTech TSN IP 和 Intel FPGA 器件进行研究开发，也可以直接采购 Intel 定制带 TSN IP 的 FPGA 器件进行开发。
下表 (表1) 是 TTTech TSN IP 目前可实现的标准：
| 标准 | 功能描述 |
| IEEE 802.1AS | 定时与同步 |
| IEEE 802.1AS-Rev | 用于可靠性的时间同步 |
| IEEE 802.1Qcc | 流预约协议，用于配置(分布式和集中式) TSN 网络的接口，支持 TSN 动态调度的配置模型 |
| IEEE 802.1Qci | 流粒度的过滤和管控，防止错误或恶意的端点和开关，将故障隔离到网络中的特定区域 |
| IEEE 802.1Qbv | 时间敏感流量调度机制，即使在聚合的基础设施中，也为标准以太网上的时间关键流量提供了可靠的通信延迟 |
| IEEE 802.1Qbu | 帧剥夺机制，允许对与计划流量并行发送的非计划后台流量进行最佳带宽利用 |
| IEEE 802.1CB | 帧复制与无缝冗余，允许对与计划流量并行发送的非计划后台流量进行最佳带宽利用 |
| IEEE 802.1Qca | 路径控制和保留，防止错误或恶意的端点和开关，将故障隔离到网络中的特定区域 |
| IEEE 802.1Qch | 循环排队和转发，使用以下命令定义转发队列流量的循环，802.1Qci 分配缓冲区，802.1Qbv 分配流量 |
| IEEE 802.1Qcr | 异步数据流整形，在没有时间同步的情况下提供有限的延迟和抖动 |
| IEEE 802.1Qcp | 用于桥的 YANG 模型，允许使用 NETCONF 在桥之间通信基本的桥接配置数据 |
| IEEE 802.1Qcw | 用于 QbvQbu/Qci 的 YANG 模型，结合 NETCONF 将 802.1Qcp 的功能扩展到桥之间调度、抢占和监控配数据的通信 |
| IEEE 802.1CBcv | 用于 CB 的 YANG 模型，将 802.1Qcp 的功能扩展到与 NETCONF 相结合的桥之间的冗余配置数据通信 |
表1 TTTech TSN IP能实现的标准
如下图 (图4、图5) 以及下表 (表2) 所示，表明 FPGA 能根据需求配置不同的架构，最大可以配置4+1个10/100/1000Mbps支持 TSN 的交换机端口。同时，下表 (表2) 也反应在不同版本下的IP，资源所需也不同，这样体现了FPGA 实现 TSN 方案的灵活性，它能根据不同的协议标准进行相应的增加或减少。
| V1.3.1 (IP v4.5) | Maximum | Standard | Optimized | Minimum |
| Ports | 4+1 | 4+1 | 2+1 | 2+1 |
| 802.1Q Queues | 8 | 8 | 8 | 4 |
| 802.1AS | √ | √ | √ | √ |
| 802.1Qbv | √ | √ | √ | √ |
| 802.1Qbu/802.3br | √ | √ | √ | x |
| AVB (FQTSS) | √ | √ | x | x |
| Gigabit Support | √ | √ | √ | √ |
| Static FDB | √ | √ | √ | √ |
| Cut-Through Support | √ | √ | √ | x |
| Policing | √ | √ | x | x |
| Memory (kbit) | 2.926 | 2,008 | 1,243 | 781 |
| Resources (kALM) | 30 | 30 | 16 | 14 |
表2 TTTech IP 在 Cyclone V SoC支持信息
Cyclone V SoC 器件还可以根据架构形式不同，支持 PCIe 接口的网络板块。换言之，它可以根据自身需求选择不同的 Cyclone V SoC 器件，实现量身定制和降低成本。同时，Intel 目前也发布了几款带 TSN 功能的FPGA。当前发布的型号是 5CSEBA6U19I7NTS、5CSEBA6U23I7NTS、5CSXFC6C6U23I7NTS 等。
Intel&TTTech 方案除了在器件和IP上的优势，还有一款 Slate XNS 的带有 GUI 功能的网络配置产品，可用于为 TSN 网络建模拓扑、创建调度和部署配置。Slate XNS 软件包括 NETCONF 客户端、REST 服务器和 TTTEC 强大的调度引擎。Slate XNS 支持标准接口，可以用来调度和配置任何符号标准的 TSN 设备。
ADI 的 TSN 解决方案
ADI 的 TSN 方案是 TSN Drivers+fido5000 (5100&5200)，ADI 的参考设计是基于 ADI fido1000+fido5000 系列，如下图 (图7) 所示：
ADI 方案 TSN Drivers 和可支持协议详见下图 (图8)：
ADI 的 fido5000 系列器件有 fido5100 和 fido5200 两种型号，其中 fido5100 不支持 EtherCAT，而 fido5200 支持 EtherCAT。fido5000 系列器件有两个以太网端口，目前只能支持 10Mbps/100Mbps，不支持1Gbps。协议标准可支持IEEE 802.1AS、802.1AS-Rev、802.1Qbv、802.1Qci、802.1CB、802.1Qcc、802.1Qbu 等。
案例介绍
与澳门人巴黎人1797合作的客户 A 按照下图 (图9) 的架构搭建测试床，使用 TSN 交换机有 TTTech TSN 板块 (5CSXFC6C6U23I7N)*2 + 交换机 + 赫斯曼交换机，客户按照图9 架构进行连接，实物如图10 所示。通过客户测试床第一轮测试，测试结果得到客户的认可。Intel&TTTech TSN 板块使用过程和配置以及 TSN 相关参数，均符合客户需求。后续将继续更改测试方式，对 TSN 板块性能进行更多的验证，为客户自有的板卡和设备做前期调研测试。
总结
TSN 在工业领域中有很多应用场景，这些网络在同步精度、传输带宽、交换延时、故障冗余、设备功耗等方面都有不同的要求，即使已经有部分芯片标称支持 TSN，但也难以满足不同应用场景的需求。
TSN 标准还在处于持续变化更新中，在 TSN 的协议标准未定期间，使用基于 FPGA 的 TSN 交换实现是最佳的方案。Intel&TTTech 在 TSN 方面的大量投入，以及芯片采购灵活程度等均可以表明：Intel&TTTech 的 TSN 方案在 FPGA 方案中是不错的选择。欲了解更多，您可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们澳门人巴黎人1797公司愿意为您提供更详细的技术解答。