文章來源：中國工業報
平臺是工業互聯網的核心。從產業來看，IaaS平臺、PaaS平臺、邊緣平臺以及應用平臺等構成了工業互聯網產業的主體。但網絡尤其是內場網絡的暢通才是實現平臺應用的先決條件。
時間敏感網絡（TSN，Time-Sensitive Networking）已成為工業有線網絡向下一代發展的業界共識。《工業互聯網創新發展行動計劃（2021-2023年）》明確要求：實施工業互聯網企業內網標桿計劃，支持工業企業綜合運用5G、時間敏感網絡（TSN）、邊緣計算等技術，提升行業應用各環節網絡化水平。作為面向工業智能化生產的新型網絡技術，TSN為工業生產環境提供了一種既支持高速率、大帶寬的數據采集，又兼顧高實時控制信息傳輸的網絡。
解決互聯互通 助力工廠OICT融合
TSN是一項從視頻音頻數據領域延伸至工業領域、汽車領域的技術，最初來源于音視頻領域的應用需求，當時被稱為AVB（以太網音視頻橋接技術）。由于針對音視頻網絡需要較高的帶寬和最大限度的實時性，借助AVB能較好的傳輸高質量音視頻。
傳輸音頻和視頻信息的網絡需要遵守嚴格的時序規則，如果音頻或視頻信息不能遵守指定的時序規則到達目的地，接收設備（例如視頻屏幕或揚聲器）可能會發生視頻幀被丟棄、音頻偽像的情況。此外，這種網絡還需要可預測的延遲，保證視頻和相關音頻流之間的同步。
另一方面，在音視頻應用場景中有很多高清的數據要通過網絡傳輸到處理中心，對帶寬的需求極大。為了最大限度的提供實時性，這些圖像、音頻必須實現高實時的傳輸與處理，可以想象其對帶寬和實時性的高要求。
2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務組，此后的幾年里，任務組成功解決了音頻視頻網絡中數據實時同步傳輸的問題，受到工業、汽車等領域人士的關注。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍，并同時將任務組名稱改為現在的TSN任務組。
在工業領域，控制低時延、確定性的數據傳輸是剛需，而大量的工業實時以太網協議（如Ethernet/IP、Profinet、Modbus-IDA等）互不相通或相通難度、成本居高不下，網絡碎片化、OICT融合困難。因此，工業互聯網需要一個可互操作的系統，能夠支持多協議在同一個網絡上實現互通和互操作。
工廠數字化的推進必須依賴于一個大容量、異構數據的標準與規范網絡。TSN技術的優勢，恰好滿足了這個需求。TSN采用IEEE標準的統一網絡標準，改變傳統網絡復雜、封閉、連接的困難，使得整個OICT融合中的效率得以提高，降低了不必要的網絡構建成本。
TSN在確保數據通信的實時性的同時，實現在同一個網絡中與其它開放式網絡、以及IT系統的數據通信，從而解決互聯互通的問題，提高工業設備的連接性和確定性，實現OICT的融合。
圖為TSN在工業互聯網網絡中的位置（來源：工業互聯網時間敏感網絡（TSN）產業白皮書1.0）
以當下火熱的數字孿生為例，它與傳統建模仿真有一個較大的差異在于其實現“動態交互”。數字孿生通過對數據的采集，包括不確定、非線性任務中的變量采集，實現全局優化的目標，這個過程可以采用機器學習對質量相關性進行分析，也可以對調度策略進行全局分析，之后再把這些分析與優化的結果、算法與模型部署到現場控制器，并實時指導應用。
對于個性化生產而言，這需要實體與虛體的“實時”交互，但由于數據量大、網絡復雜，因此對網絡提出了很高的要求，必須確保網絡的高速響應，否則難以達到動態與實時的效果。通過TSN網絡，實現傳感器、控制、運營在一個網絡架構中，確保整體運營的一致性。
TSN滿足智慧交通流數據實時性與確定性需求
在交通領域，大量傳感器數據的延遲產生于網絡延遲，尤其是高帶寬需求的流數據傳輸，造成基于視頻的檢測數據滯后，且滯后時間不可測、不確定，這些已經成為影響交通數據實時融合、車路協同實時數據交換、高效實時控制的屏障。在有限的網絡帶寬之下，如何在不中斷大量的業務流數據的同時確保關鍵性控制數據的確定性、實時性傳輸，成為智能交通行業的一個痛點需求。TSN為解決該需求提供了非常好的解決方案。
比如，TSN是目前車載控制系統的非常好的選擇。在汽車控制系統中，剎車、引擎、懸掛等采用CAN總線（控制器局域網絡），而燈光、車門、遙控等采用LIN系統（一種串行通訊網絡，適用于對網絡帶寬、性能或容錯功能要求不高的應用）。但隨著自動駕駛或者智能駕駛的提出，CAN總線無論是帶寬還是延遲等性能已不能滿足需求。
TSN旨在為以太網協議建立“通用”的時間敏感機制，以確保網絡數據傳輸的時間確定性。同時利用數據整形，確保無論發生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯誤，均能強制實現可靠的通訊。此選項確保關鍵流量的復本在網絡中能以不相交集的路徑進行傳送，只保留首先到達目的地的任何封包，從而實現無縫冗余，達到超高的可靠性，這對車輛控制，尤其是無人駕駛非常重要。實際上，上述所有系統都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統一管理，從而降低給汽車和專業的A/V設備增加網絡功能的成本及復雜性。
在車輛中，實時功能對于某些應用至關重要。為確保這些實時功能可用，必須在以太網控制器中設置具有直接訪問硬件資源的機制。TSN構建了可擴展的以太網網絡，讓這些功能變現。為此，不同的消息按照其可用性分為了不同的等級，并對其延遲和優先級進行了分類，每個消息類被分配到一個固定的帶寬。此外，TSN 還支持冗余以太網系統，為確保穩定的數據交換定義了安全標準。
其優勢如下：
基于時間片的流量調度，避免傳統網絡的“流量餓死”；
保證業務傳輸的實時性和確定性，避免傳統網絡的“擁塞”；
提供微秒級的周期調度，解決周期性和非周期性數據共存問題；
統一網絡標準，提供基于業務的時間編排，避免傳統網絡復雜的網絡配置。
目前，很多廠商都將TSN與自身的硬件設備相結合，并達到了良好的效能。業內典型工業互聯網“根”技術解決方案廠商——東土科技，就是個不錯的踐行者。
東土科技全系列TSN工業網絡產品包含芯片、交換機、終端、交換軟件平臺、CNC及邊緣控制器等，其中SICOM3000TSN交換機于2021年9月28日在工業和信息化部主辦的“2021工業互聯網網絡創新大會”上榮獲首批“時間敏感網絡（TSN）產業鏈名錄計劃”測試認證證書，并已在重慶、西安、沈陽等地實際工廠進行應用，系統提供了微秒級確定性服務，保證實時性需求；產品可降低整個通信網絡復雜度，實現周期性數據和非周期性數據同時傳輸；有效提升了產線中工業控制流量傳輸的實時性、確定性和網絡的穩定性。
在接入普通交換機時，各業務流共享全部帶寬，在出口擁塞情況下，只有部分高優先級業務流被轉發，其他流量被沖掉。但在TSN交換機中，可以設置最小時間精度為納秒級的顆粒度，并針對不同的業務優先級分配不同的時間窗設置，各業務流均按時間片進行轉發，這樣即使在發生擁堵的情況下，也能保證特定業務流數據的確定性傳輸，從而滿足核心業務的實時性要求。
設備參數如下：
提供豐富的端口形態，10GBase-X SFP+接口; 100/1000Base-X SFP接口; 10/100/1000Base-T(X) RJ45電口，自動偵測，全/半雙工，MDI/MDI-X自適應;
支持TSN相關協議標準：IEEE 802.1AS-Rev / IEEE1588 / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qci / IEEE802.1CB / IEEE 802.1Qcc；
支持CNC集中網絡配置；
支持 IEEE 802.3 / 802.3u / 802.3x / 802.1D / 802.1W / 802.1P /802.1Q 標準；
IP40防護等級；
支持寬溫（-40℃～85℃）；
符合工業四級電磁兼容性要求。
圖為TSN網絡整體架構
面向未來，東土科技全系列TSN工業網絡產品，包含芯片、交換機、終端、交換軟件平臺、CNC及邊緣控制器等產品將全力支持以時間敏感網絡為代表的新一代工業網絡技術的應用和發展，并根據各個垂直行業的應用特點打造定制化的產品與解決方案。
TSN將為未來的通信網絡打開一扇新的窗口。雖然短期來看TSN 落地普及及市場接受度仍然需要一個過程，但隨著關鍵技術的突破和應用場景需求變化迭代升級，TSN所創造的價值將不可估量。
