“時間敏感網絡(TSN)旨在通過設計使以太網具有確定性，并提高設備之間的同步性和整體通信功能。”

　　多年來，以太網標準一直在不斷發展。在 20 世紀 70 年代，第一個版本的以太網只達到了 10Mbps 的速度。然后，快速以太網在 1995 年問世，速度達到 100Mbps。如今，千兆位以太網已經問世。

　　另外，隨著以太網在大多數行業中變得無處不在，以太網組件也變得更加實惠和更容易實施。現在， 大多數網絡協議支持以太網作為其通信媒介。因此，以太網網絡可以采用各種各樣的協議來實現應用。

　　盡管多年以來，以太網網速一直都在提高，但還存在一個關鍵性能問題：確定性。確定性網絡按規定的延遲時間、精確地交換數據。由于以太網通信基于盡力而為原則，以太網網絡中的數據交換缺乏確定性。

　　到目前為止，以太網中的確定性數據交換，只能通過專有解決方案實現，但時間敏感網絡 (TSN) 旨在改變這一點。TSN 的重點是通過設計來實現以太網的確定性。

　　▎圖1 ：TSN 位于 ISO/OSI 模型的第 2 層。本文 圖片來源 ：PI 組織

　　什么是TSN ?

　　TSN 是指一組 IEEE 802 標準，它使以太網在默認情況下具有確定性。TSN 位 于 ISO/OSI 模型的第 2 層，并增加了一些定義來保證以太網網絡中的確定性和吞吐量。以下是構成 TSN 的一些 IEEE 標準 ：

　　? 增強同步行為(IEEE 802.1AS)

　　? 暫停( 搶 占 )長幀(IEEE 802.1- 2018)

　　? 調度流量增強功能(IEEE 802.1Q- 2018)

　　? 徑控制和帶寬預留(IEEE 802.1Q- 2018)

　　? 無縫冗余(IEEE 802.1CB)

　　? 數據流預留(IEEE 802.1Q-2018)

　　TSN 是從行業對音頻 / 視頻傳輸的使用以及對更多設備和同步通信的需求中演變而來的。現在，網絡上的設備比以往任何時候都多，更多的信息被分享和分析。

　　用于工業自動化的TSN

　　許多行業都需要確定性以太網，工業自動化就是其中之一。自動化行業一直在尋求解決方案來實現快速、確定性和穩健的通信。目前，有幾種專門的解決方案可以實現此目的，例如 Profinet IRT、Sercos III 和 Varan。TSN 可以推動在整個行業中實現標準化的實時以太網。

　　隨著工業 4.0 和工業物聯網 (IIoT) 的發展，使得在不斷增長的融合網絡中，網絡流量持續增加。這些網絡需要靈活性和可擴展性，以支持小型設備和大數據服務器系統，同時確保時間關鍵通信的有限延遲。TSN 計劃涵蓋所有這些要求，它將為確定性和非確定性通信的并發應用提供標準化的機制。

　　▎圖2 ：該圖說明了 Profinet over TSN和基于IP的協議(如 OPC-UA)之間的互補和協調作用的示例。

　　Profinet 網絡中的TSN

　　Profinet over TSN 具有融合、可擴展性和靈活性方面的優勢。用戶還可以繼續訪問所有現有的 Profinet 功能和配置文件。TSN 應用標準化的流量整理工具，以確保低延遲及必要時的確定性數據交換。

　　現有的非 TSN Profinet 設備，盡管可能無法從 TSN 中受益，但它們可以與新的基于 TSN 的 Profinet V2.4 硬件配合使用。底層 TSN 機制提供了更高的穩健性，該機制保護實時關鍵數據免受盡力而為的流量的影響。考慮到對數據量不斷增長的需求，在未來的工業 4.0 場景中，數據必須與時間關鍵數據并行傳輸，因此保護實時關鍵數據是一 項必不可少的功能。

　　Profinet over TSN 設計用于控制器到設備的通信。它最多可以處理 1024 個設備，周期時間為 31.25μs。OPC-UA 還可以使用當前和未來的 TSN 標準。PI 組織致力于將 OPC-UA 應用于控制器到控制器或控制器 / 設備到云的通信。在過程自動化、工廠自動化和運動控制領域，Profinet over TSN 被PLC、遠程傳感器、遠程 I/O、運動控制器和驅動器以及計算機數字控制器使用。

　　TSN 旨在將各種 IT 網絡與 Profinet 自動化網絡的穩健性和確定性相結合。簡而言之，它將。Profinet 使用以下 TSN 修正 ：

　　? 時間同步 802.1 AS

　　? 調度流量增強功能 802.1 Qbv

　　? 幀搶占 802.1 Qbu

　　? 穿插高速通訊 802.3 br

　　? 幀復制和消除可靠性 802.1 CB

　　? 固定和媒體訪問控制連接發現 802.1 AB

　　▎圖 3 ：為了獲得高精度， 必須減少測量線路和交換機 中的延遲。

　　Profinet over TSN 的 5 個原則

　　1數據流：通過網絡路由

　　當網絡中的兩個節點希望通過 Profinet over TSN 進行通信時，就會定義數據流。數據流描述從“發送方”到“接收方”的網絡路徑。數據流必須在路由上的所有交換機中注冊。數據流由目標 MAC 地址和用于優先級的虛擬局域網 (VLAN) 標記來定義。

　　2時間同步：精確時鐘

　　時間同步對于實現確定性至關重要。TSN 域中的所有設備都在一個共同的時間基礎上同步。“工作時鐘”是 TSN 域內調度流量和同步應用的控制時間參考。“通用時鐘” 還可用作系統和工廠范圍內的任務參考，例如按時間順序記錄事件。

　　3調度流量：根據時間表進行通信

　　Profinet IRT 調度所有同步流量。它創 建一個定義好的時間表，其中包含節點之間的所有傳輸和轉發時間。IRT 機制是有效的，但在融合網絡中，調度會變得非常復雜。因此，Profinet over TSN 不采用調度機制。它使用時間感知整形器(TAS)的概念。時間調度為幀的傳輸創建了一個重復的時隙模式(網絡周期時間)。為了確保可用性，高優先級的幀有一個持續活躍的隊列。此外，保護帶可防止幀進入下一周期時間。

　　4幀搶占：RT 中斷 TCP/IP

　　幀搶占與保護帶一起起著關鍵作用。所有實時幀都會在最優的 TCP/IP 幀之前進行排序。最優的流量從不延遲實時數據交換。此外，TCP/IP 幀被拆分和重新組裝，以最大限度地利用帶寬。

　　5無縫介質冗余

　　在設備或鏈路發生故障時，冗余可確保繼續傳輸。網絡設計者可以使用冗余數據流來創建設備之間的冗余網絡路徑。即使在設備或鏈路出現故障后，冗余數據流也可確保時間關鍵型通信的無縫銜接。

　　配置 TSN 域遵循即插即用概念，并使用 Profinet 工程工具。TSN 域特性(數據流路徑、VLAN 等)由網絡管理引擎 (NME) 設置和維護。NME 將成為支持 TSN 的 Profinet 控制器的一部分。它負責拓撲獲取、路徑規劃和網絡配置。首先，用戶在工程工具中設置特定的基于策略的網絡配置。然后，NME 使用這些規則來不斷地創建和塑造 TSN 域。