Thomas Brand ADI公司

關(guān)于以太網(wǎng)的討論引發(fā)業(yè)界對安全數(shù)據(jù)傳輸和實時性的需求不斷增長。這涉及到時間敏感型網(wǎng)絡(TSN)——在IEEE 802時間敏感性網(wǎng)絡工作組(TSN TG)框架內(nèi)開發(fā)的幾個子標準的組合。其目標是將傳統(tǒng)以太網(wǎng)與工業(yè)通信所需的實時功能相結(jié)合，從而使所有工業(yè)通信建立在一個統(tǒng)一基礎(chǔ)上。在這里，有保證的延遲和相應的確定性是關(guān)鍵參數(shù)。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)對此已無能為力，尤其是在高網(wǎng)絡負載下，因為傳統(tǒng)交換機通常在看到消息之前、在消息前往目的地之前以及在轉(zhuǎn)發(fā)消息時緩存消息。然而，新的應用需要能夠以快得多的速度更準確地控制帶寬分配的技術(shù)，尤其是在當今物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0時代。未來，TSN或其子標準將使傳統(tǒng)以太網(wǎng)具備實時特性成為可能，即便數(shù)據(jù)傳輸速率達到GSPS范圍。除了實時能力和確定性之外，TSN還有另一項巨大技術(shù)優(yōu)勢。網(wǎng)絡擴展能力使得TSN能以10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps或10 Gbps的速率運行。

但是，這需要細致（因而更復雜）的網(wǎng)絡配置。1 Gbps及以上的傳輸速率是當今網(wǎng)絡的邏輯演進。1 Gbps為新型（物聯(lián)網(wǎng)）應用開辟了道路，有助于克服數(shù)據(jù)密集型應用中的性能瓶頸。但是，只有當終端和以太網(wǎng)交換機均支持TSN功能時，TSN作為一個系統(tǒng)才能發(fā)揮全部效用。TSN功能和標準如圖1所示。

圖1. TSN標準

由圖示子標準組成的完整TSN包目前尚未完成。圖1中突出顯示的兩個子標準IEEE 802.1AS-REV（時間同步）和IEEE 802.1Qcc（流預留），仍在IEEE 802.1時間敏感性網(wǎng)絡工作組內(nèi)部討論。很難估計這些開放的子標準將于何時完全厘定。但是，這項工作應該在2019年中期之前完成。盡管如此，即使在TSN標準的當前狀態(tài)下，標準以太網(wǎng)的一個上兼容的發(fā)展版本也已根據(jù)IEEE 802.1創(chuàng)建出來。例如，最近被采納的子標準提供了一種用于同步整個網(wǎng)絡中分配的時鐘信號的互操作方法。同時，這些子標準支持在其他設(shè)備也使用的共享傳輸介質(zhì)上實現(xiàn)確定實時性。因此，TSN調(diào)節(jié)ISO/OSI參考模型第2層中的數(shù)據(jù)通信（參見圖2）。

圖2. ISO/OSI參考模型

嚴格地說，TSN代表以太網(wǎng)中支持實時性的第2層，但不是完整的實時協(xié)議。也就是說，TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的以太網(wǎng)協(xié)議。相反，這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議長期而言將支持第2層TSN，因此傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會消失，但未來將建立在TSN之上。但是，現(xiàn)場總線則可能會被以太網(wǎng)永久性取代。

為了能夠在未來支持所有這些工業(yè)標準，業(yè)界需要用戶專用ASIC形式的特殊且靈活的硬件。這方面的一個范例是ADI公司精致的多協(xié)議芯片解決方案fido5000。TSN所需的硬件已集成到此以太網(wǎng)交換芯片中。一旦所有子標準都已完全明確，通過固件更新即可輕松調(diào)適此芯片。因此，它已為TSN做好準備。

圖3. fido5000支持的TSN標準

然而，為使從標準工業(yè)以太網(wǎng)應用到TSN的過渡循序漸進展開且盡可能簡單，標準化組織為現(xiàn)有工廠如何適應基于TSN的新設(shè)備提供了一些模型。這涉及使用ISO/OSI參考模型的統(tǒng)一層1、2和3，從而支持在可擴展性和性能方面采用全新方法。但是，這要求整個網(wǎng)絡及其所有組件（如交換機）支持各種通信協(xié)議。如此就能實現(xiàn)統(tǒng)一的確定性基礎(chǔ)設(shè)施，TSN網(wǎng)絡即可發(fā)揮其相對于傳統(tǒng)標準以太網(wǎng)的優(yōu)勢。

但是，由于完整TSN標準尚未完全確定，許多公司目前不愿意實施TSN。轉(zhuǎn)換可能需要一些時間，不過終端已經(jīng)可以從TSN網(wǎng)絡中獲益，因為現(xiàn)有TSN交換機已經(jīng)提供確定性和實時能力。所以，TSN將成為未來的以太網(wǎng)標準是毫無疑問的。唯一未決的問題是完整TSN包將于何時準備就緒，并在行業(yè)中找到合適的應用。