時間敏感型網絡：為具有多種網絡流量的IIoT環境配置的解決方案

　　設想一下當您在一個工廠里面，周圍的機械、輸送系統和工件不斷地相互通信，以提升自動化、靈活性和效率。像這樣的智能工業生產環境場景可能聽起來有點科幻，實際上它的第一步，即互聯工廠，正在迅速成為常態。

　　在我們熟知的工業物聯網（IIoT）中，每個應用場景都有賴于輔助通信網絡在可靠和可預先計算的時間框架內向目標發送信息并接收其響應的能力。隨著越來越多的企業采用聯網設備并依賴智能化的工廠場景，連接的問題（工廠運動部件之間的物理碰撞）和網絡傳輸延遲的可能性將會增大。在運動控制場景中，即使設備之間數據信號的延遲僅為一毫秒，也會對生產線造成嚴重的破壞，給企業造成數百萬美元的損失。

　　由豐富的數據流帶來的新的挑戰

　　速度、實時的通信和真正的確定性對于當今工業應用的成功至關重要。隨著IIoT的興起和相應的數據涌入，我們發現流量和帶寬問題變得越來越突出。自動化網絡在一定程度上始終存在著實時的要求，但是隨著現場層面接入的傳感器越來越多，可用帶寬和不同流量類型共存成為工廠骨干網絡上行信道的一個重要問題。當時間關鍵型流量和后臺流量共享相同的網絡基礎設施時，標準以太網就無法提供可靠的實時保證。

　　電氣和電子工程師協會（IEEE）目前正在參與開發時間敏感網絡（TSN），它是一種新穎的技術，旨在通過容錯機制以及時間關鍵型流量和背景流量的共存方法，提高標準以太網的可靠性。

　　TSN可為標準IEEE 802.1和802.3以太網提供全新水平的確定性。在IIoT應用中工作的自動化網絡設計人員能夠更加簡便地擴展工藝流程，更好地提供實時的信息，并且能夠傳輸和充分利用其以太網的可用帶寬，而不用擔心時間關鍵型通信出現中斷情況。

　　TSN尋根問底：網絡設計人員必須掌握的情況

　　TSN包含一系列的標準和機制，能夠滿足確定性數據傳輸的各種要求。我們必須通過一種標準的配置方式，在網絡及各種網絡設備上實施這些不同的機制。

　　IEEE提出了三種不同的TSN配置模式，目前均處于標準化的過程中。每一種模式在網絡基礎設施要求的傳達和處理方面有著細微的差別：

　　?集中模式：在邏輯化的集中配置情況下，送話器和受話器通過直接的端到端連接進行通信。集中網絡配置（CNC）基于網絡拓撲上的信息和已分配的預留資源計算新數據流的時隙，然后對有關的網絡參與者進行相應的配置。

　　?分散模式：與集中模式全然不同的是，分散模式通過網絡分發終端設備要求。TSN機制的常見配置基于每臺設備的本地信息。終端設備向第一臺網絡設備（交換機）提交其要求，然后通過該設備將信息分發至網絡的其余部分。

　　?混合模式：這種模式將集中模式和分散模式結合在一起，并保留了終端設備向第一臺以太網交換機提交要求的概念。實際的TSN配置以集中的方式進行，因為第一臺交換機可將要求轉發至CNC。這種方法的優勢在于，終端設備只需要支持單一的配置協議，而網絡能夠以集中或分散的方式進行管理。

　　這三種模式的共同之處在于自動化的配置，它可以確保TSN網絡的處理能夠保持可管理性。

　　基本的TSN配置過程：它是什么樣子的

　　要想配置網絡，就必須確定并激活必要的TSN機制。發送設備或“送話器”公布它所希望發送的數據流的有關信息，其中包括各種識別特征，例如：流組播媒體訪問控制（MAC）地址和服務類型優先級。稱為“受話器”的終端設備若對數據流感興趣，便可在上述信息的幫助下，注冊并接收該數據流的相關數據包。需要配置哪些TSN機制取決于有待發送的數據流的要求，以及傳輸路徑上所有以太網交換機的功能。

　　TSN的組件：設計人員需要什么才能夠打造出一個成功的網絡

　　TSN為基于以太網的數據通信增添了一定水平的確定性，甚至能夠滿足現代控制網絡的最高要求。TSN擁有各種強大的組件，正是它們使得TSN能夠在工業應用中大獲成功：

　　1.時間感知調度器：根據IEEE 802.1Qbv的要求，TSN的核心組件之一“時間感知調度器（TAS）”引入了一種可能性，即基于服務類型（CoS）優先級和傳輸時間來調度常規以太網幀的數據傳輸。它可以保證在界定的時間點進行數據的轉發和交付。

　　TAS將時間分成等長的離散片段，稱為周期，這樣就能夠按照實時的要求為數據包的傳輸提供專門的時隙。

　　2.盡力而為（Best Effort）以太網流量：在TAS的輔助下，我們可以暫時中斷常規盡力而為以太網流量的傳輸，以便在為高優先級流量保留的時隙內轉發時間敏感型數據流量。TAS允許對常規盡力而為數據流量的周期性實時數據進行優先級排序，以便只有實時數據包才能夠在為高優先級流量保留的時隙內訪問網絡媒體。

　　TAS利用以太網報頭的虛擬局域網標簽中的服務類型優先級來區分高優先級流量和后臺流量。

　　3.門控列表：門控列表確定在周期內的特定時間點允許發送哪個流量隊列。該組件可以顯示特定條目將處于活動狀態的時間長度，它是TAS的重要組成部分，可以在每臺網絡設備的每個端口上進行配置。

　　4.隱式保護帶：該保護帶與TAS一起引入，它能夠在傳輸門關閉之前將數據包的傳輸抑制最大尺寸以太網幀的持續時間，并防止傳輸可能侵入后續時隙從而破壞實時保證的盡力而為以太網幀。當使用存儲—轉發切換功能時，我們可以先考慮準備傳輸的數據包的長度，然后再決定是否在傳輸門關閉之前開始發送。

　　5.精確時間協議：時間同步對于TSN網絡來說是一項強制性的要求。所有網絡設備如果沒有對時間的統一理解，TAS等調度機制就無法發揮作用，因為時隙也需要同步。TSN可以利用任何方法進行時間同步，但是根據IEEE 1588的要求，精確時間協議是自動化網絡分發時間的推薦解決方案。

　　6.流量整形器：流量整形器是優先級排序機制，它允許保留最大的帶寬，以便在界定的觀察時段內傳輸時間敏感型數據。隨后，有待傳輸的數據流量由相應的流量整形器轉換成為某種類型和形式，從而保證達到一定的延遲限制。TSN及其前身技術“音頻視頻橋接（AVB）”目前給出了三種整形器，有的已經全面規范化，而有的正在進行標準化：

　　?IEEE 802.1Qav—來自于AVB技術的基于信用量的整形器（The Credit-based shaper）可以保證在觀察時段內為音頻/視頻傳輸提供最大所需帶寬，而同時傳輸的盡力而為數據流量不會發生明顯的中斷情況。不過，這種整形器無法給出精確的時間保證。

　　?IEEE P802.1Qch—循環隊列和轉發整形器（The Cyclic queuing and forwarding shaper）對傳輸的時間精度要求顯著降低。這種流量整形器的作用是收集一個周期內通過保留帶寬接收到的數據幀，并在下一個周期開始時作為“優先”流量發送。舉例來說，它非常適用于過程自動化中發生的循環數據傳輸。

　　?IEEE P802.1Qcr—異步流量整形器（The Asynchronous traffic shaper）不需要時間同步機制，因此最適合于時間同步本身所需的優先數據包傳輸。

　　正在開發中的其他新機制，如IEEE P802.1Qci，允許丟棄分配給錯誤時隙的數據幀。它還允許監管和丟棄使用超過其預留帶寬的實時數據流。

　　TSN：IIoT應用的未來和高效的生產

　　隨著TSN的不斷發展，它必將帶來標準化的、普遍可互操作的以太網，這些網絡可以提供可計算的、有保證的端到端延遲，高度有限的延遲波動，以及極低的丟包率。這些優勢對于IIoT應用來說是無價的，并且在實施實時以太網時能夠節約成本和保障安全。

　　有些TSN標準仍然處于標準化的過程中，而有些TSN標準（如TAS）已經制定完成。由于IEEE802.1采用模塊化的方法，所以通過目前可用的TSN機制安裝和實施的各種網絡將來仍可以使用。對于在IIoT應用中工作的網絡設計人員來說，重要的是了解TSN是什么以及如何實現這種網絡，這樣才能夠做好準備工作，以便迎接工業網絡的未來，其實這個未來并不遙遠，只是許多人都還沒有意識到而已。