物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)，推動了經(jīng)濟各部門對網(wǎng)絡化、時間感知系統(tǒng)的需求。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的發(fā)展，使得通過分布式網(wǎng)絡收集的數(shù)據(jù)量大大增加，從而需要管理和傳輸關鍵和非關鍵信息的新方法。
對可靠性和安全性水平的需求正在增長，工程師正在尋找目前專用和隔離工業(yè)通訊標準的替代品。最新的IEEE 802.1時間敏感網(wǎng)絡（TSN）標準集，代表了標準以太網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢，旨在滿足這些新的市場需求。
圖1：TSN標準允許管理網(wǎng)絡通信以確保性能和數(shù)據(jù)傳遞。圖片來源：Avnu Alliance
工業(yè)控制應用需要實現(xiàn)從傳感器到控制器以及執(zhí)行器，一致且確定的數(shù)據(jù)傳輸。這些元件之間交換的數(shù)據(jù)，對于控制任何制造過程都至關重要，因此必須最大限度地減少對數(shù)據(jù)交換的干擾或阻礙。對于大多數(shù)自動化系統(tǒng)而言，這并不是一個問題，因為已經(jīng)通過獨立的網(wǎng)絡將控制數(shù)據(jù)從信息數(shù)據(jù)中分離出來了。
IIoT正在改變這一范式，因為制造商可以從控制過程中使用的傳感器和設備中尋求見解和分析信息。通過同一網(wǎng)絡傳送的數(shù)據(jù)總量增加。某些數(shù)據(jù)對于控制系統(tǒng)至關重要，而其它數(shù)據(jù)對于信息和分析系統(tǒng)則至關重要。
在網(wǎng)絡基礎結構中，TSN是確保控制數(shù)據(jù)流量具有足夠帶寬的一種途徑，它還允許非關鍵數(shù)據(jù)流量在同一網(wǎng)絡上傳輸。TSN提供了實現(xiàn)同一物理網(wǎng)絡上不同數(shù)據(jù)流量匯聚的工具，從而降低了基礎架構的成本。
控制關鍵流量
TSN是IEEE引入的以太網(wǎng)標準的集合，該標準定義了一組用于管理流量的新機制，為以太網(wǎng)網(wǎng)絡定義了新功能，例如流量塑形、幀搶占、流量調度、入口策略和無縫冗余。當網(wǎng)絡的所有部分都以相同的時間基準運行時，可以根據(jù)計劃表來協(xié)調流量，該計劃可以更好地控制關鍵流量。
這些功能為管理以太網(wǎng)流量提供了新的控制層。但是，從業(yè)務角度來看，TSN是否值得投資？在應用到復雜系統(tǒng)的標準中，如果TSN代表了該標準的另外一層，那么TSN如何能為最終用戶創(chuàng)建一個更簡單的系統(tǒng)？
TSN標準旨在促進系統(tǒng)級配置，并且在創(chuàng)建時就從系統(tǒng)的角度，而不是從組件的角度出發(fā)。TSN使終端站可以在網(wǎng)絡上發(fā)布需求，并允許系統(tǒng)中的網(wǎng)橋和交換機向更廣泛的網(wǎng)絡發(fā)布其功能。
例如，“P802.1Qcc–流預留協(xié)議（SRP）增強和性能改進”規(guī)范是一種機制，旨在使網(wǎng)絡基礎架構在系統(tǒng)級別上更智能，并傳達信息以便將控制面板從手動配置轉換到自動化工作流程。
在這個未來的體系結構中（如圖2所示），可以向用戶提供系統(tǒng)視圖，允許配置輸入/輸出（I/O）和控制設備，以及拓撲和基礎結構設備的布局。TSN價值主張的核心原則是對所有網(wǎng)絡通信進行管理，從而確保性能和數(shù)據(jù)傳遞。為此，所有設備都需要通過發(fā)布或通知系統(tǒng)對流量的需求及其管理流量的功能，來參與流量規(guī)劃。在此示例中，使用集中式網(wǎng)絡配置引擎來配置系統(tǒng)。在分布式模型中，使用數(shù)個域管理器來運行系統(tǒng)。
圖2：該圖展示了TSN支持的系統(tǒng)層配置，允許配置I/O和控制設備的拓撲布局。
讓系統(tǒng)更智能
在未來，集中式網(wǎng)絡配置將成為一種智能工具，它可以從TSN標準中收集和傳達信息。它可以計算出最佳的解決方案，以適應網(wǎng)絡中所有連接之間的所有數(shù)據(jù)流量。系統(tǒng)清楚可用帶寬，并在網(wǎng)絡（網(wǎng)橋）中配置基礎結構組件，以容納流量。如果系統(tǒng)無法解決滿足性能要求和子網(wǎng)中流量負載的配置，它將通知用戶，以便可以修改拓撲、性能要求或負載。
TSN使運行計算成為可能，這有助于實現(xiàn)或預測給定應用程序的網(wǎng)絡設計是否成功。TSN可以使由于操作完整性、實時性、安全性等原因而分開的網(wǎng)絡和系統(tǒng)融合在一起。打破關鍵系統(tǒng)和非關鍵系統(tǒng)之間的通信障礙，這也是實現(xiàn)IIoT和工業(yè)4.0的基礎。借助TSN和時間同步功能，無論對環(huán)境有多苛刻，都可以隨時隨地從邊緣實時數(shù)據(jù)中獲取洞察信息。選擇TSN可以改變工業(yè)模式，在平臺上構建一個更加融合和確定性的網(wǎng)絡，以保護長期投資。TSN及其附屬的智能軟件，為智能系統(tǒng)提供了配置網(wǎng)絡基礎結構的能力。借助TSN的網(wǎng)絡智能，系統(tǒng)將變得更自動化，并且不再需要人工干預。
工業(yè)中應用TSN的好處
由TSN基礎架構提供的數(shù)字技術可以縮短運營交付周期，提高系統(tǒng)可見性，并提高資產(chǎn)利用率。這些好處可以通過對未來系統(tǒng)進行驗證來為進一步的改進鋪平道路，其中包括：
●易于網(wǎng)絡配置：現(xiàn)在，技術人員必須在常規(guī)網(wǎng)絡上手動配置每個網(wǎng)絡設備。TSN可以通過智能配置工具進行自動配置。網(wǎng)絡了解實現(xiàn)所需性能必須執(zhí)行的動作，并根據(jù)需要打開和關閉特定服務。TSN所要求的用于全網(wǎng)配置和調試的標準化方法，也為離線仿真以及網(wǎng)絡和體系結構建模提供了途徑。
●安全網(wǎng)絡：安全性對于工業(yè)自動化和控制網(wǎng)絡至關重要。由于TSN是標準以太網(wǎng)，因此控制網(wǎng)絡可以利用數(shù)十年來在以太網(wǎng)內發(fā)展起來的最佳安全實踐。TSN還通過精確的計時機制，為數(shù)據(jù)添加了一層安全保護，該機制有助于及早發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡漏洞。
●降低系統(tǒng)成本：TSN允許在一個網(wǎng)絡上融合不同類型的流量，從而降低總體系統(tǒng)成本。由于系統(tǒng)需要較少的設備和電纜，因此還可降低硬件和維護成本。
●未來的網(wǎng)絡增強功能：TSN是以太網(wǎng)系列標準的一部分，這意味著該技術不會限制帶寬和其它性能標準。可以將新節(jié)點添加到網(wǎng)絡并通過標準網(wǎng)絡協(xié)議發(fā)現(xiàn)新增節(jié)點。
由于這些原因，TSN成為構建未來智能網(wǎng)絡的一個重要平臺。TSN有助于構建更加融合和確定性的網(wǎng)絡系統(tǒng)，從而保護企業(yè)的長期投資。
（作者：Anil Kumar）