TSN：從汽車AVB到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的途徑

時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的持續(xù)發(fā)展已導致IEEE 802.1和IEEE 802.3標準發(fā)生重大更新。TSN本質(zhì)上是一個確定性以太網(wǎng)擴展集，同時也是音頻視頻橋接(AVB)的后繼者——最初設(shè)計用于支持專業(yè)音頻和視頻環(huán)境(如現(xiàn)場DJ演出)中的實時媒體流傳輸?shù)腎EEE項目。

但是，AVB引起了汽車制造商的注意，由此便播下了萌發(fā)TSN的種子。人們對未來汽車的先進性已期許良久，設(shè)想其將具備高速IP網(wǎng)絡(luò)連接、智能自動駕駛員輔助/制動系統(tǒng)、信息娛樂門戶、簡化的內(nèi)部線束以及更輕的總重量。推動這些特性實現(xiàn)的過程也為工業(yè)自動化行業(yè)帶來了許多額外好處。

利用以太網(wǎng)創(chuàng)建一種融合的IEEE 802規(guī)范是消除各種障礙的最顯而易見的解決方案。更具體而言，汽車行業(yè)可以使用確定性以太網(wǎng)來克服有限的車載帶寬，而不需要求助繁雜的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(例如FlexRay、LIN和MOST)來將汽車的各種系統(tǒng)連接在一起。

把上述句子中的車載部分及其對汽車專用協(xié)議的引用去掉，您就能大致感受到隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(或工業(yè)4.0)日益受到關(guān)注，汽車行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)。

1.支持混合流量

以太網(wǎng)已被當作一種通用汽車網(wǎng)絡(luò)，它可以簡化車內(nèi)不同的域架構(gòu)。通過TSN，以太網(wǎng)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中可以發(fā)揮類似的作用，處理自動化和控制系統(tǒng)、電力設(shè)施、風力渦輪機、印刷機器中的混合流量1。

TSN擅長傳輸帶時間戳的延遲敏感數(shù)據(jù)，無論同一網(wǎng)絡(luò)上是否可能存在任何“盡力而為”流量。這對以太網(wǎng)來說至關(guān)重要，因為相比以前的僅承載實時數(shù)據(jù)而沒有混雜多種協(xié)議的自動化網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)的噪聲要高得多。

TSN設(shè)計用于處理多種流量類型。

2.提供互操作能力

使用大批量生產(chǎn)的標準器件非常重要，尤其是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)中，原因是規(guī)模和成本這樣的核心問題阻礙了當前很多網(wǎng)絡(luò)方法。

依靠特殊的基于ASIC的工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)方案和/或傳統(tǒng)現(xiàn)場總線(包括但不限于汽車所用的現(xiàn)場總線，例如CAN)，在擴展性或性價比方面要劣于僅僅依靠商業(yè)芯片的方案，后者還能支持常規(guī)HTTP接口、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和診斷2。TSN有助于降低成本并為未來擴展打開方便之門。

3.確保嚴密同步

AVB演變?yōu)門SN是為了處理要求特別嚴苛的應(yīng)用，例如高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS) 3。ADAS需要多個系統(tǒng)協(xié)同工作才能解決制動距離與人類反應(yīng)時間問題。

TSN有多種機制來確保類似環(huán)境(例如IIoT)下的確定性：

u 對精密時間協(xié)議的改進

u 任何數(shù)據(jù)流都有冗余路徑可用

u 以較低的帶寬通過以太網(wǎng)將服務(wù)質(zhì)量融合到TSN上

(不影響實時保證)

u 保留帶寬——這是從AVB繼承過來的一個核心特性，用于確保確定性性能

4.提供足夠的帶寬

相對于傳統(tǒng)串行現(xiàn)場總線，即從PROFIBUS®到Modbus®的一切，以太網(wǎng)有一個決定性優(yōu)勢，那就是它能為所有類型的應(yīng)用提供更多的帶寬。特別是在汽車中，CAN的有限數(shù)據(jù)速率和容量使其不適用于下一代車載應(yīng)用，這就為以太網(wǎng)(以AVB的形式)打開了大門。

“機器視覺和3D掃描等應(yīng)用需要大量帶寬。”

對于控制系統(tǒng)中仍在使用的許多現(xiàn)場總線而言，情況也是如此。機器視覺和3D掃描等應(yīng)用越來越重要，這些應(yīng)用需要大量帶寬，以太網(wǎng)上的TSN可以滿足需求。

5.使網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施更簡單

TSN旨在提供一種統(tǒng)一且易用的實現(xiàn)確定性以太網(wǎng)的方法。它不依賴多種基礎(chǔ)設(shè)施來處理不同類型的流量，一切都可以通過以太網(wǎng)傳輸。

AutomaTIon World的David Greenfield于2015年主持了一個播客節(jié)目，其中雖然沒有專門提到TSN，但很好地介紹了以太網(wǎng)相對于現(xiàn)場總線的一般優(yōu)勢4。以太網(wǎng)POWERLINK®標準化組織的嘉賓Sari Germanos談到了復雜應(yīng)用(如上一節(jié)中提到的那些)如何突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制。

TSN形式的以太網(wǎng)已經(jīng)在解決汽車中的這個問題。最近EE TImes的一篇文章討論了如果不必支持傳統(tǒng)技術(shù)，就可以重新安排車輛中的不同域架構(gòu)。以太網(wǎng)將充當“連接各種應(yīng)用域的骨干總線”，從而更好地利用帶寬。對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，它同樣適用5。

NaTIonal Instruments的AVnu Alliance工業(yè)部門主席Todd Walter在Design World上發(fā)表的文章中稱：“隨著(工業(yè))物聯(lián)網(wǎng)的普及，數(shù)據(jù)量的增加和分布廣泛的網(wǎng)絡(luò)將需要新的標準來共享和傳輸關(guān)鍵信息2。正如救護車或消防車在緊急情況下?lián)碛薪煌▋?yōu)先權(quán)一樣，TSN標準可確保關(guān)鍵的時間敏感數(shù)據(jù)在標準網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上及時傳輸。”

TSN不再只是一個理想化項目，而是已成為被行業(yè)組織認證的廣泛使用的標準。上面列出的幾點表明它已擁有強大的技術(shù)基礎(chǔ)。接下來要觀察的是其測試和部署如何展開。

2016年2月下旬，Bosch Rexroth、Schneider Electric、NaTIonal Instruments和Kuka宣布他們將聯(lián)手開發(fā)全球首個TSN測試平臺6。該測試平臺旨在將不同業(yè)務(wù)流量整合到以太網(wǎng)TSN網(wǎng)絡(luò)上。它將測試TSN的多供應(yīng)商互操作性，以及其安全特性、性能、延遲、與基于云的控制系統(tǒng)的集成。

National Instruments主持測試平臺開發(fā)工作。其高管之一Eric Starkloff評論說，TSN是“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的必要條件”，并強調(diào)其從專業(yè)視聽技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的融合式確定性以太網(wǎng)，可謂進步驚人。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的范圍可能極為廣大，但許多企業(yè)在理解和利用其優(yōu)勢方面仍有很長的路要走。一個成熟和廣泛采用的TSN將有助于他們達成目標。