來源：TSNLAB 微信公眾號

 

　　在所有TSN的潛在應用場景中，工業無疑是關注范圍最廣、討論熱度最高的一個場景。關于“TSN for Industrial Automation”這個話題的“為什么”、“是什么”和“怎么干”，也有非常多的聲音和觀點。筆者關注這個領域5年了，但是也自認無法通過一篇文章講透其中事由。當然，我還是希望本著“盡量只講事實，以及少量的基于事實可以通過簡單推理而得到的判斷”的原則，來寫一篇軟文，僅代表個人觀點，供大家參考。

　　本文的目錄：

　　•WHY - 為什么需要TSN；各巨頭對TSN的態度；工業用戶對TSN的態度。

　　•WHAT - TSN具體用在哪里（工業網絡層次的維度、場景維度）？

　　•HOW - 可能要用到TSN的哪些子技術來構建方案？

　　為什么需要TSN？

　　簡單的回答是：傳統的以太、IP技術能為用戶提供低成本、大帶寬的解決方案，產業鏈和生態圈成熟而開放，但不能保障網絡傳輸性能，尤其是有界時延；當前在工業網絡中廣泛應用的各種工業以太協議，經過定制化的改良，能夠提供滿足相應要求的時延性能保障，但是帶寬相對受限，技術互通性、可擴展性差。TSN作為由IEEE 802.1工作組進行標準化定義的一系列技術集合，可以實現兼具上述兩者之長的網絡方案。

　　

　　各巨頭對TSN的態度是什么呢？我們主要看西門子、羅克韋爾、倍福、貝加萊、三菱這幾家。

　　早在2016年，由貝加萊（B&R）和TTTech發起了一個倡議OPC UA TSN的組織，后來被稱作“Shapers”。到2018年，已經有很多工業界的大公司加入了“Shapers”（下圖）。POWERLINK是由貝加萊主推的工業以太協議，但是由于種種原因，POWERLINK總體的市場份額十分一般，而技術上的部分優勢特點也不足以顯著壓制其它競爭技術。從明面上看，貝加萊參與OPC UA和TSN相關的產業活動是比較積極的。由此推測，利用OPC UA TSN實現對PROFINET等競爭方案的“彎道超車”，至少是貝加萊考慮過或正在考慮的戰略。

　　

　　上面圖片中并沒有西門子（Siemens），不過2018年的漢諾威展上西門子也做了TSN的展臺。從2019年開始，在IEC IEEE 60802的TSN for 工業自動化的標準項目中，西門子的參與度一躍成為TOP1。2019年下半年發布的PROFINET v2.4支持了TSN，我們也能在各種地方看到西門子宣傳PROFINET TSN。筆者推測，西門子作為一個綜合實力全面而強勁的工業巨頭，是有自信和能力親自下場做好業界熱點技術，為用戶提供多一種的可選方案，從而也能更好的維護自己的商業利益。

　　羅克韋爾（Rockwell）主推的EtherNet/IP（即EIP），對標準以太和IP的良好兼容性一直是其宣傳點之一。2018年開始，羅克韋爾和思科，還有曾經的工業互聯網聯盟（IIC，Industrial Internet Consortium），都參與過TSN的產業活動或搭建TSN測試床。不過近兩年，筆者對北美生態圈的關注度降低，能獲取的信息也減少了。

　　倍福（Beckhoff）主推的EtherCAT在近幾年突飛猛進，一方面是其“on the fly”的技術非常適合高精度運動控制場景，另一方面也和其商業模式有關。僅就技術而言，俗話說魚和熊掌不可兼得，EtherCAT在拓撲靈活性上有劣勢，當承載的數據量增加時，其技術優勢也會顯著劣化。TSN剛好能解決這個問題，ETG（EtherCAT Technology Group）也發布了EtherCAT TSN白皮書，網上都能搜到。里面描述了把TSN網絡放在EtherCAT主站和從站之間的使用場景。雖然如此，筆者認為從技術上，相比于其它工業以太技術，EtherCAT和TSN還是比較明顯的處在競爭關系上的。

　　三菱屬于在“做”的方面最主動的，已經發布了CC-Link IE TSN產品。

　　

　　工業用戶對TSN的態度其實是更加重要的。例如（泛）制造行業的關鍵是制造，制造需要解決各種各樣的問題，而什么技術能用，并且綜合考慮成本低、效果好，那用戶就用什么技術。都說智能制造時代（或者工業4.0也好，工業互聯網也好）和傳統制造的一大不同在于，傳統制造是大批量、低成本，而智能制造增加了定制化生產的需求。一方面，TSN的愿景是伴隨著智能制造新時代，將工業網絡側大一統，同時技術上支持自動配置、流量混合承載，看起來一定是能為用戶降本增效的。另一方面，即使用戶認可TSN的好處，但在當下，大多數用戶并沒有對TSN有強需求，或者說TSN所能帶來的好處并不足以彌補嘗試新技術所帶來的不確定性。作為TSN行業的從業者，深感還有很多工作要做。

　　TSN具體用在哪里？

　　從工業網絡層次上，首先分層沒有明確的標準，常用的有從上往下Level 5到Level 0的說法，也有生產線、生產模塊、生產單元等說法。下圖給出一種概括性的描述（來自IEC IEEE 60802 use case文檔）。

　　

　　同樣在該文檔中，還有下面這樣一張圖，從上到下都有TSN域。在2018-2019年，筆者聽到比較多的聲音是，看好TSN首先用在Production Line和Production Cell層，這里主要涉及的時間敏感業務是所謂C2C（Controller-to-Controller）通信。后來，越來越多的聲音也開始討論TSN進入最下面的Machine層，例如PLC和伺服驅動器、IO站之間的通所謂C2D（Controller-to-Device）通信。至于最上層，相對屬于IT的領域，也可以視情況決定是否使用TSN。從ICT廠商的視角，肯定是希望構建以太IP從頂到底的工業網絡，為OT用戶提供更好的網絡基礎設施服務，有種OT over ICT的感覺。

　　

　　場景維度上，我比較推薦一種分類方法，把工業自動化分成過程自動化（process automation）、離散控制（discrete control）、運動控制（motion control），通信周期越來越短，數據量也越來越少。不同的工業垂直行業，至少都涉及這里面的一到兩種場景（比如化工行業，過程自動化多一些；汽車、半導體制造等行業，離散控制和運動控制多一些）。TSN強大的技術集合的價值在這里就體現出來了，多種時延相關的機制可以適配不同場景下通信周期（時延）和數據量（帶寬）的差異化需求。

　　

　　最后是TSN怎么用在工業網絡上。看過TSNLAB中TSN技術-資源管理那篇文章的讀者一定記得TSN方案有個重要的底層邏輯：分三步走的資源預留工作，如下圖上半部分所示。之后，就是下半部分的、使用怎樣的TSN調度方案了。現在普遍認同的一種用法是，通過TSN時間門控TAS的機制，為關鍵控制流量規劃好專屬時隙；然后把剩余時隙給需要時延保障、但要求沒有那么高的流量，并且使用CBS或ATS等整形技術，即保證這些流量的時延得到滿足，又可以讓剩余的“盡力而為”轉發的流量復用剩余帶寬。這就是TSN混合承載不同流量并實現按需差異化服務的一個案例。如果鏈路速率比較低，或應用對低時延的需求顯著，也可以考慮使用幀搶占技術。

　　

　　目前的IEC IEEE 60802標準正在制定兩種一致性等級（Conformance Class）。等級A對設備的要求高一些，比如必須支持Qbv時間門控的能力；等級B就低一些，畢竟不是所有場景都對網絡有高要求。而且很多TSN特性被定義為可選（Optional）。也許有一天，TSN在人們眼中，不再是硬件成本高、技術復雜的高科技，不再給人一種“TSN很好，但我有點望而卻步”的感覺。使用TSN，就和使用IEEE 802.1Q中定義的VLAN、生成樹協議等一樣，如呼吸般流暢自然并且理所當然。那時候，工業設備商、集成商、用戶紛紛擁抱TSN，才會是順理成章的事情。

　　注：所謂工業“七國八制”，目前應用和網絡兩部分都是“七國八制”。TSN只能解決網絡的部分，比如把“PROFINET over PROFINET RT/IRT”、“CIP over Ethernet/IP（EtherNet/IP） or ControlNet or DeviceNet”、“CANopen over EtherCAT”、“CANopen over Ethernet（POWERLINK）”、“Modbus over TCP/IP/Ethernet（Modbus TCP）”等等，全部統一成XXX over TSN（這里也包括OPC UA over TSN）。