為工業(yè)網(wǎng)絡“筑路”

今天，我們這個世界的運行對于“數(shù)據(jù)”的依賴越來越強。數(shù)據(jù)不僅僅為我們的行動提供參考依據(jù)，有時還會直接參與決策，向機器發(fā)出指令，而且這樣的場景正在滲透進一些更為“關鍵”的領域，比如工業(yè)制造。

所謂“要想富，先修路”，現(xiàn)實世界中交通的改善會提高人流、物流等生產(chǎn)要素的流通效率，進而提振整個經(jīng)濟系統(tǒng)的發(fā)展。同樣的道理，在虛擬的數(shù)字世界也適用——我們只有為數(shù)據(jù)的流通提供一個高效的網(wǎng)絡，才能釋放出其巨大的能量?？刹恍业氖牵@樣的網(wǎng)絡，在以往的工業(yè)領域并不那么暢通。

為工業(yè)網(wǎng)絡“筑路”

為工業(yè)領域的數(shù)據(jù)交互“筑路”的想法，其實早已有之。上個世紀70年代，隨著可編程邏輯控制器（PLC）和自動化技術的發(fā)展，對生產(chǎn)設備進行分布式控制逐漸成為剛需，由此催生了工業(yè)現(xiàn)場總線，將以往彼此孤立的設備聯(lián)通起來。正如每個技術在發(fā)展初期都會經(jīng)歷一個標準叢生的“戰(zhàn)國”時代，工業(yè)現(xiàn)場總線也不例外，而且由于工業(yè)領域獨特的“垂直化”的生態(tài)結構，導致這些標準直至今日也沒能統(tǒng)一起來，這也使得數(shù)據(jù)的流通被局限在了有限的范圍內(nèi)，對于工業(yè)網(wǎng)絡的擴展和彼此之間的數(shù)據(jù)共享非常不利。

這種標準林立、彼此割據(jù)帶來的“痛點”，隨著工業(yè)網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，也變得越來越“痛”。于是，在21世紀初，人們推出了“工業(yè)以太網(wǎng)”。顧名思義，工業(yè)以太網(wǎng)就是將“統(tǒng)一”了IT領域的以太網(wǎng)架構，引入到工業(yè)領域，統(tǒng)一采用標準以太網(wǎng)介質，也以此為契機實現(xiàn)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層上標準的統(tǒng)一。

這個理想看上去很美，但是需要注意的是，工業(yè)以太網(wǎng)前面仍然被冠以“工業(yè)”二字，這是因為其與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術是不同的。標準的以太網(wǎng)采用的是載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）的機制，當兩個數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)生沖突時，必須延遲一定時間后重發(fā)報文，如遇到網(wǎng)絡擁堵，有的報文可能長時間無法發(fā)送出去。所以從本質上講，以太網(wǎng)是一個對時間不敏感、不確定性的網(wǎng)絡。而工業(yè)自動化控制，優(yōu)先考慮的就是實時性，以確保數(shù)據(jù)報文的準時送達。為了適應工業(yè)應用中這樣的要求，就需要對標準的以太網(wǎng)進行“改造”，在其基礎上修改或增加了一些特定的協(xié)議以保證實時性和確定性，讓其成為一個確定性的網(wǎng)絡，這就形成了所謂的工業(yè)以太網(wǎng)。

但各個廠商在對同一個以太網(wǎng)進行改造時的思路和方法不盡相同，這就造成了同樣叫“工業(yè)以太網(wǎng)”的網(wǎng)絡，實際上是無法真正實現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作的，為了讓數(shù)據(jù)在這些“子”網(wǎng)絡間流通，人們不得不增加額外的網(wǎng)關。這就好比是大家都修了同樣的“路”，但是不同路網(wǎng)上的交通規(guī)則卻是不同的，想在這樣的路網(wǎng)之間順暢無障礙地奔馳，并不容易。

與此同時，更大的一個挑戰(zhàn)在于，工業(yè)4.0等智能制造概念的提出，需要與之相配的網(wǎng)絡能夠同時支持不同類型的數(shù)據(jù)流通，無論是制造現(xiàn)場控制所需的實時性數(shù)據(jù)，還是生產(chǎn)管理與優(yōu)化所需的非實時性數(shù)據(jù)，都需要在統(tǒng)一網(wǎng)絡中進行集中和處理，對于一些全局優(yōu)化的工作可以不通過傳統(tǒng)層級的控制器，而直接連通邊緣側和云端。也就是說，一個理想的工業(yè)應用中的以太網(wǎng)架構，應該是既能滿足OT（運營技術）網(wǎng)絡實時性控制要求，又能支持IT（信息技術）領域大吞吐量數(shù)據(jù)傳輸需要的融合性的網(wǎng)絡，這樣才能將工業(yè)生產(chǎn)全流程的數(shù)據(jù)匯聚起來，不留信息死角。 實現(xiàn)這樣的理想，必須對我們所熟悉的以太網(wǎng)來一次深度的改造，打造一個滿足制造業(yè)要求，統(tǒng)一的網(wǎng)絡與協(xié)議規(guī)范，同時這也是擺脫不同總線標準之間互通互操作性方面的障礙的唯一出路。TSN（Time Sensitive Network，時間敏感型網(wǎng)絡）由此誕生了。

邁向TSN之路

雖然今天我們探討最多的是TSN在工業(yè)領域的應用，但實際上它緣起于一個音視頻領域的標準。為了有效解決音頻視頻網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}， IEEE 802.1工作組于2006年成立AVB音頻視頻橋接任務組，并取得了卓有成效的進展。很快人們就意識到，AVB的一系列研究成果，與解決以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性問題之間，有很多共通之處。于是在2012年，AVB任務組擴大了時間確定性以太網(wǎng)的應用需求和適用范圍，并將任務組名稱改為“TSN任務組”。

TSN需要應對的挑戰(zhàn)，主要有三個方面：時間同步、調(diào)度和流量整形，以及通信路徑的選擇、預留和容錯。 ?時間同步：此舉是為網(wǎng)絡中的所有設備實現(xiàn)共同的時間參考，提供彼此同步的時鐘，也是為端到端的傳輸延遲提供一個協(xié)商的基準。 ?調(diào)度和流量整形：允許在同一網(wǎng)絡上共存不同優(yōu)先級的流量類別，每個類別對可用帶寬和端到端延遲都有不同的要求，由此實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)流量類型的同網(wǎng)傳輸。 ?通信路徑的選擇，預留和容錯：定義所有參與實時通信的設備在選擇通信路徑、預留帶寬和時隙方面需要遵循相同的規(guī)則，使其可以利用多條路徑來實現(xiàn)故障排除，確保網(wǎng)絡的安全性和可靠性。 經(jīng)過多年的發(fā)展，TSN已經(jīng)在IEEE802.1標準框架下，定義出了一系列的“子標準”，形成了一套完整的協(xié)議，為以太網(wǎng)協(xié)議的MAC層提供通用處理機制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的時間確定性（實時性）的同時，也讓不同協(xié)議網(wǎng)絡之間的互操作成為了可能性。

表1：TSN相關標準（資料來源：網(wǎng)絡）

當然，從標準的制訂到行業(yè)普遍接受、大范圍的商用，還需要一個漫長的過程，對于工業(yè)制造業(yè)這種行事縝密的領域，人們考慮權衡的因素就更多了。因此，圍繞著TSN整個生態(tài)體系的搭建，人們的努力一直沒有停止，各個技術供應商都從不同層面，為TSN最終的落地提供著支持，積聚著能量。

圖1，安富利的TSN HW Eval Kit（圖源：安富利） 比如，安富利就為開發(fā)者提供了一個時效性網(wǎng)絡硬件評估套件（TSN HW Eval Kit）。這是一個利用現(xiàn)有的Xilinx和安富利的硬件資源搭建的TSN平臺，開發(fā)者可以利用它實現(xiàn)TSN的原型開發(fā)和驗證，為最終的方案實現(xiàn)奠定堅實的基礎。

圖2：基于安富利TSN HW Eval Kit的TSN系統(tǒng)框圖（圖源：安富利） 總之，工業(yè)4.0以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的興起，讓人們踏上了一條對以太網(wǎng)進行深度“魔改”之路，作為這次“魔改”成果的TSN正在前面向我們招手，現(xiàn)在是時候加快腳步，向著這個目標沖刺了。