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解鎖研華TSN交換機，開啟IT和OT融合新曙光

2020-09-24

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不同的場景與應用對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟛灰�，網(wǎng)絡部署面臨著新的需求和挑戰(zhàn)，為了有效解決以太網(wǎng)通訊的不確定問題，實現(xiàn)真正的實時通訊，各大廠商開始大力引入和推廣時間敏感網(wǎng)絡（TSN）。

TSN擁有許多傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡架構難以實現(xiàn)的功能，它的前世今生是什么？TSN能為IT與OT深度融合帶來哪些契機？最新的行業(yè)動態(tài)又有哪些？

近日，研華科技聯(lián)合CC-Link協(xié)會連線直播，為大家深入解析TSN這一可能成為未來工業(yè)通信統(tǒng)一標準的工業(yè)網(wǎng)絡技術。

TSN，未來已來

研華工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)群資深開發(fā)經(jīng)理張亦誠表示，目前工業(yè)領域所使用的通訊協(xié)議形色不一，每一個協(xié)議背后也都各自有支持的廠商，彼此不相容，難以形成統(tǒng)一標準。

“語言”不通為實時通訊帶來很大難度，想享受“書同文，車同軌”式的便利，統(tǒng)一標準的TSN也就應運而生。

傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡存在延遲和實時控制困難的問題，傳輸速度無法超過100 Mb/s，擴展性也因此受到影響。不同的通訊協(xié)議只能使用專有的硬軟件，更是嚴重限制了用戶使用的靈活性、設備互操作性，增加了維護和運營成本。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，企業(yè)亟需最大程度保持敏捷、靈活，以提高效率和迅速響應能力，TSN的出現(xiàn)正解決了這一問題。

CLPA中國支部高級工程師楊凱表示，在目前的工廠網(wǎng)絡里，不同的生產(chǎn)線上，可能會存在例如Profinet、CC-Link等不同的總線協(xié)議，不同產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)交互和信息化改造始終是用戶的痛點。而傳統(tǒng)的工業(yè)實時以太網(wǎng)，一般采取預留帶寬的方式來保證數(shù)據(jù)的實時性和準確性，但可靠性和實時性的表現(xiàn)著實一般。

TSN作為以太網(wǎng)擴充的協(xié)議標準，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合傳輸、打破信息孤島，以及實現(xiàn)互聯(lián)互通等方面展現(xiàn)出了前所未有的潛力。

TSN原本是起源于Ethernet AVB（Audio Video Bridging）的標準化規(guī)格，它在被賦予了同步時間、控制A/V機器機能、預約頻寬等功能后，由IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）不斷增修，普及到了工業(yè)、汽車等行業(yè)，并在2012年將其正式改名為TSN。

顯而易見，在未來，工業(yè)以太網(wǎng)將從個別規(guī)格向共通網(wǎng)絡規(guī)格移轉。

CLPA中國臺灣地區(qū)事務局長陳重光介紹道，近年來，除了IEEE將該規(guī)格同步到IEC的國際標準規(guī)格上外，CC-Link協(xié)會、PI、OPC UA等開放式網(wǎng)絡協(xié)會團體也正在研討將TSN作為開放型網(wǎng)絡的適用性。

陳重光表示，目前，TSN的各項征訂規(guī)格的板塊仍在組建當中，作為工業(yè)網(wǎng)絡常會使用的技術規(guī)格，其中IEEE802.1AS-Rev和1588 PTP用于定義網(wǎng)絡上連接機器的同步時間；IEEE802.1Qbv將通訊幀分類，確保優(yōu)先通訊頻寬；IEEE802.1Qbu則負責定義優(yōu)先級的通訊幀，在進入優(yōu)先度高的頻寬時會分割通訊幀,并讓優(yōu)先度高的優(yōu)先通行。

陳重光解釋道：“在現(xiàn)有網(wǎng)絡下，整體的通訊效率會受到低速通訊幀速度的影響，在使用TSN技術時，就像將公路上的快慢車道實行分離，讓特定的通訊協(xié)議優(yōu)先通行�！�

搶先一步，研華發(fā)布TSN交換機

現(xiàn)如今，用戶想要向TSN標準逐步靠攏，不僅需要具備TSN的網(wǎng)關進行不同協(xié)議之間的轉換，還需要TSN交換機來傳輸和匯聚數(shù)據(jù)。

陳重光表示：“TSN因本身所具備的及時性、低延遲、高速大容量通訊，具備時間戳記、混合IP通訊等多種通訊協(xié)議功能，本領和優(yōu)勢更加顯著。”

在TSN交換機的研發(fā)中，研華搶先一步。于此次會議正式發(fā)布EKI-8500G工業(yè)級TSN以太網(wǎng)交換機，成為當前全球為數(shù)不多的采用TSN芯片方案的TSN交換機。

EKI-8500G工業(yè)級TSN以太網(wǎng)交換機

該新品區(qū)別于市面上大部分利用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）設計的TSN交換機，EKI-8500G采用TSN專用芯片設計，具備8個千兆RJ45端口+ 2個千兆SFP端口，以及雙12〜48 VDC電源輸入和1 x繼電器輸出。

EKI-8500G具備4大核心特色：時間同步、優(yōu)先流量調(diào)度、時間感知整形器、高可靠的冗余資料傳輸。

所謂時間同步（IEEE 802.1AS）：在傳統(tǒng)的時間同步通訊架構中，設備之間的時間來源不一，及時性的需求也不一樣，TSN能使時間不同步的設備共用一個精準的時間來源，這樣的同步機制在半導體制造、汽車制造業(yè)等領域中，能夠保障機器行云流水的運作。

所謂流量調(diào)度功能（IEEE 802.1Qbu）：一般的通訊架構中，重要的OT資料出現(xiàn)的時候，也并不會中斷正在傳輸?shù)馁Y料，使得重要訊息被延遲，從而帶來停機損失。TSN的優(yōu)先流量調(diào)度機制可以中斷當前正在傳輸?shù)牡蛢?yōu)先級資料，禮讓重要資料先行，OT等重要的資訊就不會因此被搶占傳輸資源。

所謂時間感知整形器（IEEE 802.1Qbv）：TSN的標準在資料隊列中架設了時間開關的閘門，使得實時性資料在固定時間內(nèi)傳輸，不受其他非實時性資料的影響。簡單來說，這個機制是根據(jù)已知且設定的時間表來進行開關驅動。不同于傳統(tǒng)交換機的QOS功能，TSN交換機會對優(yōu)先等級高的數(shù)據(jù)采取預支、預留手段，以保障數(shù)據(jù)流通的實時性。

所謂高可靠性的冗余資料傳輸（IEEE 802.1CB）：資料在傳輸?shù)臅r候，設備會生成一份復制的備份檔案，兩份檔案會走在不同的傳輸路徑上，如果兩者都順利抵達，備份檔就會被自動刪除。如果有一條路徑因故被中斷，另外一條路徑的備份檔仍會抵達終點，確保資料被送到目的地。

除了可以實現(xiàn)以上4大功能外，為應對工業(yè)應用場景，新產(chǎn)品體積更小，可在-40~75℃的溫度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運轉，林玉偉也補充道：“該產(chǎn)品讓資訊傳輸?shù)沫h(huán)境在擁有IT頻寬的同時，具備了OT的精準和穩(wěn)定性�！�

研華EKI-8510G工業(yè)交換機，為IIOT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來高時效、低延遲，及穩(wěn)定可靠的運行能力。

未來除了交換機產(chǎn)品外，林玉偉也表示研華還會有更多交換機、網(wǎng)關、配置軟件等TSN關鍵產(chǎn)品的推出計劃。

那么如果工廠PLC等設備不支持TSN，要如何解決兼容問題？

林玉偉對此解釋道：“TSN是一個統(tǒng)一的標準，老舊工廠內(nèi)設備間想要支持TSN，當然還需要借助交換機、網(wǎng)關、對應的軟件等產(chǎn)品。但以PLC為例，作為工廠里最主要的控制器，其技術匹配度已經(jīng)走在設備的最前端。在TSN的各種以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)布時，很多PLC廠商都嗅到商機，并積極、大力地推廣，工廠的PLC產(chǎn)品一旦先行，周邊的設備也一定要跟齊，因此產(chǎn)品設備的部分，客戶其實并不用擔心，廠商會幫我們解決。”

TSN開啟IT和OT融合的新曙光

CLPA中國支部高級工程師楊凱表示：“相對于傳統(tǒng)的CC-Link以及CC-Link IE，CC-Link IE TSN在開放性方面是史無前例的�！蓖耆_放的架構也是為了方便更多廠商進行合作，以共同建立TSN標準的生態(tài)圈。

據(jù)悉，包括三菱在內(nèi)的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生產(chǎn)廠商，現(xiàn)已陸續(xù)推出從PLC、運動控制器到交換機、I/O、伺服、機器人等全線產(chǎn)品。除了CC-Link IE TSN外，Modbus、Profinet、EtherNet/IP等協(xié)議也都紛紛上新，加入TSN的大家庭中。

此外，在全球范圍內(nèi)，設置了多個TSN試驗床，測試床旨在加速推動著技術落地，幫助TSN在不同行業(yè)，尤其是在交通、5G垂直市場應用、汽車、半導體等領域施展拳腳。

在本次線上會議上，四位專家不約而同都表現(xiàn)出了對TSN生態(tài)圈的樂觀態(tài)度，認為未來有望在5年內(nèi)建立亞洲TSN生態(tài)圈。

過去，一個新技術的發(fā)展演進，要先經(jīng)過一連串小規(guī)模或特定應用的試點，然后再慢慢向全行業(yè)擴散。而TSN技術不一樣，它像是個含著金鑰匙降臨的新生兒，因為行業(yè)的認可度極高，我們今天所看到的TSN發(fā)展現(xiàn)狀，是多個領域協(xié)會和聯(lián)盟共同推進的結果。

其實，TSN技術的未來已經(jīng)到來。

未來，工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)將致力于滿足高可用性和實時通訊的需求。值得欣慰的是，標準組織和獨立的網(wǎng)絡協(xié)議供應商均已達成共識，洞見了這一發(fā)展趨勢的潛力，共同攜手推進TSN這一下一代工業(yè)網(wǎng)絡標準。借助這股東風，脫離現(xiàn)有專屬架構的限制，落地工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和實現(xiàn)IT、OT融合的宏圖大業(yè)又向前大跨了一步。讓我們共同期待TSN產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的成型與壯大，未來讓新興通訊技術的基石，墊在每一個IIoT世界探索者的腳下。