文章来源：中国工业报
平台是工业互联网的核心。从产业来看，IaaS平台、PaaS平台、边缘平台以及应用平台等构成了工业互联网产业的主体。但网络尤其是内场网络的畅通才是实现平台应用的先决条件。
时间敏感网络（TSN，Time-Sensitive Networking）已成为工业有线网络向下一代发展的业界共识。《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》明确要求：实施工业互联网企业内网标杆计划，支持工业企业综合运用5G、时间敏感网络（TSN）、边缘计算等技术，提升行业应用各环节网络化水平。作为面向工业智能化生产的新型网络技术，TSN为工业生产环境提供了一种既支持高速率、大带宽的数据采集，又兼顾高实时控制信息传输的网络。
解决互联互通 助力工厂OICT融合
TSN是一项从视频音频数据领域延伸至工业领域、汽车领域的技术，最初来源于音视频领域的应用需求，当时被称为AVB（以太网音视频桥接技术）。由于针对音视频网络需要较高的带宽和最大限度的实时性，借助AVB能较好的传输高质量音视频。
传输音频和视频信息的网络需要遵守严格的时序规则，如果音频或视频信息不能遵守指定的时序规则到达目的地，接收设备（例如视频屏幕或扬声器）可能会发生视频帧被丢弃、音频伪像的情况。此外，这种网络还需要可预测的延迟，保证视频和相关音频流之间的同步。
另一方面，在音视频应用场景中有很多高清的数据要通过网络传输到处理中心，对带宽的需求极大。为了最大限度的提供实时性，这些图像、音频必须实现高实时的传输与处理，可以想象其对带宽和实时性的高要求。
2006年，IEEE802.1工作组成立AVB音频视频桥接任务组，此后的几年里，任务组成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题，受到工业、汽车等领域人士的关注。2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，并同时将任务组名称改为现在的TSN任务组。
在工业领域，控制低时延、确定性的数据传输是刚需，而大量的工业实时以太网协议（如Ethernet/IP、Profinet、Modbus-IDA等）互不相通或相通难度、成本居高不下，网络碎片化、OICT融合困难。因此，工业互联网需要一个可互操作的系统，能够支持多协议在同一个网络上实现互通和互操作。
工厂数字化的推进必须依赖于一个大容量、异构数据的标准与规范网络。TSN技术的优势，恰好满足了这个需求。TSN采用IEEE标准的统一网络标准，改变传统网络复杂、封闭、连接的困难，使得整个OICT融合中的效率得以提高，降低了不必要的网络构建成本。
TSN在确保数据通信的实时性的同时，实现在同一个网络中与其它开放式网络、以及IT系统的数据通信，从而解决互联互通的问题，提高工业设备的连接性和确定性，实现OICT的融合。
图为TSN在工业互联网网络中的位置（来源：工业互联网时间敏感网络（TSN）产业白皮书1.0）
以当下火热的数字孪生为例，它与传统建模仿真有一个较大的差异在于其实现“动态交互”。数字孪生通过对数据的采集，包括不确定、非线性任务中的变量采集，实现全局优化的目标，这个过程可以采用机器学习对质量相关性进行分析，也可以对调度策略进行全局分析，之后再把这些分析与优化的结果、算法与模型部署到现场控制器，并实时指导应用。
对于个性化生产而言，这需要实体与虚体的“实时”交互，但由于数据量大、网络复杂，因此对网络提出了很高的要求，必须确保网络的高速响应，否则难以达到动态与实时的效果。通过TSN网络，实现传感器、控制、运营在一个网络架构中，确保整体运营的一致性。
TSN满足智慧交通流数据实时性与确定性需求
在交通领域，大量传感器数据的延迟产生于网络延迟，尤其是高带宽需求的流数据传输，造成基于视频的检测数据滞后，且滞后时间不可测、不确定，这些已经成为影响交通数据实时融合、车路协同实时数据交换、高效实时控制的屏障。在有限的网络带宽之下，如何在不中断大量的业务流数据的同时确保关键性控制数据的确定性、实时性传输，成为智能交通行业的一个痛点需求。TSN为解决该需求提供了非常好的解决方案。
比如，TSN是目前车载控制系统的非常好的选择。在汽车控制系统中，刹车、引擎、悬挂等采用CAN总线（控制器局域网络），而灯光、车门、遥控等采用LIN系统（一种串行通讯网络，适用于对网络带宽、性能或容错功能要求不高的应用）。但随着自动驾驶或者智能驾驶的提出，CAN总线无论是带宽还是延迟等性能已不能满足需求。
TSN旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间确定性。同时利用数据整形，确保无论发生链路故障、电缆断裂以及其他错误，均能强制实现可靠的通讯。此选项确保关键流量的复本在网络中能以不相交集的路径进行传送，只保留首先到达目的地的任何封包，从而实现无缝冗余，达到超高的可靠性，这对车辆控制，尤其是无人驾驶非常重要。实际上，上述所有系统都可以用支持低延时且具有实时传输机制的TSN进行统一管理，从而降低给汽车和专业的A/V设备增加网络功能的成本及复杂性。
在车辆中，实时功能对于某些应用至关重要。为确保这些实时功能可用，必须在以太网控制器中设置具有直接访问硬件资源的机制。TSN构建了可扩展的以太网网络，让这些功能变现。为此，不同的消息按照其可用性分为了不同的等级，并对其延迟和优先级进行了分类，每个消息类被分配到一个固定的带宽。此外，TSN 还支持冗余以太网系统，为确保稳定的数据交换定义了安全标准。
其优势如下：
基于时间片的流量调度，避免传统网络的“流量饿死”；
保证业务传输的实时性和确定性，避免传统网络的“拥塞”；
提供微秒级的周期调度，解决周期性和非周期性数据共存问题；
统一网络标准，提供基于业务的时间编排，避免传统网络复杂的网络配置。
目前，很多厂商都将TSN与自身的硬件设备相结合，并达到了良好的效能。业内典型工业互联网“根”技术解决方案厂商——东土科技，就是个不错的践行者。
东土科技全系列TSN工业网络产品包含芯片、交换机、终端、交换软件平台、CNC及边缘控制器等，其中SICOM3000TSN交换机于2021年9月28日在工业和信息化部主办的“2021工业互联网网络创新大会”上荣获首批“时间敏感网络（TSN）产业链名录计划”测试认证证书，并已在重庆、西安、沈阳等地实际工厂进行应用，系统提供了微秒级确定性服务，保证实时性需求；产品可降低整个通信网络复杂度，实现周期性数据和非周期性数据同时传输；有效提升了产线中工业控制流量传输的实时性、确定性和网络的稳定性。
在接入普通交换机时，各业务流共享全部带宽，在出口拥塞情况下，只有部分高优先级业务流被转发，其他流量被冲掉。但在TSN交换机中，可以设置最小时间精度为纳秒级的颗粒度，并针对不同的业务优先级分配不同的时间窗设置，各业务流均按时间片进行转发，这样即使在发生拥堵的情况下，也能保证特定业务流数据的确定性传输，从而满足核心业务的实时性要求。
设备参数如下：
提供丰富的端口形态，10GBase-X SFP+接口; 100/1000Base-X SFP接口; 10/100/1000Base-T(X) RJ45电口，自动侦测，全/半双工，MDI/MDI-X自适应;
支持TSN相关协议标准：IEEE 802.1AS-Rev / IEEE1588 / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qci / IEEE802.1CB / IEEE 802.1Qcc；
支持CNC集中网络配置；
支持 IEEE 802.3 / 802.3u / 802.3x / 802.1D / 802.1W / 802.1P /802.1Q 标准；
IP40防护等级；
支持宽温（-40℃～85℃）；
符合工业四级电磁兼容性要求。
图为TSN网络整体架构
面向未来，东土科技全系列TSN工业网络产品，包含芯片、交换机、终端、交换软件平台、CNC及边缘控制器等产品将全力支持以时间敏感网络为代表的新一代工业网络技术的应用和发展，并根据各个垂直行业的应用特点打造定制化的产品与解决方案。
TSN将为未来的通信网络打开一扇新的窗口。虽然短期来看TSN 落地普及及市场接受度仍然需要一个过程，但随着关键技术的突破和应用场景需求变化迭代升级，TSN所创造的价值将不可估量。
