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★本刊記者/文曉

國防科技大學計算機學院研究員、博士生導師 孫志剛

時間敏感網絡（TSN）作為新一代實時以太網技術，可保證多種業務流量的共網高質量傳輸，相對傳統的以太網在實時性、可靠性和安全性上都有很大的提升，被認為是最適合在音視頻傳輸、工業互聯網、車載網絡等多個領域使用的通信方案。當前，眾多企業和專家都在積極推動TSN在工控場景應用，本刊記者特別采訪國防科技大學計算機學院研究員、博士生導師孫志剛，暢談TSN將對工控領域帶來的重要影響。

記者：請您介紹一下時間敏感網絡（TSN）對于工業控制發展的重要性？

孫志剛：我認為TSN技術對未來工業互聯網發展具有較強的推動作用，主要表現在三個方面。

第一方面，TSN可以實現OT網絡和IT網絡緊密融合。

當前工業網絡中，實時關鍵控制數據和數據密集型的應用數據分別通過OT和IT網絡進行傳輸。OT和IT網絡的分離使得OT網絡內軟件更新極其困難，在當前智能化背景下，機器學習、圖像識別、數據挖掘等技術的應用日益廣泛，使用成本不斷降低，這些智能化應用通常位于IT網絡中，OT網絡內傳感器產生的海量數據難以被這些應用有效使用。因此需要打通OT和IT網絡的界限，實現數據更高的利用價值。實現OT和IT網絡融合是現代工廠實現智能制造和數字化轉型的先決條件。

TSN使IT網絡具備傳輸OT數據的能力，支持OT和IT融合。TSN通過一系列協議增強標準以太網，為不同等級的業務流提供差異化服務質量保障，確保高優先級、時間敏感的工業信號能夠得到及時傳輸，同時不影響低優先級數據的傳輸。TSN打破了傳統工業網絡中不同優先等級的業務流不能共享線路的局限，實現OT數據與IT數據共網傳輸。

第二方面，TSN可以為工業控制提供更高的數據交換帶寬。

工業網絡通信帶寬需求不斷遞增。如今視頻在設施管理和生產控制過程中的地位日漸重要，工業應用中用來進行部件識別和安裝檢驗的機器視覺攝像機采用48fps甚至是更高的采樣率，以生成高質量的圖像，使得這些檢測應用比起常規的監控系統需要更大的帶寬。多傳感器數據融合是未來復雜工業系統智能檢測與數據處理的重要技術，隨著多傳感器融合技術引入，需整合來自不同類型傳感器的信息，以獲得對工廠內設備更全面、準確的監控。所有跡象都表明未來現場和工廠運作需要高帶寬網絡支持。

TSN的應用為滿足工業網絡內數據傳輸的高帶寬需求奠定網絡基礎。傳統的工業網絡和現場總線技術，鏈路傳輸速率通常不超過100Mbps，無法滿足當前工業網絡中海量數據高帶寬傳輸需求。TSN繼承以太網高帶寬特性，千兆以太網通常是起始標準，萬兆以太網的應用也越來越廣泛。TSN技術使得所有工業網絡中的數據流，無論是傳感器數據、控制信號，還是大規模視頻流傳輸，都能夠共享以太網高帶寬鏈路紅利。

第三方面，TSN可為工業通信領域行成更加開放的生態。

在工業網絡的發展歷程中，不同工業領域中出現了多種工業總線與工業以太網，不同技術標準間存在差異，例如CAN、Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP等標準都有各自不同的傳輸解決方案。每種標準由不同廠商主導，并維持相應設備生態圈。這使得協議與設備綁定，不同工業以太網協議的傳輸機制彼此封閉，互不兼容。工控產品通常需要定制不同的型號以支持不同的通信標準，成本較高。因此需要建立一個統一的，沒有知識產權約束的通信標準，有利于簡化工控產品研制，降低用戶成本。

與之形成對比的是TSN的開放生態，TSN的開放生態源自其標準化過程和以太網技術基礎。TSN標準不是某個單一廠商或組織的私有技術，而是通過IEEE802.1工作組主導，全球范圍內的行業參與者共同制定和推動的開放標準。TSN是對以太網標準的增強，可以說TSN標準就是以太網標準，因此TSN天然繼承以太網的開放生態。以太網作為成熟的、全球廣泛應用的通信標準，本身具有高度的開放性，其協議棧、接口標準和傳輸方式已被全球各大廠商廣泛采用。TSN的設備、協議和網絡架構建立在以太網基礎之上的，意味著使用以太網技術的廠商和設備，基本上能無縫過渡到支持TSN的系統中。

記者：請您介紹一下時間敏感網絡（TSN）在工業領域的應用情況?

孫志剛：為推動TSN在工業領域的應用，國際電工委員會（IEC）和電氣與電子工程師協會（IEEE）共同制定IEC/IEEE 60802標準。IEC/IEEE 60802標準定義工業應用中的關鍵TSN特性，旨在解決TSN在工業應用中的實時性、可靠性和互操作性需求。IEC/IEEE 60802通過開放的標準打破技術壁壘，推動不同產商的TSN設備互聯互通。目前，IEC/IEEE 60802仍在持續完善，聚焦工業控制系統的典型要求，推動TSN在工業領域的廣泛應用。

國內工業互聯網產業聯盟（AII）先后撰寫了《工業互聯網時間敏感網絡（TSN）產業白皮書》《TSN網絡控制系統白皮書》《時間敏感網絡（TSN）產業白皮書》等白皮書，推動工業互聯網TSN技術在垂直行業的實際應用。在最新的《面向工業互聯網的確定性網絡協同技術白皮書（2024年）》中明確指出將工業以太網和TSN結合，可以確保或改善以太網流量的實時傳輸，并進一步促進工業網絡中的IT/OT融合，滿足各類工業場景的通信需求。

由于IEC/IEEE60802等關鍵標準還沒有最終完成，原生支持TSN的CPU、操作系統、中間件（OPC UA）的研制還處在起步階段，因此當前TSN在工業制造中的落地應用還不多。預計隨著工業TSN交換機以及相關管理軟件的不斷成熟，在2030年左右TSN會在工業制造裝備中得到大量應用。

記者：您認為TSN技術在工業領域的應用將為工控機產業帶來哪些影響？

孫志剛：我認為主要有三點影響：

第一，基于以太網統一工控機通信接口標準，降低設備成本。

當前工業總線種類繁多，導致工控機系統需要支持多種通信接口，使得工控機的設計、集成與維護變得復雜。未來隨著TSN技術的逐步普及，工控機將逐步轉向支持單一的以太網接口。這樣一來，工控機的硬件和軟件設計可以簡化，生產成本將大幅降低。

TSN遵循標準以太網技術，這意味著TSN能夠利用現有的商業現貨（COTS）硬件和軟件組件進行組網，有效降低組網成本。從最底層的儀表到最高層的管理信息網，所有通信設備都支持以太網協議，簡化了工廠控制系統的設計，降低了組網成本。

第二，TSN的應用會大大加強我國工控機核心芯片自主研制能力。

將TSN接口直接集成在SoC芯片中，不用考慮知識產權問題。隨著工業自動化和智能制造的快速發展，工控機作為工業網絡的核心組件，加強工控機核心芯片的自主研制能力尤為重要。工控機廠商在使用外部芯片時，往往會面臨專利、許可費用等知識產權相關問題，而將TSN功能直接集成到SoC芯片中，可以避免相關問題，同時減少硬件的復雜度，提高系統的集成度和穩定性。集成化的SoC芯片能夠減少工控機的功耗，降低系統成本。

第三，TSN的應用會對操作系統（OS）和中間件開發帶來新的挑戰。

隨著工控機的終端設備通信接口逐漸向統一的以太網接口過渡。這一轉變簡化工控機硬件架構，也對操作系統（OS）和中間件開發模式提出新的要求。

終端發送數據幀的時間要與網絡時間對齊，所以TSN技術要求終端具備高精度的時間同步能力，確保數據能夠按時傳輸和處理。例如，終端可采用高實時性的操作系統，如實時操作系統（RTOS）或基于Linux進行實時擴展，在多任務環境下，減少延遲和中斷，確保高優先級任務優先運行。中間件作為操作系統與應用程序之間的橋梁，需要能有效地管理不同應用之間的數據流和優先級，確保實時數據能夠按時傳輸和處理。TSN使得工控機的網絡接口向以太網協議統一，以往開發人員需要針對不同的總線和通信協議進行定制開發，而現在，統一的以太網協議棧和標準化接口使得應用開發更加簡便。

孫志剛，國防科技大學計算機學院研究員，博士生導師，長期從事網絡交換、工控網絡和網絡芯片研究，參與各類裝備型號研制10余項。是開源項目OpenTSN和“TSN系統設計論壇（楓林論壇）”發起人。分別于2021年和2023年主持完成國內第一款時間敏感網絡芯片“銀河衡芯DS09”以及國內首個模塊化可定制的“銀河衡芯TSN核心IP”，上述成果在航空、航天、船舶、兵器和工業控制等領域已有超過20個成功應用。

摘自《自動化博覽》2024年11月刊