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★本刊記者/文曉

國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師 孫志剛

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）作為新一代實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)，可保證多種業(yè)務(wù)流量的共網(wǎng)高質(zhì)量傳輸，相對傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在實(shí)時性、可靠性和安全性上都有很大的提升，被認(rèn)為是最適合在音視頻傳輸、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車載網(wǎng)絡(luò)等多個領(lǐng)域使用的通信方案。當(dāng)前，眾多企業(yè)和專家都在積極推動TSN在工控場景應(yīng)用，本刊記者特別采訪國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師孫志剛，暢談TSN將對工控領(lǐng)域帶來的重要影響。

記者：請您介紹一下時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）對于工業(yè)控制發(fā)展的重要性？

孫志剛：我認(rèn)為TSN技術(shù)對未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有較強(qiáng)的推動作用，主要表現(xiàn)在三個方面。

第一方面，TSN可以實(shí)現(xiàn)OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)緊密融合。

當(dāng)前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)時關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)密集型的應(yīng)用數(shù)據(jù)分別通過OT和IT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。OT和IT網(wǎng)絡(luò)的分離使得OT網(wǎng)絡(luò)內(nèi)軟件更新極其困難，在當(dāng)前智能化背景下，機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識別、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，使用成本不斷降低，這些智能化應(yīng)用通常位于IT網(wǎng)絡(luò)中，OT網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)難以被這些應(yīng)用有效使用。因此需要打通OT和IT網(wǎng)絡(luò)的界限，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更高的利用價值。實(shí)現(xiàn)OT和IT網(wǎng)絡(luò)融合是現(xiàn)代工廠實(shí)現(xiàn)智能制造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的先決條件。

TSN使IT網(wǎng)絡(luò)具備傳輸OT數(shù)據(jù)的能力，支持OT和IT融合。TSN通過一系列協(xié)議增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，為不同等級的業(yè)務(wù)流提供差異化服務(wù)質(zhì)量保障，確保高優(yōu)先級、時間敏感的工業(yè)信號能夠得到及時傳輸，同時不影響低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳輸。TSN打破了傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中不同優(yōu)先等級的業(yè)務(wù)流不能共享線路的局限，實(shí)現(xiàn)OT數(shù)據(jù)與IT數(shù)據(jù)共網(wǎng)傳輸。

第二方面，TSN可以為工業(yè)控制提供更高的數(shù)據(jù)交換帶寬。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬需求不斷遞增。如今視頻在設(shè)施管理和生產(chǎn)控制過程中的地位日漸重要，工業(yè)應(yīng)用中用來進(jìn)行部件識別和安裝檢驗(yàn)的機(jī)器視覺攝像機(jī)采用48fps甚至是更高的采樣率，以生成高質(zhì)量的圖像，使得這些檢測應(yīng)用比起常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)需要更大的帶寬。多傳感器數(shù)據(jù)融合是未來復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)智能檢測與數(shù)據(jù)處理的重要技術(shù)，隨著多傳感器融合技術(shù)引入，需整合來自不同類型傳感器的信息，以獲得對工廠內(nèi)設(shè)備更全面、準(zhǔn)確的監(jiān)控。所有跡象都表明未來現(xiàn)場和工廠運(yùn)作需要高帶寬網(wǎng)絡(luò)支持。

TSN的應(yīng)用為滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邘捫枨蟮於ňW(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線技術(shù)，鏈路傳輸速率通常不超過100Mbps，無法滿足當(dāng)前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中海量數(shù)據(jù)高帶寬傳輸需求。TSN繼承以太網(wǎng)高帶寬特性，千兆以太網(wǎng)通常是起始標(biāo)準(zhǔn)，萬兆以太網(wǎng)的應(yīng)用也越來越廣泛。TSN技術(shù)使得所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流，無論是傳感器數(shù)據(jù)、控制信號，還是大規(guī)模視頻流傳輸，都能夠共享以太網(wǎng)高帶寬鏈路紅利。

第三方面，TSN可為工業(yè)通信領(lǐng)域行成更加開放的生態(tài)。

在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程中，不同工業(yè)領(lǐng)域中出現(xiàn)了多種工業(yè)總線與工業(yè)以太網(wǎng)，不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)間存在差異，例如CAN、Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP等標(biāo)準(zhǔn)都有各自不同的傳輸解決方案。每種標(biāo)準(zhǔn)由不同廠商主導(dǎo)，并維持相應(yīng)設(shè)備生態(tài)圈。這使得協(xié)議與設(shè)備綁定，不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的傳輸機(jī)制彼此封閉，互不兼容。工控產(chǎn)品通常需要定制不同的型號以支持不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，成本較高。因此需要建立一個統(tǒng)一的，沒有知識產(chǎn)權(quán)約束的通信標(biāo)準(zhǔn)，有利于簡化工控產(chǎn)品研制，降低用戶成本。

與之形成對比的是TSN的開放生態(tài)，TSN的開放生態(tài)源自其標(biāo)準(zhǔn)化過程和以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)。TSN標(biāo)準(zhǔn)不是某個單一廠商或組織的私有技術(shù)，而是通過IEEE802.1工作組主導(dǎo)，全球范圍內(nèi)的行業(yè)參與者共同制定和推動的開放標(biāo)準(zhǔn)。TSN是對以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)，可以說TSN標(biāo)準(zhǔn)就是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，因此TSN天然繼承以太網(wǎng)的開放生態(tài)。以太網(wǎng)作為成熟的、全球廣泛應(yīng)用的通信標(biāo)準(zhǔn)，本身具有高度的開放性，其協(xié)議棧、接口標(biāo)準(zhǔn)和傳輸方式已被全球各大廠商廣泛采用。TSN的設(shè)備、協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上的，意味著使用以太網(wǎng)技術(shù)的廠商和設(shè)備，基本上能無縫過渡到支持TSN的系統(tǒng)中。

記者：請您介紹一下時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況?

孫志剛：為推動TSN在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，國際電工委員會（IEC）和電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）共同制定IEC/IEEE 60802標(biāo)準(zhǔn)。IEC/IEEE 60802標(biāo)準(zhǔn)定義工業(yè)應(yīng)用中的關(guān)鍵TSN特性，旨在解決TSN在工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)時性、可靠性和互操作性需求。IEC/IEEE 60802通過開放的標(biāo)準(zhǔn)打破技術(shù)壁壘，推動不同產(chǎn)商的TSN設(shè)備互聯(lián)互通。目前，IEC/IEEE 60802仍在持續(xù)完善，聚焦工業(yè)控制系統(tǒng)的典型要求，推動TSN在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）先后撰寫了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）產(chǎn)業(yè)白皮書》《TSN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)白皮書》《時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）產(chǎn)業(yè)白皮書》等白皮書，推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)TSN技術(shù)在垂直行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。在最新的《面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)白皮書（2024年）》中明確指出將工業(yè)以太網(wǎng)和TSN結(jié)合，可以確保或改善以太網(wǎng)流量的實(shí)時傳輸，并進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的IT/OT融合，滿足各類工業(yè)場景的通信需求。

由于IEC/IEEE60802等關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)還沒有最終完成，原生支持TSN的CPU、操作系統(tǒng)、中間件（OPC UA）的研制還處在起步階段，因此當(dāng)前TSN在工業(yè)制造中的落地應(yīng)用還不多。預(yù)計隨著工業(yè)TSN交換機(jī)以及相關(guān)管理軟件的不斷成熟，在2030年左右TSN會在工業(yè)制造裝備中得到大量應(yīng)用。

記者：您認(rèn)為TSN技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將為工控機(jī)產(chǎn)業(yè)帶來哪些影響？

孫志剛：我認(rèn)為主要有三點(diǎn)影響：

第一，基于以太網(wǎng)統(tǒng)一工控機(jī)通信接口標(biāo)準(zhǔn)，降低設(shè)備成本。

當(dāng)前工業(yè)總線種類繁多，導(dǎo)致工控機(jī)系統(tǒng)需要支持多種通信接口，使得工控機(jī)的設(shè)計、集成與維護(hù)變得復(fù)雜。未來隨著TSN技術(shù)的逐步普及，工控機(jī)將逐步轉(zhuǎn)向支持單一的以太網(wǎng)接口。這樣一來，工控機(jī)的硬件和軟件設(shè)計可以簡化，生產(chǎn)成本將大幅降低。

TSN遵循標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，這意味著TSN能夠利用現(xiàn)有的商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）硬件和軟件組件進(jìn)行組網(wǎng)，有效降低組網(wǎng)成本。從最底層的儀表到最高層的管理信息網(wǎng)，所有通信設(shè)備都支持以太網(wǎng)協(xié)議，簡化了工廠控制系統(tǒng)的設(shè)計，降低了組網(wǎng)成本。

第二，TSN的應(yīng)用會大大加強(qiáng)我國工控機(jī)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(chǎn)權(quán)問題。隨著工業(yè)自動化和智能制造的快速發(fā)展，工控機(jī)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的核心組件，加強(qiáng)工控機(jī)核心芯片的自主研制能力尤為重要。工控機(jī)廠商在使用外部芯片時，往往會面臨專利、許可費(fèi)用等知識產(chǎn)權(quán)相關(guān)問題，而將TSN功能直接集成到SoC芯片中，可以避免相關(guān)問題，同時減少硬件的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。集成化的SoC芯片能夠減少工控機(jī)的功耗，降低系統(tǒng)成本。

第三，TSN的應(yīng)用會對操作系統(tǒng)（OS）和中間件開發(fā)帶來新的挑戰(zhàn)。

隨著工控機(jī)的終端設(shè)備通信接口逐漸向統(tǒng)一的以太網(wǎng)接口過渡。這一轉(zhuǎn)變簡化工控機(jī)硬件架構(gòu)，也對操作系統(tǒng)（OS）和中間件開發(fā)模式提出新的要求。

終端發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間要與網(wǎng)絡(luò)時間對齊，所以TSN技術(shù)要求終端具備高精度的時間同步能力，確保數(shù)據(jù)能夠按時傳輸和處理。例如，終端可采用高實(shí)時性的操作系統(tǒng)，如實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）或基于Linux進(jìn)行實(shí)時擴(kuò)展，在多任務(wù)環(huán)境下，減少延遲和中斷，確保高優(yōu)先級任務(wù)優(yōu)先運(yùn)行。中間件作為操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間的橋梁，需要能有效地管理不同應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)流和優(yōu)先級，確保實(shí)時數(shù)據(jù)能夠按時傳輸和處理。TSN使得工控機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口向以太網(wǎng)協(xié)議統(tǒng)一，以往開發(fā)人員需要針對不同的總線和通信協(xié)議進(jìn)行定制開發(fā)，而現(xiàn)在，統(tǒng)一的以太網(wǎng)協(xié)議棧和標(biāo)準(zhǔn)化接口使得應(yīng)用開發(fā)更加簡便。

孫志剛，國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師，長期從事網(wǎng)絡(luò)交換、工控網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)芯片研究，參與各類裝備型號研制10余項(xiàng)。是開源項(xiàng)目OpenTSN和“TSN系統(tǒng)設(shè)計論壇（楓林論壇）”發(fā)起人。分別于2021年和2023年主持完成國內(nèi)第一款時間敏感網(wǎng)絡(luò)芯片“銀河衡芯DS09”以及國內(nèi)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(yè)控制等領(lǐng)域已有超過20個成功應(yīng)用。

摘自《自動化博覽》2024年11月刊