如今，许多工业自动化应用对于延迟的要求非常严格，以满足实时数据传输的需求。但是，现有的大部分自动化控制解决方案都是基于传统的以太网实现的，而且各大厂商还研发了一些附加的技术机制，从而导致了很多协议都不兼容。
以太网VS时间敏感网络
如今，任何从事工业通信的人都会遇到时间敏感网络（TSN）这个话题，感觉TSN肯定会来到这里。但TSN将会何时或以何种形式到来，并没有一个明确的答案。同时，即使在今天，人们对TSN在工业通信领域的优势也并不是很了解。
人们通过引入交换网络消除了冲突问题。此外，随着服务质量（QoS）的提出，还引入了以太网数据报优先级（图1）。
对于工业应用，保证延迟尤为重要。尽管存在QoS，但在办公室中使用的标准以太网只能保证延迟到某一点，特别是在网络利用率很高的情况下，延迟非常严重。这里有很多原因，但主要问题还是多端口交换机中常用的存储转发策略和带宽预留能力不足。
存储和转发意味着交换机在转发之前必须接收到完整的数据报。这种机制在交换机的处理数据方面有优势，但也带来了一些潜在的问题，这些问题可能会对延迟和可靠性产生负面影响：
通过交换机时，数据报会根据其长度延迟一定时间。如果是级联交换机，则延迟效果会更明显。
由于交换机没有无限的存储容量，如果网络出现过度使用（流量过大），它可以拒绝数据报，即使是那些优先级更高的数据报也有可能会丢失。
长数据报可以在相对较长的时间阻塞端口。
交换机级联从一开始就对工业环境构成了挑战。除了IT领域中使用的星形拓扑外，线路，环形和树形拓扑结构也经常用于自动化。这些改进的拓扑结构显著降低了以太网安装布线要求和成本。因此，在工业中，通常将采用直通策略的双端口交换机集成到现场设备中。直通意味着数据报在完全接收之前就被转发，从而大大提高了转发效率。
TSN出现了
通过TSN，已成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展，可以摆脱过去以太网的限制。因此，现在在ISO7层模型中有一个标准化的第2层，它向上兼容以前的以太网和硬实时性。通过802.1AS-rev，TSN还定义了一种可互操作的统一方法，用于同步网络中的分布式时钟。
由于以太网中的“尽最大努力”的通信原则总是与TSN并用，因此对于硬实时应用程序以及所有其他应用程序（Web服务器，SSH等），都可以使用电缆进行数据传输。在这方面，TSN与PROFINET IRT没有什么不同，它提供了相当可靠的性能。
TSN的新特点是需要更广泛的网络配置。可以进行集中或分散配置。目前正在讨论和实现这两种类型的配置，这两个配置机制之间的互操作性是未来的开发目标。
优势
随着TSN市场越来越大，较便宜的网络接口也会出现在市场上。毕竟，TSN将来也会应用到建筑自动化和汽车工业中。事实上，嵌入式的TSN解决方案的市场规模预计将远远超过目前所有工业以太网解决方案的市场。
与以前的工业以太网方法相比，TSN最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同的是TSN没有针对特定的传输速率进行定义。TSN可以用于100 Mb / s，就像1 Gb / s，10 Mb / s或5 Gb / s一样。
它还可以更好地优化拓扑结构，因为现在可以为各个段选择适应的数据速率。无论是Gb / s，100 Mb / s还是10 Mb / s，都使用统一的2-IEEE802.1 / TSN层。
统一的网络基础设施也减轻了负责设置和维护网络人员的工作负担。因为TSN解决方案现在不仅可以用于自动化，还可以用于建筑，工艺和工厂自动化，能源分配等。
TSN的理论到实践
由于物联网在众多领域的广泛整合，全球工业以太网市场基本上已经崛起。从技术上讲，工业以太网在更好的确定性方面是对传统以太网的改进。事实上，增强的确定性是推动工业以太网市场的主要因素之一，因为工业环境对确定性有着苛刻的要求。每次都必须精确地传送和接收数据包，而数据延迟可能会发生灾难性的后果。
工业以太网市场参与者正在努力地描述以太网技术渗透到制造业生态系统的程度。目前，参与商业领域的公司比如思科、Broadcom、National Instruments、Belden等一直致力于开发专为恶劣环境设计的TSN交换机、芯片、软件平台等。
为了确保TSN供应商的互操作性，思科一直是AVnu的积极参与者。思科的工业以太网（IE）4000系列交换机为工业领域提供卓越的高带宽交换（第2层）和经过验证的基于Cisco IOS软件的路由（第3层）功能。IE 4000系列交换机可承受极端环境，同时符合整体IT网络设计，合规性和性能要求。它们使用思科弹性以太网协议（REP）提供高度安全的访问并且支持工业协议。具有更高的整体性能，更大的带宽，更全面的功能集和增强的硬件，可提供：
- 具有Cisco DNA Center管理的扩展企业功能，并支持物联网的软件定义访问扩展
- 带宽和容量：40-Gbps无阻塞交换容量，每个交换机最多20个千兆以太网端口
- 一个简单的，即用即付的软件升级路径，带有通用软件映像
- 它支持高密度工业PoE / PoE +支持，可为多达8个电源设备提供在线电源，如IP摄像头，电话或无线接入点。
Broadcom的 Quartz BCM53570是一个完全兼容的TSN以太网交换芯片的例子。它实现了多个802.1标准：802.1Qca路径控制和预留; 802.1Qbv时间感知整形器; 802.1Qbu / 802.3br帧抢占; 802.1Qch循环排队和转发（蠕动整形器）; 802.1AS-Rev，1588 v2定时和同步; 802.1Qcc流预留协议增强; 基于802.1Qci时间的入口策略器; 802.1CB帧复制和消除可靠性; 和802.1CM前端网络配置文件。
2016年NI宣布与工业互联网联盟(IIC)以及博世、英特尔、库卡机器人、施耐德电气以及TTTech等公司合作开发了全球首个时间敏感网络(TSN)测试台。TSN已经用于在NI的功率微电网试验台。该平台集成了各家的硬件和软件。本质上，它使用TSN来同步和管理电网之间的电力分配，非常类似于系统中的微电网，它与各种电源（如风能和太阳能）和包括主电网在内的配电系统相连接。
2017年NI宣布推出两款新的多时隙以太网机箱。在cDAQ-9185和cDAQ-9189中采用基于时间同步最新以太网标准，该两款机箱提供与TSN的紧密时间同步，以简化和改善同步分布式系统的可扩展性。具体表现为：
- 通过网络实现精确的同步定时，无需冗长的物理定时电缆，并确保紧密同步的测量，从而实现精确分析。
- 通过集成的网络交换机进行简单的daisy chaining连接，以便在分布式应用中快速设置和扩展。
- 工作温度范围-40°至70°C，抗冲击性高达50 g，抗振性高达5 g，在恶劣环境中能可靠运行。
- 通过NI-DAQmx驱动程序进行软件抽象，该驱动程序可以自动同步多个机箱以进行简单编程。
2017年信号传输产品供应商Belden发布了其模块化管理的Hirschmann交换机类型RSPE35和RSPE37的软件更新（如下图所示），这使得在这些交换机上实现TSN功能成为可能。此外，这两种RSPE类型的旧交换机也可以针对TSN技术进行升级。
根据Belden的说法，RSPE产品系列的管理型交换机包括一个带有八个双绞线和四个组合端口的基本单元，可以通过各种媒体模块进行扩展。RSPE35和RSPE37版本支持符合IEEE 1588-2008的精确时间协议（PTP），并具有现场可编程门阵列（FPGA）模块，这意味着可以实现基于硬件的选择性冗余机制，如高可用性无缝冗余（HSR），并行冗余协议（PRP）。新的软件更新（也支持TSN）现在可以加载到FPGA中，作为以前冗余机制的替代方案。
Moxa是专为恶劣环境设计的工业以太网产品的领先制造商; 包括以太网交换机，无线AP /网桥/客户端，蜂窝网关，安全路由器，IP摄像机，视频服务器，远程I / O和控制器以及嵌入式计算等等。2018年4月19日，Moxa宣布它正在积极参与工业互联网联盟（IIC），并将正式加入TSN互操作性测试平台。通过测试平台中的这些活动，Moxa可以严格测试TSN的互操作性，并确保在上市前稳定可靠。
2018年10月德州仪器（TI）推出业界首款多协议千兆位时间敏感网络处理器系列产品。高度集成的Sitara AM6x处理器系列提供工业级可靠性，内置四臂和双臂Cortex-A53内核，可满足工业自动化和电网基础设施中工业4.0的快速发展需求。通过支持特定子系统中TSN标准和其他工业协议的千兆吞吐率，Sitara AM6x处理器可以在单个网络上融合以太网和实时数据流量。此功能对于工业4.0应用程序中的实时通信至关重要，并且可在工厂中实现软件可重新配置的网络物理系统。
西门子在2018自动化峰会上，西门子自动化产品和系统副总裁Rainer Brehm解释了西门子如何在Profinet和OPC UA中使用TSN。他强调了西门子TSN战略的三个关键工业网络通信方面：
- OPC UA将用于非循环数据的垂直通信和控制器
- Profinet将用于现场级的循环和实时I / O数据交换;
- 由于OPC UA和Profinet可以共享同一个网络，因此它们将一起使用，以便将现场级设备数据发送到SCADA，MES和ERP系统以及云。
Brehm强调了2018年汉诺威工业博览会西门子TSN演示，该演示展示了在高网络负载条件下，使用TSN可以保证机器之间稳健可靠的以太网通信。西门子将OPC UA pub / sub与TSN一起用于M2M通信，以连接两个机器人，每个机器人通过Profinet与Simatic控制器通信。虽然西门子的第一批基于TSN的产品即将上市，但“可能需要几年时间才能完成（IEEE TSN）标准，并建立（TSN）生态系统。
摘自：http://www.eplanp8.com/5599.html