要說現(xiàn)在工業(yè)通訊領(lǐng)域最熱門的技術(shù)，那一定是非TSN莫屬。其實(shí)，TSN（Time Sensitive Network）時間敏感型網(wǎng)絡(luò)是一個最新的但卻并非陌生的技術(shù)，那TSN究竟是什么樣的網(wǎng)絡(luò)呢？為何TSN會被認(rèn)為是未來工業(yè)通訊的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)呢？TSN會替代現(xiàn)在的各類實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)嗎？……

　　面對這些問題，CE China的老石和B&R的老宋開始了一場刨根問底式的對話，希望能讓你對TSN有一個全面正確的了解。

　　對話人

　　對話實(shí)錄

　　老石：TSN是時間敏感網(wǎng)絡(luò)的意思，時間敏感是什么意思？其他網(wǎng)絡(luò)對時間不敏感嗎？有衡量指標(biāo)嗎？

　　老宋

　　說實(shí)話，最初在2016年貝加萊總部介紹TSN的時候，我覺得這似乎不像是一個工業(yè)自動化領(lǐng)域的技術(shù)，因?yàn)橄馪ROFINET、POWERLINK、EtherCAT等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以達(dá)到比較高的實(shí)時性指標(biāo)，而且好像也極少遇到什么當(dāng)前100μS搞不定的案子，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)講 “Determistic”，即確定性網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榭刂剖腔凇暗葧r同步”的，工業(yè)領(lǐng)域早已實(shí)現(xiàn)“時間敏感”。因此，就個人而言當(dāng)時覺得這個詞是IT的人不了解工業(yè)而開發(fā)出來的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)門SN的最初描述是為以太網(wǎng)賦予“確定性”、“實(shí)時性”傳輸能力，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是沒有這個能力的，但是，實(shí)時以太網(wǎng)有這個能力。

　　那么，問題的關(guān)鍵在哪里？TSN最關(guān)鍵的目的在于“同一”網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，即，周期性的控制通信需求和非周期的數(shù)據(jù)在同一個網(wǎng)絡(luò)中傳輸，才是TSN的核心訴求。

　　因?yàn)楝F(xiàn)在的IT與OT融合過程中會遇到非常大的問題，即，周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)往往需要通過兩個網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此，你會發(fā)現(xiàn)控制器各家都是兩個網(wǎng)口，一個實(shí)時以太網(wǎng)，一個標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，一般實(shí)時網(wǎng)絡(luò)用語機(jī)器與系統(tǒng)控制，而標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)用于管理級信息的傳輸。

　　通常，衡量網(wǎng)絡(luò)的QoS（Quality of Service）指標(biāo)包括循環(huán)周期、延遲、抖動這幾個指標(biāo)，一般來說，硬實(shí)時會在百微秒這個級別的刷新，抖動控制在幾十個nS這個級別，延遲在微秒級。沒有特別的官方定義實(shí)時性，因?yàn)椋瑧?yīng)用場景不同。

　　老石：TSN特點(diǎn)之一是實(shí)時性高，我們以往的現(xiàn)場總線、實(shí)時以太網(wǎng)不也有這個特點(diǎn)嗎？相比這些TSN在實(shí)時性方面也有優(yōu)勢嗎？

　　老宋

　　盡管TSN的關(guān)鍵訴求在于“同一”網(wǎng)絡(luò)的傳輸，但經(jīng)過研發(fā)人員的設(shè)計(jì)，其調(diào)度機(jī)制也允許獲得較高的實(shí)時響應(yīng)能力，目前貝加萊已經(jīng)開發(fā)的千兆以太網(wǎng)的TSN測試下來抖動在50nS（抖動通常描述的是最差情況），可以達(dá)到的最快周期是在10μS級，因此，對于現(xiàn)有的工業(yè)控制而言，TSN的實(shí)時性是完全可以保障的。

　　和目前主流的實(shí)時以太網(wǎng)比TSN顯然性能更高，據(jù)貝加萊總部的測試數(shù)據(jù)顯示高了18倍的整體性能（其測試是按照節(jié)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)負(fù)載不斷增加然后取性能的均值）。

　　老石：TSN是如何實(shí)現(xiàn)時間敏感的呢？它是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)上做了哪些修改嗎？

　　老宋

　　TSN本身是一系列的標(biāo)準(zhǔn)，它包含了時鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)配置三個方面的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，TSN僅指數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，這一點(diǎn)必須闡明，它可以采用IEEE802.3的以太網(wǎng)或IEEE802.3cg的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)物理層，而數(shù)據(jù)鏈路層采用了橋接網(wǎng)絡(luò)，以及不同的數(shù)據(jù)流調(diào)度的策略，也就是Shaper-整形器，比如CBS基于信用的整形器、Qbv-時間感知整形器TAS、CQF-周期性排隊(duì)與轉(zhuǎn)發(fā)、ATS-異步傳輸整形器。想了解這個就得了解以太網(wǎng)本身是怎么傳輸?shù)?，然后就明白TSN主要是在Transmit Selection這個地方進(jìn)行了策略調(diào)度機(jī)制的設(shè)計(jì)。

　　老石：TSN這兩年在工業(yè)界越來越火，這個TSN源自哪里，是咱們工業(yè)界獨(dú)有嗎？其他行業(yè)也叫TSN嗎？全球誰在主導(dǎo)這個標(biāo)準(zhǔn)??？

　　老宋

　　SN并非是源自工業(yè)界，TSN最早是在音視頻傳輸領(lǐng)域，后來在汽車領(lǐng)域于2012年成立IEEE802.1Q工作，而到工業(yè)已經(jīng)是2015年的事情了，成立了IEEE802.1 TSN工作組。

　　在汽車工業(yè)里一般稱為AVB-Audio Video Bridge，是由IEEE802.1Qav、IEEE802.1AS和IEEE802.1Qat（已經(jīng)作為IEEE802.1Q的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)）構(gòu)成。

　　在航空航天領(lǐng)域也有大量時間敏感型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，他們可以稱為AS6802，而在工業(yè)領(lǐng)域，IEC和IEEE合作，成立了IEC 60802工作組用于實(shí)現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)制定。

　　目前TSN的推動組織是Avnu，包括IIC、OPC UA基金會也加入了推動這項(xiàng)技術(shù)的工作，他們會和主要的Shaper廠商共同推動TSN技術(shù)的發(fā)展。

　　老石：TSN今后是要成為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，而且比以前的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議先進(jìn)，那是否意味著今后民用商用工業(yè)用的以太網(wǎng)協(xié)議都會成為TSN？

　　老宋

　　TSN是一項(xiàng)VLAN技術(shù)，即Vitural Local Area Network，這顯然定義了它是一個局域網(wǎng)，并且是一個虛擬的局域網(wǎng)，它不必一定成為商用和民用的所有通吃的標(biāo)準(zhǔn)，TSN域和非TSN域的區(qū)別在于VLAN ID，即，進(jìn)入TSN網(wǎng)絡(luò)會被交換機(jī)給打上VLAN標(biāo)簽，然后借助于TSN機(jī)制在該網(wǎng)絡(luò)中傳輸，但離開了TSN網(wǎng)絡(luò)的時候，這個VLAN標(biāo)簽會被去除，它也可以變?yōu)橐粋€標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀被傳輸。因此，TSN交換機(jī)會和普通交換機(jī)一起工作沒有問題。

　　因此，商業(yè)或民用網(wǎng)絡(luò)并不是必須要變?yōu)門SN網(wǎng)絡(luò)，這完全取決于應(yīng)用本身的需求，尤其是經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，因此，如果沒有特殊的實(shí)時性需求的話，倒沒有必要，目前TSN網(wǎng)絡(luò)看來聚焦在工業(yè)級IoT應(yīng)用比較多。

　　老石：為何這兩年突然TSN就受到業(yè)界這么多人的關(guān)注？它能解決哪些現(xiàn)在解決不了的問題嗎？

　　老宋

　　TSN火的原因就是大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求產(chǎn)生的，因?yàn)?，你必須考慮周期性和非周期性數(shù)據(jù)的同一網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，帶寬的需求較之以往更大。

　　你可以看到這個圖中，描述了幾個場景：

　?。?）音視頻同步：其實(shí)，如果你看中央電視臺，你看到播音員的口型和語音會出現(xiàn)不同步—這也屬于質(zhì)量問題，因?yàn)橐纛l和視頻沒有同步，或者像大劇院里的音箱，你想想如果他們不能實(shí)現(xiàn)同步，就會出現(xiàn)重復(fù)的聲音，也屬于數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的問題。

　　（2）ADAS，相對于傳統(tǒng)的汽車而言，ADAS會需要多個激光雷達(dá)（比如前后三個），包括安全系統(tǒng)，這些更多的傳感器都會帶來帶寬的需求較之以往更大。

　?。?）AR/VR、機(jī)器視覺：這些技術(shù)在工業(yè)場景更多的使用都會讓帶寬的需求變大。

　　因此，TSN是有實(shí)際的需求的，連接變得更為廣泛，則需要更大的網(wǎng)絡(luò)容量傳輸能力。

　　老石：既然具有時間敏感特點(diǎn)的以太網(wǎng)絡(luò)有這么多優(yōu)點(diǎn)，那么為何在早先的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)推出時沒有考慮做成時間敏感呢？為何現(xiàn)在就要加上時間敏感？是原先沒有想到嗎，還是原來的技術(shù)實(shí)現(xiàn)不了，或者是成本太高等其他原因？

　　老宋

　　90年代大眾來中國投資建汽車廠的時候，中國的高速公路才剛開始，包括現(xiàn)在很多老的小區(qū)都沒有足夠的停車位，誰會料到今天汽車如此普及呢？

　　同樣道理，在你不需要這項(xiàng)技術(shù)的時候，你是不會真正有動力去開發(fā)這樣的技術(shù)的，因?yàn)槿绻麤]有人用，這些研發(fā)投入就失去意義了，因此，任何技術(shù)的流行都會需要時間，而且，就目前而言，TSN都還沒有到它真正爆發(fā)的時候，因?yàn)?，對互?lián)的需求也就最近幾年才剛開始，大量的工廠實(shí)際上還處于單機(jī)生產(chǎn)的階段。因此，TSN現(xiàn)在已經(jīng)處于未雨綢繆的階段，因?yàn)榇髷?shù)據(jù)應(yīng)用僅在局部開始，而并非進(jìn)入爆發(fā)期。

　　當(dāng)然，你說的沒錯，要實(shí)現(xiàn)TSN這樣的網(wǎng)絡(luò)的確需要非常大的技術(shù)投入，因?yàn)樗膹?fù)雜性是超過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)的，就像時鐘同步就比IEEE1588有可靠性方面的需求，調(diào)度機(jī)制也更多樣靈活，這些都是需要芯片處理包括千兆以太網(wǎng)處理芯片、傳輸電纜、交換芯片等，這些都是成本，而只有面臨巨大的市場機(jī)會，芯片廠商才會有動力去投入研發(fā)。

　　老石：截至到目前，關(guān)于TSN的相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)、測試床，支持的廠商等最新進(jìn)展是什么樣的？

　　老宋

　　目前TSN有幾個重要的測試床推動者，一個是德國的LNI-就是工業(yè)4.0組織的測試床，一個是在IIC的測試床，還有一個就是由華為ECC組織的測試床，貝加萊在三個組織中都積極的參與了Testbed的建設(shè)。

　　目前，主流的自動化廠商都發(fā)布了各自的TSN產(chǎn)品或者測試產(chǎn)品，像B&R在2017年SPS發(fā)布了TSN產(chǎn)品，而SIEMENS在2018年漢諾威展發(fā)布了Profinet over TSN的產(chǎn)品，2019年三菱發(fā)布了CC-Link IE TSN產(chǎn)品。華為、TTTech、CISCO、MOXA、赫斯曼等廠商也發(fā)布了TSN交換機(jī)產(chǎn)品。

　　在芯片這個領(lǐng)域包括了NXP、XILINX、Intel、AD等廠商均發(fā)布了支持TSN的芯片組。

　　老石：雖然TSN這兩年火熱，幾乎所有人看好和支持，那為何從實(shí)際產(chǎn)品上還并不多見，或者還沒有批量生產(chǎn)和銷售，正式工業(yè)應(yīng)用幾乎沒有，主要卡在哪里呢？預(yù)計(jì)到什么時候，TSN會開始真正落地應(yīng)用？

　　老宋

　　看來，你比用戶更著急，但是，工業(yè)產(chǎn)品一般生命周期都比較長，就像CAN總線、Modbus現(xiàn)在還在用一樣，實(shí)際上，它并沒有想你想象那么慢，相對于過去的總線從概念、局部應(yīng)用、大面積成熟應(yīng)用的時間而言，TSN的發(fā)展算是比較快的，因?yàn)槟阋繲SN面向工業(yè)的工作組2015年底才成立，2016年9月才召開Shaper的啟動會議，因此，你能夠在2018年看到這么多公司推出產(chǎn)品已經(jīng)算是非?？斓牧?。

　　TSN在2019年包括像現(xiàn)在已知的貝加萊、三菱都會有批量化產(chǎn)品推出，工業(yè)產(chǎn)品不會像手機(jī)那么更新快，華為的P20 Mate Pro我還沒買呢，P30就出來了，而工業(yè)產(chǎn)品一般生命周期都在15年以上，因?yàn)橐慌_機(jī)床可能會用20年以上。

　　因此，其實(shí)TSN發(fā)展已經(jīng)非?？炝?。

　　老石：一個通信網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)TSN，需要哪些設(shè)備來構(gòu)成或支持？相比其他網(wǎng)絡(luò)，TSN實(shí)現(xiàn)起來會不會更加昂貴？

　　老宋

　　TSN是一個VLAN，因此它很多實(shí)現(xiàn)是在軟件的層面的，需要具有處理這種時鐘同步和調(diào)度機(jī)制的交換機(jī)，當(dāng)然對于控制器而言，需要TSN的芯片支撐，具體的芯片成本我倒沒有考量過，但是，事物發(fā)展的規(guī)律是具有共性的，成本一定是一個不斷下降的過程，因?yàn)榇罅康牟捎镁涂梢越档统杀尽?/p>

　　老石：現(xiàn)在看到國外廠商TSN產(chǎn)品陸續(xù)發(fā)布了，但國內(nèi)廠商還沒有，那要如何才能開發(fā)一個TSN的主站或者從站或者I/O呢？成本高嗎？

　　老宋

　　這一點(diǎn)倒不完全是這個情況，華為在這方面已經(jīng)走在前面，他們的TSN交換機(jī)也已經(jīng)開發(fā)完成了，不過也似乎尚未進(jìn)入批量化階段，因?yàn)槿A為會考慮更多的場景問題，因此，在整形器方面會有一些自己的設(shè)計(jì)，最近我寫了關(guān)于TSN的整形器（Shaper），還請教了華為的兩位專家，另外，MOXA也有TSN的交換機(jī)產(chǎn)品推出，還有一些大學(xué)、研究所、企業(yè)也推出TSN相關(guān)的技術(shù)測試產(chǎn)品，目前尚未正式發(fā)布 。

　　目前提供TSN技術(shù)開發(fā)板的包括XILINX，以及TTTech和Intel共同推出的TSN解決方案、芯片廠商N(yùn)XP、AD等也推出了TSN的開發(fā)與測試芯片及測試板。

　　老石：現(xiàn)在實(shí)時以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線在控制領(lǐng)域、特別是運(yùn)動控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，那TSN會取代這些協(xié)議嗎？TSN和這些實(shí)時網(wǎng)絡(luò)會是什么樣的關(guān)系？

　　老宋

　　又需要強(qiáng)調(diào)一遍，就是TSN是在ISO/OSI架構(gòu)的第二層，這意味著目前的TSN可以以各種形式出現(xiàn)，其實(shí)，以太網(wǎng)本身也是這個發(fā)展過程，比如Profinet就是Profibus over Ethernet，POWERLINK就是CANopen over Ethernet，那么，就會出現(xiàn)Profinet over TSN、CC-Link IE TSN這些場景，這種設(shè)計(jì)往往是為了保持應(yīng)用層軟件的延續(xù)性，以確?，F(xiàn)有的設(shè)備投資的可用性，而貝加萊則會選擇OPC UA over TSN，原有的POWERLINK CANopen應(yīng)用層會逐漸轉(zhuǎn)向OPC UA，必須保持一個軟件應(yīng)用的延續(xù)性，這也是在較長的一段時間里，應(yīng)用層保持，而逐步轉(zhuǎn)向TSN的過程。

　　這一點(diǎn)必須強(qiáng)調(diào)，對于任何工業(yè)應(yīng)用而言，保持技術(shù)的穩(wěn)定性、繼承性是一種必須的考量，因此，技術(shù)的升級必須盡量的平滑過渡，對于用戶同樣如此，這是投資安全性的保障，因此，TSN短期內(nèi)當(dāng)然不會取代現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，但是，在更長的時間里，TSN會成為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

　　ISO/OSI模型很有意思，就是它使得各個層可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，包括物理層，目前的IEEE802.3可以繼續(xù)使用，當(dāng)然也可以使用諸如PoE（Power on Ethernet）、SPE（Single Pair Ethernet-IEEE802.3cg）的物理層。

　　老石：現(xiàn)在另外一個通訊技術(shù)5G也已經(jīng)來臨，5G也是以低時延、高帶寬為最大特點(diǎn)，而且5G要最多的應(yīng)用可能在工業(yè)上，那么TSN和5G會是一個競爭關(guān)系嗎？

　　老宋

　　5G也有針對ULL（Ultra Lower Latency）的場景，但是，5G屬于無線網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是類似于運(yùn)動控制這些應(yīng)該還不會采用5G，但是，基于IIoT的應(yīng)用中對網(wǎng)絡(luò)的確定性評估可以承受的領(lǐng)域5G是可以使用的，另外，TSN也會有針對無線場景的標(biāo)準(zhǔn)。

　　因此，評估技術(shù)的應(yīng)用前景主要看場景—他們肯定不會是競爭關(guān)系，而是相互補(bǔ)充。

　　老石：對于TSN，也有些人認(rèn)為現(xiàn)在是“雷聲大雨點(diǎn)小”，那TSN標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展是什么樣的？還需要解決哪些方面的問題從而來加速推進(jìn)呢？現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展那么快，TSN會不會中途又被新的通信技術(shù)給替代了？

　　老宋

　　其實(shí)，任何一項(xiàng)技術(shù)的核心驅(qū)動力是“經(jīng)濟(jì)性”，而技術(shù)推動必然有一個接受過程，市場需要培育，因此，TSN顯然也不可能短期馬上就會大量的應(yīng)用，想想現(xiàn)場總線從開始到發(fā)展到頂峰實(shí)際上也經(jīng)歷了30年的時間，如果放眼整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，TSN從2015年發(fā)展到今天已經(jīng)算是非?？斓乃俣攘?。

　　至于TSN中途會不會被新的通信技術(shù)替代，這個問題比較有意思，理論上來說，一切皆有可能。但是，任何技術(shù)都是來自于需求的，如果需求沒有本質(zhì)的變化，那么技術(shù)也就不會有本質(zhì)的變化，如果需求就是網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一，那么無論是TSN還是說一個新的技術(shù)，同樣是這個技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑，而且通信技術(shù)不可能離開芯片、工業(yè)控制獨(dú)立存在，因此，只會有TSN的升級，而很難有一個獨(dú)立的技術(shù)替代它。

　　技術(shù)的發(fā)展有其必然性，既然大家看到了10年后的技術(shù)需求而開發(fā)TSN，那么它就會在很長一段時間內(nèi)持續(xù)的發(fā)展。

　　至于更久的時間比如30年后會是怎樣，我想大部分人都無法關(guān)注，因?yàn)?，這個時候如果你敏銳的觀察到30年后的網(wǎng)絡(luò)的需求，然后研發(fā)30年后要用到的技術(shù)，你這家公司是活不到那個時候的。

　　老石：如果未來一旦TSN在各個領(lǐng)域都普及了，是不是就是實(shí)現(xiàn)了所謂的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)？

　　老宋

　　這個倒是值得期待，TSN正是致力于此，不過，萬物是否一定是被TSN互聯(lián)，那也未必，因?yàn)檫@個世界有太多的技術(shù)，就像剛才提到的5G，人類因?yàn)槎鄻有圆庞幸馑迹惨驗(yàn)橛形粗胖档锰剿?，TSN能不能實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)并不重要，它只是一個技術(shù)，不用賦予它那么重大的意義，就像比爾。蓋茨所說“我們總是高估在一年或者兩年中能夠做到的，而低估五年或者十年中能夠做到的”—短期看TSN似乎還沒有到要廣泛應(yīng)用的階段，但長期來說，TSN在汽車、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⑹蔷哂薪y(tǒng)治性地位的，不過它的最佳搭檔是OPC UA，這兩者的配合將會讓工業(yè)有著天下一統(tǒng)的可能。

　　當(dāng)然，在工業(yè)世界里，價值的創(chuàng)造不僅僅依賴于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而依賴于對客戶價值的追求，包括軟件的應(yīng)用價值、人的創(chuàng)造力，沒有這些，TSN發(fā)揮不了什么，它只是一個實(shí)現(xiàn)我們價值創(chuàng)造過程的工具—對于工業(yè)企業(yè)而言，價值仍舊來自于為客戶解決問題，TSN會幫助我們。