★本刊記者/文曉

國防科技大學(xué)計算機學(xué)院研究員、博士生導師 孫志剛

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）作為新一代實(shí)時(shí)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，相對傳統的以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)載網(wǎng)絡(luò )等多個(gè)領(lǐng)域使用的通信方案。當前，眾多企業(yè)和專(zhuān)家都在積極推動(dòng)TSN在工控場(chǎng)景應用，本刊記者特別采訪(fǎng)國防科技大學(xué)計算機學(xué)院研究員、博士生導師孫志剛，暢談TSN將對工控領(lǐng)域帶來(lái)的重要影響。

記者：請您介紹一下時(shí)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：我認為T(mén)SN技術(shù)對未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有較強的推動(dòng)作用，主要表現在三個(gè)方面。

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

當前工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中，實(shí)時(shí)關(guān)鍵控制數據和數據密集型的應用數據分別通過(guò)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 )內軟件更新極其困難，在當前智能化背景下，機器學(xué)習、圖像識別、數據挖掘等技術(shù)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(wǎng)絡(luò )中，OT網(wǎng)絡(luò )內傳感器產(chǎn)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(wǎng)絡(luò )的界限，實(shí)現數據更高的利用價(jià)值。實(shí)現OT和IT網(wǎng)絡(luò )融合是現代工廠(chǎng)實(shí)現智能制造和數字化轉型的先決條件。

TSN使IT網(wǎng)絡(luò )具備傳輸OT數據的能力，支持OT和IT融合。TSN通過(guò)一系列協(xié)議增強標準以太網(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(shí)間敏感的工業(yè)信號能夠得到及時(shí)傳輸，同時(shí)不影響低優(yōu)先級數據的傳輸。TSN打破了傳統工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中不同優(yōu)先等級的業(yè)務(wù)流不能共享線(xiàn)路的局限，實(shí)現OT數據與IT數據共網(wǎng)傳輸。

第二方面，TSN可以為工業(yè)控制提供更高的數據交換帶寬。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò )通信帶寬需求不斷遞增。如今視頻在設施管理和生產(chǎn)控制過(guò)程中的地位日漸重要，工業(yè)應用中用來(lái)進(jìn)行部件識別和安裝檢驗的機器視覺(jué)攝像機采用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(lái)復雜工業(yè)系統智能檢測與數據處理的重要技術(shù)，隨著(zhù)多傳感器融合技術(shù)引入，需整合來(lái)自不同類(lèi)型傳感器的信息，以獲得對工廠(chǎng)內設備更全面、準確的監控。所有跡象都表明未來(lái)現場(chǎng)和工廠(chǎng)運作需要高帶寬網(wǎng)絡(luò )支持。

TSN的應用為滿(mǎn)足工業(yè)網(wǎng)絡(luò )內數據傳輸的高帶寬需求奠定網(wǎng)絡(luò )基礎。傳統的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，鏈路傳輸速率通常不超過(guò)100Mbps，無(wú)法滿(mǎn)足當前工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中海量數據高帶寬傳輸需求。TSN繼承以太網(wǎng)高帶寬特性，千兆以太網(wǎng)通常是起始標準，萬(wàn)兆以太網(wǎng)的應用也越來(lái)越廣泛。TSN技術(shù)使得所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中的數據流，無(wú)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(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(kāi)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)域中出現了多種工業(yè)總線(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)，不同技術(shù)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(chǎng)商主導，并維持相應設備生態(tài)圈。這使得協(xié)議與設備綁定，不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的傳輸機制彼此封閉，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準，成本較高。因此需要建立一個(gè)統一的，沒(méi)有知識產(chǎn)權約束的通信標準，有利于簡(jiǎn)化工控產(chǎn)品研制，降低用戶(hù)成本。

與之形成對比的是TSN的開(kāi)放生態(tài)，TSN的開(kāi)放生態(tài)源自其標準化過(guò)程和以太網(wǎng)技術(shù)基礎。TSN標準不是某個(gè)單一廠(chǎng)商或組織的私有技術(shù)，而是通過(guò)IEEE802.1工作組主導，全球范圍內的行業(yè)參與者共同制定和推動(dòng)的開(kāi)放標準。TSN是對以太網(wǎng)標準的增強，可以說(shuō)TSN標準就是以太網(wǎng)標準，因此TSN天然繼承以太網(wǎng)的開(kāi)放生態(tài)。以太網(wǎng)作為成熟的、全球廣泛應用的通信標準，本身具有高度的開(kāi)放性，其協(xié)議棧、接口標準和傳輸方式已被全球各大廠(chǎng)商廣泛采用。TSN的設備、協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )架構建立在以太網(wǎng)基礎之上的，意味著(zhù)使用以太網(wǎng)技術(shù)的廠(chǎng)商和設備，基本上能無(wú)縫過(guò)渡到支持TSN的系統中。

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

孫志剛：為推動(dòng)TSN在工業(yè)領(lǐng)域的應用，國際電工委員會(huì )（IEC）和電氣與電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE）共同制定IEC/IEEE 60802標準。IEC/IEEE 60802標準定義工業(yè)應用中的關(guān)鍵TSN特性，旨在解決TSN在工業(yè)應用中的實(shí)時(shí)性、可靠性和互操作性需求。IEC/IEEE 60802通過(guò)開(kāi)放的標準打破技術(shù)壁壘，推動(dòng)不同產(chǎn)商的TSN設備互聯(lián)互通。目前，IEC/IEEE 60802仍在持續完善，聚焦工業(yè)控制系統的典型要求，推動(dòng)TSN在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用。

國內工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）先后撰寫(xiě)了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》《TSN網(wǎng)絡(luò )控制系統白皮書(shū)》《時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》等白皮書(shū)，推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)TSN技術(shù)在垂直行業(yè)的實(shí)際應用。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(shū)（2024年）》中明確指出將工業(yè)以太網(wǎng)和TSN結合，可以確?；蚋纳埔蕴W(wǎng)流量的實(shí)時(shí)傳輸，并進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中的IT/OT融合，滿(mǎn)足各類(lèi)工業(yè)場(chǎng)景的通信需求。

由于IEC/IEEE60802等關(guān)鍵標準還沒(méi)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(yè)制造中的落地應用還不多。預計隨著(zhù)工業(yè)TSN交換機以及相關(guān)管理軟件的不斷成熟，在2030年左右TSN會(huì )在工業(yè)制造裝備中得到大量應用。

記者：您認為T(mén)SN技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應用將為工控機產(chǎn)業(yè)帶來(lái)哪些影響？

孫志剛：我認為主要有三點(diǎn)影響：

第一，基于以太網(wǎng)統一工控機通信接口標準，降低設備成本。

當前工業(yè)總線(xiàn)種類(lèi)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(lái)隨著(zhù)TSN技術(shù)的逐步普及，工控機將逐步轉向支持單一的以太網(wǎng)接口。這樣一來(lái)，工控機的硬件和軟件設計可以簡(jiǎn)化，生產(chǎn)成本將大幅降低。

TSN遵循標準以太網(wǎng)技術(shù)，這意味著(zhù)TSN能夠利用現有的商業(yè)現貨（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)，所有通信設備都支持以太網(wǎng)協(xié)議，簡(jiǎn)化了工廠(chǎng)控制系統的設計，降低了組網(wǎng)成本。

第二，TSN的應用會(huì )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(chǎn)權問(wèn)題。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化和智能制造的快速發(fā)展，工控機作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )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(chǎng)商在使用外部芯片時(shí)，往往會(huì )面臨專(zhuān)利、許可費用等知識產(chǎn)權相關(guān)問(wèn)題，而將TSN功能直接集成到SoC芯片中，可以避免相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)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(huì )對操作系統（OS）和中間件開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的挑戰。

隨著(zhù)工控機的終端設備通信接口逐漸向統一的以太網(wǎng)接口過(guò)渡。這一轉變簡(jiǎn)化工控機硬件架構，也對操作系統（OS）和中間件開(kāi)發(fā)模式提出新的要求。

終端發(fā)送數據幀的時(shí)間要與網(wǎng)絡(luò )時(shí)間對齊，所以TSN技術(shù)要求終端具備高精度的時(shí)間同步能力，確保數據能夠按時(shí)傳輸和處理。例如，終端可采用高實(shí)時(shí)性的操作系統，如實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）或基于Linux進(jìn)行實(shí)時(shí)擴展，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(yōu)先級，確保實(shí)時(shí)數據能夠按時(shí)傳輸和處理。TSN使得工控機的網(wǎng)絡(luò )接口向以太網(wǎng)協(xié)議統一，以往開(kāi)發(fā)人員需要針對不同的總線(xiàn)和通信協(xié)議進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，而現在，統一的以太網(wǎng)協(xié)議棧和標準化接口使得應用開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)便。

孫志剛，國防科技大學(xué)計算機學(xué)院研究員，博士生導師，長(cháng)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(lèi)裝備型號研制10余項。是開(kāi)源項目OpenTSN和“TSN系統設計論壇（楓林論壇）”發(fā)起人。分別于2021年和2023年主持完成國內第一款時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )芯片“銀河衡芯DS09”以及國內首個(gè)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(guò)20個(gè)成功應用。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年11月刊