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TSN是工业4.0的关键组成部分。利用TSN的准确性和一致性，可以实现更广泛的功能和用途。
对于大多数以太网技术应用，如果所有组件都正常工作，则数据从 A 点到 B 点遍历网络所需的时间或延迟，在现代网络部署中通常都不是问题。在流媒体传输、下载文件或甚至玩在线视频游戏时，延迟 5 毫秒或接收到无序传输数据包所造成的差异，往往不会被用户注意到。
然而在需要分布式组件紧密耦合的系统中，如科学计算、高频股票交易系统或生产线运营中，几个毫秒都很重要，不能有任何遗漏或失序的数据传输发生。为了满足此类的需求，IEEE 成立了一个工作组来研究时间敏感型网络（TSN）。
传统的以太网传输可以被认为是尽力而为：发送方以切片形式传输数据，接收方将切片重新组合成原始数据。如果切片丢失或无序到达，接收器知道如何重新请求切片副本或将其放入正确的顺序。重新发送和无序组装的这些活动需要时间，并且可能在具有可用数据的接收系统中产生延迟。
工业网络设备供应商知道传统以太网的这些限制，并创建了专有通信协议，如 EtherCAT 和 Profinet 等来解决这些限制。虽然这些实施方案很好地扩展了以太网的功能，以满足制造业的需求，但组件和设备需要满足相关的行业标准规范以便于集成。
TSN ：同步、服务质量和调度
IEEE 802.1 任务组开发了具有几个特定目标的 TSN。时钟可以实现纳秒级的时间同步，这得益于精确时间协议（IEEE 1588）。带宽预留和网络流量整形允许特定类型和分类的通信抢占其它通信，类似于在标准以太网网络上应用服务质量 (QoS)。
由于工业通信的需求，调度和预订系统中使用的策略在设计和实现上要复杂得多。工作组正在努力使这些功能更加强大，并适应不同的通信工作负载，如汽车和安全系统。现在，有 8 个优先级值可以分配给网络通信，帮助设备根据重要性发送和接收数据。
在通过七层 OSI 模型的框架进行分析时，TSN 带来的许多变化发生在第二层。第二层的这些变化对包括第一层在内的物理接口有一些依赖性，例如对时间戳的支持。
由于通信的结构和发送方式存在根本性的差异，因此 TSN 需要将支持的硬件和操作系统配对。表 1 中简要概述了它对 OSI 模型的影响。与 IEC 的联合项目被称为 IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation。在 IEEE 802.1AS、802.1Q 中可以找到更多详细信息。
表1：IEEE TSN 影响 7 个 OSI 层中的 4 个。
TSN 当前面临的挑战：硬件
工业过程的数字化，通常也被称为“工业 4.0”，已经进行了多年。不同行业接受该概念的速度也不尽相同。通过采用和集成支持 TSN 的软件和设备，可以减少他们面临的诸多潜在挑战。对机器学习等应用至关重要的时间序列数据，要求所有为其数据打时间戳的部件都具有精确且同步的时钟，比如高速生产线，需要计时精 度达到纳秒量级。
安全或控制系统必须具有确定的可用带宽，只有这 样才可以发送关键指令并可由下游设备可靠的接收。通过定制或专业设备引入设施的创新，必须与现有协议配合使用，以避免像以前一样局限在某个供应商。工业物联网（IIoT）的发展可以为许多不同的数据收集应用提供差异化的解决方案，实现更具成本效益的监测和数据收集，这在以前的设备或线路上是无法实现。
要使用 TSN 功能，硬件必须支持它。与以太网通信 相关的芯片和组件必须支持内置功能，如生成时间戳。不幸的是，这意味着目前使用的许多设备不支持 TSN，需要进行升级，包括可编程逻辑控制器（PLC）通信模块、服务器、工作站和传感器。标准以太网中不存在调度和优先级功能，因此还需要新的网络代码来处理网络通信。这些特性和功能会消耗更多的处理器时间。
因此，此类固件可能被限制在具有更多可用资源供 TSN 使用的硬件中，这将是升级硬件的另一个驱动力。要实现完整的 TSN 功能，需要支持 TSN 的网络交换机和以太网控制器，以及具有支持 TSN 的芯片组和软件的服务器或设备，如果需要从专有确定性网络进行转换，可能还需要 TSN 网关。
IEEE 802.11 无线和 5G 网络的发展
TSN 作为工业 4.0 的一部分，连接性是另一个考虑 因素。现在 TSN 都是通过有线实现的。如何将 TSN 功能引入到无线设备中，相关研究正在进行中，但组织不应期望在未来几年内就可以使用这些技术。该研究已经提出了在标准 IEEE 802.11 无线空间以及 5G 蜂窝网络频段中运行的概念验证产品。目前，无线设备尚无法支持 TSN 的特性或功能。在评估他们计划部署的设备和连接需求时，网络设计师或工程师应了解这些限制。此外， 还可以考虑其他技术和无线解决方案，包括 LoRaWAN 和蓝牙低功耗（BLE）等。
TSN 的用途、优势：标准、确定性
支持 TSN 的设备具有很多优势，包括实现基于人工 智能和机器学习的功能，如预测性维护、机器性能指标、质量和效率模型。拥有一个能够实现高速控制、数据采集和监控功能的接口，将简化过去需要多个接口和更复杂功能才能实现的应用，从而实现更快速的开发和部署。
作为一个 IEEE 标准，对于希望采用新通信技术和功 能的组织来说，对供应商锁定和专有协议的担忧就变得不那么重要了。支持 TSN 的网络交换机和设备可以从不同的供应商处采购。使用标准以太网布线消除了复杂性，并允许 IT 和 OT 共享支持基础设施的技术资源。由于产品是根据 IEEE 发布的标准开发的，互操作性是其主要目标，TSN 的最终用户不需要担心任何许可证、费用或其它年度成本。
在标准网络中确定性传输数据解决方案的能力，应 能降低进入设施的解决方案的复杂性。随着调度和优先功能的增加，TSN 可能成为从传统解决方案升级的一个途径。供应商还将推出新型网关，允许时间敏感的通信协议过渡到基于 TSN 的以太网（如 SERCOS 到 TSN），使其能够享受以太网的优势，而无需进行成本高昂的更换全部组件。
当前通过设备级环网（DLR）、并行冗余协议（PRP）、媒体冗余协议（MRP）实现的冗余方法，可以被添加到 TSN 的附加功能所取代。虽然这些标准尚未就位，但正在讨论中，如果纳入标准，将进一步降低工业网络的复杂性和专有结构。使用这些现有技术的组织应继续了解这些领域的发展，因为它们可能会影响 5 至 7 年后项目升级的设计和技术选择。
工业网络技术的未来发展前景令人兴奋。本文中讨 论的所有特性和功能，可能需要几年的时间才能成熟并应用到设备中。一些功能 ( 如精确时间协议 ) 已经在应用，并且已经在创造价值。TSN 是实施工业 4.0 的关键组成部分。利用 TSN 的准确性和一致性，可以实现更广泛的功能和用途。（作者 | Alan Raveling）
关键概念：
■ 思考 TSN 如何帮助同步、服务质量和调度。
■ 了解 TSN 网络如何影响OSI层、硬件和无线。
■ 支持 TSN 的设备具有很多优势，包括实现基于人工智能和机器学习的功能。
思考一下：
您的以太网通信是否满足实时通信需求？