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TSN与工业以太网的关系以及演进展望

2025/1/8 14:57:36

来源:TSNLAB 微信公众号

 

  先放3个重要结论:

  TSN是标准以太网(Ethernet)的增强,TSN就是标准Ethernet。

  这里的标准以太网,由IEEE 802工作组定义。从OSI模型的角度,IEEE 802.1定义MAC(数据链路层,以后简称链路层或二层),IEEE 802.3定义PHY(物理层)。也就是说,标准以太网不仅仅是二层。IEEE 802.1在链路层做的工作,展开又可以分为硬件类、协议类、其它。TSN技术集的定义都是在IEEE 802.1里进行的,也同时覆盖到这三类:如硬件类有几种整形器、帧抢占等;协议类有资源预留协议等;其它类有时间同步等。

  TSN非二层专用技术,TSN(Ethernet)当然可以和IP一起用。

  举个例子,一个IP转发的流量,可否享受TSN时间门控的服务?当然可以!TSN标准定义了时间门控的机制,而这个机制是在网络设备的排队系统上实现的。我们有“一万种方法”可以让一个IP转发的报文进入到特定的队列(如基于DSCP、基于VLAN PCP、基于流量识别的流策略控制或优先级重映射等等),从而受到TSN时间门控的服务和调度控制。至于如何为这个流量进行资源预留,可以通过二层协议或三层协议,也可以通过集中配置设备的方式。

  TSN(Ethernet)和一般意义上的PROFINET、EtherCAT等工业以太协议不对等。

  前者是不包含应用层的,而后者包含。比如PROFINET、EtherCAT使用标准的Ethernet帧格式,同时用其中EtherType的字段标识了后面的报文内容(Payload)是PROFINET或EtherCAT的内容。这些内容属于应用层,其具体格式,也是PROFINET、EtherCAT定义的。

  在这个基础上,本文尝试用一张图,来讲解TSN与工业以太网的关系。

  (此外,本文最后有一些作者的重要观点,欢迎大家讨论,请不要直接跳过哦。)

  

  注1:白色填充方框内为一般意义上开放、通用的ICT软硬件技术

  注2:本图为示意图,因简洁一致性和易理解性的取舍,不能保证每个细节绝对准确。

  PROFINET:目前有ccA(nRT)、ccB(RT)、ccC(IRT)、ccD(TSN)四个一致性等级。IRT和TSN可以用于同步场景,TSN与RT兼容,TSN与IRT不兼容。TSN相比于IRT有技术上的优势,但是当前PROFINET IRT有成熟的产品和方案,而PROFINET TSN还没有。PROFINET RT + TSN可以是未来,但这个未来多久来,很大程度上取决于PI联盟及其相关公司的产业、商业决策。

  EtherNet/IP、POWERLINK、Modbus-TCP、OPC UA:本来就是工作在标准Ethernet上的方案,技术上可以按需升级为TSN,产业方面也都有相关的测试床。

  EtherCAT:从技术上来讲和TSN很大程度上有竞争关系。虽然ETG很早就发布了EtherCAT TSN白皮书,讲两者可以相结合,但在商业上没有后续动作。

  CC-Link IE TSN:CLPA和三菱已经发布了相关的产品,包括使用在PLC与远程IO上的TSN模块、支持TSN的伺服驱动器,可以和TSN交换机一起构建端到端的自动化解决方案。

  这里面相关的玩家,或者说背后的推手,又可以分为三大类。在上图中的,一般会选下面的1 and/or 2;暂时还不在上图中但是有点想法的,可能会选2 or 3。

  1、继续经营原有的生态系统,总线向工业以太演进,工业以太可以(慢慢)向TSN以太演进。

  2、大力发展OPC UA + TSN;推进“开放自动化”。

  3、建立和发展新的生态系统,X APP + TSN,或X APP + 私有总线/私有工业以太。

  对于3,作者认为,在应用侧去构建自己的生态和技术壁垒是没问题的,而如果网络侧也要做一套不与标准Ethernet兼容的新总线,则在给自己增加难度的同时,难以获得显著的额外收益。

  小结:

  可以看到,所谓的“七国八制”,包括应用层的不统一和网络硬件侧的不统一,后者主要是物理层和链路层的硬件不一致、无法兼容互通。在工业总线逐渐向工业以太网演进的过程中,网络硬件侧不统一的问题获得了一定改善,但仍然存在为了实时性等原因,对网络硬件做了修改的设计,从而造成当前各工业以太网的硬件不一定能互通。在不久的将来,网络硬件侧如果统一,不论从技术、产业还是商业的角度,有且只有一种可能性,就是Ethernet TSN。具体而言,就是Ethernet的物理层,加Ethernet包含TSN特性的链路层。网络层和传输层根据场景需要,可以被bypass掉,也可以保留(IP+TCP/UDP)。

  至于应用层要不要统一,能不能统一,说实话这并不是TSN的核心关注,毕竟下层技术是服务于上层的。不过,应用层的统一难度应该是远远要大于网络硬件侧的统一难度的。说来也奇怪,按理说,自动化厂商的核心竞争力,应该在自动化技术上构建,然而现状是大家已经通过工业网络这项通信技术,很大程度上建立了各自的生(bi)态(lei)。

  本文涉及较多内容,不准确之处,欢迎大家留言,交换观点。

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