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人類對自然的探索永無止境，一項新技術或者新理論可能會開啟一個嶄新的時代。電報通過編碼和相應的電處理技術實現遠距離信息交互。電話解決了異地間的實時話音通信問題。而互聯網技術則是通信技術的一次革命，網絡實現了文字、語音、圖片和視頻信息的實時傳播。在網絡技術不斷發(fā)展的過程中也存在很多問題：端到端時延不確定、帶寬不足和安全性問題等。特別是隨著物聯網技術的發(fā)展，不同的場景、不同的業(yè)務對數據傳輸的要求都不一樣，這些問題日益凸顯。

現代工廠現場包含各種生產資料、通信設備、生產控制設備以及傳感器等；各設備需通過網絡來有機連接在一起，為了提升效率，現場控制和運動都是在毫厘之間，這就要求通信和處理也必須是盡可能短，在多個動作和步驟有約束關系的情況下，相互間還有時間差的要求，傳統(tǒng)通常由工業(yè)以太網、工業(yè)總線等方式與執(zhí)行層設備連接。而傳統(tǒng)工業(yè)以太網、工業(yè)總線存在標準不一、相互無法對接等弊端，在此背景下TSN（Time Sensitive Networking，時間敏感網絡）進入人們視野。TSN的優(yōu)點如圖1所示。

圖1 時間敏感網絡的特點

TSN是一組以太網標準，沿襲了AVB在傳輸高質量音視頻的出色表現，通過精準時間同步、定時調度、幀搶占、幀復制與消除和安全連接等核心技術，實現了時間同步的低延遲流服務，為系統(tǒng)內各單元提供低時延的等時的標準數據，從而為控制、測量、配置、UI和文件交換基礎架構等的融合提供基礎。

圖2 企業(yè)生產網絡示意圖

有關TSN的標準、技術、性能和關鍵指標在這里就不贅述了，可以參考IEEE 802.1相關工作組的內容。下面著重談談TSN的融合、演進等等。

TSN是否就等同于實時通信

答案是否定的。實時通信是網絡通信追求的終極目標，人類通過不斷地探索研究一次次向零時延逼近，當前在5G場景中可以做到端對端通信時延在毫秒級別，但有些場景在追求低延時的同時，希望端對端抖動也足夠?。ǘ秳颖妊訒r要小一個數量級。如端對端時延控制在1ms內，同時需要端對端的抖動控制在100us內，否則時延1ms沒有意義；在工業(yè)現場傳感器、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)之間需要等時實時通信才能滿足各執(zhí)行機構之間配合，才能制造出高精度的產品。

實時通信主要在傳輸媒介、報文和協議處理上做到極致；而等時實時通信是在實時通信基礎上引入高精度時鐘，全網實現在同一節(jié)拍下進行調度，這樣既滿足實時要求，又合理地控制了端對端的抖動時間。有個很好的等時例子：3G/4G從速率上比傳統(tǒng)的窄帶E1/T1要快很多，但無論采用VoLte等技術，語音通話效果都無法與基于TDMA的固話相比。

在萬物互聯時代，各設備、各系統(tǒng)間協同會更加緊密，迫切需要端對端等時實時通信；基于時間等時的基礎網絡將是未來5~10年的發(fā)展方向。

TSN與OPC UA的結合

OPC UA定義了一套通用的數據描述和語法表達方法(信息模型)，每種系統(tǒng)若采用OPC UA的信息模型，可以方便被其他系統(tǒng)所獲取和集成。也就是說，OPC UA為工廠車間和企業(yè)之間的數據和信息傳遞提供一個與平臺無關的互操作性標準。

TSN與OPC UA都是近年來工業(yè)互聯網領域的熱門詞匯。在OT和IT的融合趨勢中，大量工業(yè)設備的聯接要求數據的互通和互操作性，以及網絡的實時和確定性?？梢哉fOPC UA over TSN就是為OT和IT的融合、解決面向未來的工業(yè)網絡互聯而生。據統(tǒng)計，當前國際上現存常用的總線、工業(yè)以太網協議數量高達40余種，除此之外還有一些直接采用私有協議實現工業(yè)設備的信息交互的，這樣就形成了一個個豎井型的業(yè)務系統(tǒng)，同一個系統(tǒng)內的數據可以互通，但跨系統(tǒng)間的數據互通則非常困難。打通設備間，將各系統(tǒng)通過通信技術有機連接起來，實現企業(yè)內資源的垂直整合，已成不可逆轉的趨勢，希望能使用一整套接口、屬性和方法的標準集，提供工業(yè)互聯網工廠系統(tǒng)中各系統(tǒng)、各單元數據的無縫集成。

圖3 OPC UA TSN滿足今天制造業(yè)應用所需的所有通信需求

現代企業(yè)規(guī)模不斷擴大，相應信息系統(tǒng)也越加復雜，通常構建了現場級、車間級和企業(yè)級等通信系統(tǒng)，為了實現在復雜環(huán)境情況下的高確定性、低時延性和與平臺無關的互操作性，OPC UA over TSN+邊緣計算平臺功能提供了很大想象空間，通過傳感器收集各種數據，在邊緣側進行預測分析；進一步還可以通過邊云協同，在云端實現深度分析和工業(yè)流程優(yōu)化?？上驳氖荌EEE和ECC等組織都已布局。

TSN與工業(yè)互聯網

進入工業(yè)4.0時代，IT與OT融合、工業(yè)互聯網是姓“工”、還是姓“互”等等討論依然是熱門話題。當前移動互聯網拐點已至，工業(yè)互聯網時代將接下這一棒，向上對接工業(yè)優(yōu)化應用，向下連接海量設備，工業(yè)互聯網平臺憑借先進的計算架構和高性能的云計算基礎設施，能夠實現對海量異構數據的集成、存儲與計算。而擺在工業(yè)互聯網發(fā)展路上，至少有三座高峰：

第一座：網絡協議

據統(tǒng)計，當前國際上現存常用的總線、工業(yè)以太網協議數量高達40余種，加上一些變種和私有協議，達上千種以上。各種不同時期，不同品牌，不同協議的工業(yè)設備，都有不同格式的數據通信協議。因而不同工業(yè)設備之間的連接，是一個極其復雜的問題。

第二座：知識壁壘

俗話說隔行如隔山。隨著工業(yè)革命推進，行業(yè)越分越細，更趨專業(yè)化；不同行業(yè)、專業(yè)有不同的細分技術和獨門專業(yè)知識。如：一個再好的醫(yī)療設備工業(yè)互聯網平臺，也不太可能被工程機械企業(yè)所采用。

第三座：平臺互聯

現在國內大大小小的工業(yè)互聯網平臺有很多，這些“平臺”之間是無法聯接的，形成一個個豎井型的業(yè)務系統(tǒng)。后續(xù)會逐漸整合，會和消費互聯網一樣，形成寡頭經濟，誰更快建成平臺、誰的平臺服務更好、誰的平臺為入駐企業(yè)創(chuàng)造的價值更高，誰就有可能是剩下的幾家‘寡頭’之一。

而這三座高峰說白了都是由標準不一，無法互聯互通，形成壁壘等所引起，當前TSN＋OPC UA已成為工業(yè)界統(tǒng)一標準的共識。

TSN與5G的互通

5G相比4G而言，在性能和速度上都有很大的提升，尤其是無線接入網絡（RAN）提供了更好的可靠性和傳輸延遲。在無線場景中，通過TSN和5G網絡的互通，實現端對端超低延時，可以滿足對時間敏感的業(yè)務需求?？梢哉f5G與TSN的融合，是一個寬闊的領域。如下圖所示，拉通無線接入網絡和核心網絡。可喜的是在3GPP不同版本中為了支持TSN也做了大量工作：靈活的參數集、更小的數據時隙和有效支持低延時應用的快速確認等等，為uRLLC場景做了很多優(yōu)化。

圖4 5G端對端網絡示意圖

同時在基站側引入MEC，組成云、邊、端三體協同的最佳解決方案，擁有低延時、高可靠、精準時間同步的基礎設施，成為實時物聯網RT-IoT的典范。

TSN部署演進

當前工廠網絡采用典型的兩層三級架構，其中IT和OT兩層網絡之間通過網關實現互聯和安全隔離；工廠、車間、現場三級之間的網絡配置和管理策略相互獨立。隨著TSN＋OPC UA的推進，拉通了底層互聯互通、語義轉換和信息技術的發(fā)展，原有的兩層三級架構將會變成模糊，變得更加扁平、高效。但這個過程會經過幾個階段的演進：

1. 孤島式TSN網絡

TSN＋OPC UA的出現，替換現有種類繁多的工業(yè)協議成為可能，現場級網絡逐漸替換以TSN為基礎的統(tǒng)一通信，徹底實現了各現場設備間的互聯互通。

這個階段，TSN作為低時延，高吞吐量的等時實時網絡，將與傳統(tǒng)的互聯網、工業(yè)以太網等共存。

2. 局域式TSN網絡

孤島式TSN網絡還是局限在現場級，服務于以工單為單位實現單個零件和模塊的生產，這時IT和OT還是割裂的。我們希望一個工廠是一個整體，希望從上到下，或從下到上都是一個有機的整體；因而從訂單到ERP；再到MES、SCADA的工單和流程分解；經PLC和HMI的中繼；最后驅動到傳感器和執(zhí)行器等等。把現場、車間和工廠內部IT管理系統(tǒng)等相互間徹底打通，真正實現IT與OT的融合。

3. 跨域式TSN網絡

TSN網絡不僅僅用在工業(yè)互聯網，在娛樂領域也會大放異彩，比如網絡直播，當前網絡直播通常是基于Internet，在直播源頭和接收之間通過盡力而為的網絡來進行傳輸的，其中CDN負責中繼和分發(fā)；數據加速技術來提升數據傳輸效率，但這些只能起到優(yōu)化，不能從根本上解決視頻卡頓等問題。如果采用端對端TSN，則能有效解決傳輸時延和抖動問題。

業(yè)務通過分片，設備上采用全光網絡（如：OXC），調度上采用TSN模型，實現跨域TSN。最近思科宣布26億美元收購光網絡技術公司Acacia，很明確思科在硅光領域的發(fā)力，硅光產品納入思科的整體解決方案中為跨域多云提供強有競爭力，硅光在降低功耗和時延上有很大優(yōu)勢。

同時無線方面會利用毫米波5G，Wi-Fi 6等進行低延時傳輸，最終會實現TSN有線無線統(tǒng)一。

新華三的TSN布局

“松散”型的消費類互聯網往“緊密”型的工業(yè)互聯網牽引，將是未來5～10年的方向，各方都在集聚能量，蓄勢待發(fā)。

圖5 新華三工業(yè)互聯網網絡架構

新華三工業(yè)互聯網網絡基于SDN/NFV、大數據、人工智能等新技術，形成一張可靈活定義、安全可靠的柔性網絡，關鍵組件包含TSN時間敏感以太網、SNA Center（先知網絡中心）等，實現有線無線一體化、IT/OT雙網融合，提供多維可視、安全可靠、及智能運維的網絡服務，建立從現場層、控制層、管理層直到云端的融合網絡，也為跨域做好了準備。

1．采用扁平化的融合網絡架構，通過TSN核心技術，提供低延時、高可靠的確定性網絡，IT和OT設備都統(tǒng)一接入到同一個網絡中，實現控制信息等實時數據與數據信息等非實時數據在同一網絡中傳輸，滿足工業(yè)生產過程實時監(jiān)控、自動控制、業(yè)務管理等需求。

2．提供有線、無線融合網絡，實現工廠有線無線網絡全覆蓋，解決信息孤島問題，滿足工業(yè)互聯網業(yè)務對于生產全流程、無死角的網絡覆蓋需求，支撐工廠的信息采集、生產控制等的應用需求。

3．SNA Center作為整個網絡的大腦，包括先知分析器、SDN控制器、網絡管理、安全管控等核心組件，它具有對網絡進行全局統(tǒng)一管理、控制和智能分析、業(yè)務編排的能力。SNA Center擁有全局視角，能夠解決不同網絡管理域之間的協同問題，從而簡化運維、降低OPEX；同時SNA Center可以實時感知網絡狀態(tài)，基于用戶意圖或網絡狀態(tài)分析可以實現業(yè)務自動化部署和風險預測，讓網絡更加智能，能夠更加簡潔、智慧、高效的為業(yè)務服務。

4．SNA Center通過高性能 API Gateway 提供符合 RESTful 標準的北向 API，并支持對接IT、OT應用系統(tǒng)，實現SNA網絡的可編程自動化，將智能化生產、個性化定制等應用需求傳遞給SNA Center，SNA Center理解業(yè)務意圖并解析成網絡語言，通過靈活定義，快速構建出適合生產環(huán)境的柔性網絡。

結束語

一種新技術的出現，除了它是否能的的確確地解決實際問題外，還要關注它的演進、生態(tài)等等。在萬物互聯中各系統(tǒng)、各節(jié)點的緊密協同和效率持續(xù)提升下，TSN不僅靠譜，并將會大放異彩。