来日可期|TSN-Time Sensetive Networking（时间敏感网络）

人类的通讯历史从飞鸽传书到书信到智能手机，不光是数据量的大幅提升，同时是实时性的大幅提升。以前，一封通信的往来需要花费几个月的时间，现在，我们通过视频通讯，可以与远距离实时进行联系。然而，当前的信息传输的实时性对于工业现场的要求依旧有些不足。传统的以太网更关注数据量，对实时性的要求却没有很高。

而在工业制造领域，更是需要有可以实时通信的技术来保障和实现设备与设备间的实时、确定和可靠的数据传输。

时间敏感网络（TSN-time sensetive networking）就是为了满足工业实时通讯而生的一套协议标准。作为IEEE802.1工作组中的一套协议标准，定义了以太网数据传输的时间敏感机制，确保了以太网能为关键数据的传输提供稳定保障又一致的服务级别。

“TSN包含多个独立的标准，这些标准只属于OSI通信的第二层。”

如上图所示，TSN作为二层的技术，PROFINET作为应用的协议，可以将PROFINET技术架构在TSN之上，即PROFINET@TSN，这可以更好去解决运动控制、故障安全、时钟同步、闭环控制等实际应用上会遇到的问题。

西门子对TSN技术已经准备就绪了。

西门子会将TSN技术贯穿到未来整个工业网络的通讯架构中，西门子会采用TSN OPC UA来实现控制器与控制器之间、控制器与IT系统系统和控制器与云端的北向通信。

对于南向通信，西门子运用PROFINET@TSN技术控制南向通信中的控制系统内部和控制器与I/O等OT设备。这样就可以实现OPC UA 和PROFINET共享同一个基于TSN的以太网络，可以轻松实现将现场级设备数据实时、高速地传输至SCADA、MES和ERP系统以及云等整个企业网络，实现真正意义上的互联互通。

Q：未来TSN会替代PRIFNET吗？

A：独自的TSN的永远不会取代PROFINET，因为TSN其本质是通信协议可以基于其运行的一些基础技术。

PI (PROFINET international）已经在RT和IRT之外，着手将PROFINET应用于基于TSN的网络。

TSN使得2层的实时机制标准化，在当前基于以太网的现场总线系统（如PROFINET IRT）中，这通常是由特殊的硬件解决了的。未来基于TSN运行的协议因此可以运行在符合IEEE标准的硬件之上，甚至是等时的应用。以这种方式，PROFINET基于TSN在标准硬件上提供了PROFINET IRT的那些已知优势（时间精度、抖动、带宽预留、诊断等 ）。

当然，RT和IRT仍将保持作为PROFINET规范的一部分，并将从PROFINET的创新中继续获益。

另外，PROFINET基于TSN不只适用IRT的应用（如等时运动控制应用），也适用于RT所解决的应用。

Q：融合TSN意味着什么？

A：在“融合网络”中，不同应用的数据可同时通过一根电缆传输。这样，OPC UA基于 TSN 传输的实时数据、基于 MQTT 的云数据、视频数据和其它工业实时协议数据（如：基于 TSN 的 PROFINET）可以并行传输。

Q：与当前的以太网相比，支持TSN以太网有哪些优势？ 

A：简单说来，具有 TSN 的以太网在现有以太网之上补充了保证服务质量（QoS）方面的机制，包括带宽预留、同步、低延迟、甚至无缝冗余。

上层应用在网络上标识它的通信需求，由网络来保证所请求的 QoS。各种连接以流的方式运行，流所享有的带宽保护由以太网交换机内存中的资源分配实现。基本上，每种流均可实时运行。由于这些流的内部封装，TSN 可以在单个网络中同时运行多个实时协议（网络融合）。这与当今基于以太网的实时协议有着根本的不同，后者网络中仅允许一种实时协议。

Q：TSN 是否需要特殊的以太网处理器，或者当前标准以太网组件也可运行？

A：TSN 需要“支持 TSN”的硬件模块；当前安装的以太网模块通常无法通过软件扩展到TSN。

然而，可以预见的是，“标准以太网模块”在未来将成为支持 TSN 的以太网模块。这是西门子将 PROFINET 应用于 TSN 的主要驱动因素。所有主要的模块制造商已经开始开发，或者至少已宣布他们将开发具有 TSN 机制的硬件模块。对于设备制造商而言，这为设备的各种硬件设计提供了许多可能性。

Q：我将来是否需要 OPC UA 和 PROFINET？

A：是，OPC UA 和 PROFINET 是在 ISO-OSI 模型第 5 层至第 7 层中使用的协议。OPC UA 和 PROFINET 均将在第 2 层使用 TSN 作为基础技术。OPC UA 在垂直通信和机械的控制层联网方面具有优势， 而PROFINET 则满足现场层的所有要求。这也是西门子保持其战略不变的原因：

控制层及以上=  OPC UA

现场层=  PROFINET              

Q：OPC UA 是什么？

A：OPC 统一架构（OPC UA）是安全、可靠、独立于制造商以及平台的工业通信标准。

OPC UA 非常适合交换许多不同自动化组件制造商提供的应用程序之间各种操作系统的数据，而且定义了垂直通信。

OPC UA 有两个版本---客户端/服务器和PubSub（发布/订阅）。

OPC UA 客户端/服务器 通信是一种点对点通信。在这种通信中，客户端可以访问服务器的数据，其始终以 TCP/IP 作为基础，因此，永远无法实现实时运行。

OPC UA PubSub 方法引入了“一对多”通信。发布者提供数据，然后由网络中任意数量的订阅者接收这些数据。OPC UA PubSub根据性能要求可通过各种协议（例如：UDP）实现。

Q:通过基于 TSN 的 OPC UA PubSub 实施哪些应用？

A：OPC UA 起源于垂直通信，目前正在 M2M 通信市场上逐渐建立起来。

控制器层的实时通信需求本质上仅限于控制器对控制器的通信。出于技术原因，只有 OPC UA PubSub 方法可以与 TSN 相结合。客户端/服务器访问当然也可以在基于TSN 机制的以太网网络（TSN 网络）运行，但是，由于其基于 TCP/IP，因此无法映射到支持实时和带宽保护的流中。

Q：新 TSN 标准 IEC/IEEE 60802 是什么？

A：即将发布的 IEC/IEEE 60802 标准是 IEC SC65C/MT9 和 IEEE 802 的合作项目，在该项目中来自标准以太网和基于其上的应用协议专家紧密合作。该标准将专门为工业自动化定义一个TSN 规范，包括功能、以及相关协议配置模型以太可能的选项。这是实现网络融合的唯一方法，即，不同的协议使用相同网络。

未来，建立 ISN 网络的所有组件均须按照IEC/IEEE 60802 （TSN-IA）进行标准化。该规范基于相应的用例，第一个正式版本预计在 2022 年发布。

结语

西门子曾在2018年汉诺威工博会上展示出利用TSN连接两个Simatic控制器实现两个机器人的同步运动。今年汉诺威工博会亮相了第一批TSN功能的网络组建、通信处理器、软件和网络管理系统。时间敏感网络作为新技术是构建工业物联网架构中必不可缺的核心要素，西门子也已经具备了帮助用户过渡到TSN网络的技术实力，可随时根据市场需求量产TSN相关的软硬件产品，将会给用户提供完整的TSN工业应用。