要說現(xiàn)在工業(yè)通訊領(lǐng)域最熱門的技術(shù),，那一定是非TSN莫屬,。其實，TSN（Time Sensitive Network）時間敏感型網(wǎng)絡(luò)是一個最新的但卻并非陌生的技術(shù),，那TSN究竟是什么樣的網(wǎng)絡(luò)呢？為何TSN會被認(rèn)為是未來工業(yè)通訊的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)呢？TSN會替代現(xiàn)在的各類實時工業(yè)以太網(wǎng)嗎,？……

　　面對這些問題，CE China的老石和B&R的老宋開始了一場刨根問底式的對話,，希望能讓你對TSN有一個全面正確的了解,。

　　對話人

　　對話實錄

　　老石：TSN是時間敏感網(wǎng)絡(luò)的意思，時間敏感是什么意思,？其他網(wǎng)絡(luò)對時間不敏感嗎,？有衡量指標(biāo)嗎？

　　老宋

　　說實話,，最初在2016年貝加萊總部介紹TSN的時候,，我覺得這似乎不像是一個工業(yè)自動化領(lǐng)域的技術(shù)，因為像PROFINET,、POWERLINK,、EtherCAT等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以達(dá)到比較高的實時性指標(biāo)，而且好像也極少遇到什么當(dāng)前100μS搞不定的案子,，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)講 “Determistic”,，即確定性網(wǎng)絡(luò)，因為控制是基于“等時同步”的,，工業(yè)領(lǐng)域早已實現(xiàn)“時間敏感”,。因此，就個人而言當(dāng)時覺得這個詞是IT的人不了解工業(yè)而開發(fā)出來的網(wǎng)絡(luò),，因為TSN的最初描述是為以太網(wǎng)賦予“確定性”,、“實時性”傳輸能力，這是因為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是沒有這個能力的,，但是,，實時以太網(wǎng)有這個能力。

　　那么，問題的關(guān)鍵在哪里,？TSN最關(guān)鍵的目的在于“同一”網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸,，即，周期性的控制通信需求和非周期的數(shù)據(jù)在同一個網(wǎng)絡(luò)中傳輸,，才是TSN的核心訴求,。

　　因為現(xiàn)在的IT與OT融合過程中會遇到非常大的問題，即,，周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)往往需要通過兩個網(wǎng)絡(luò)傳輸,，因此，你會發(fā)現(xiàn)控制器各家都是兩個網(wǎng)口,，一個實時以太網(wǎng),，一個標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，一般實時網(wǎng)絡(luò)用語機(jī)器與系統(tǒng)控制,，而標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)用于管理級信息的傳輸,。

　　通常，衡量網(wǎng)絡(luò)的QoS（Quality of Service）指標(biāo)包括循環(huán)周期,、延遲,、抖動這幾個指標(biāo)，一般來說,，硬實時會在百微秒這個級別的刷新,，抖動控制在幾十個nS這個級別，延遲在微秒級,。沒有特別的官方定義實時性,，因為，應(yīng)用場景不同,。

　　老石：TSN特點之一是實時性高,，我們以往的現(xiàn)場總線、實時以太網(wǎng)不也有這個特點嗎,？相比這些TSN在實時性方面也有優(yōu)勢嗎,？

　　老宋

　　盡管TSN的關(guān)鍵訴求在于“同一”網(wǎng)絡(luò)的傳輸，但經(jīng)過研發(fā)人員的設(shè)計,，其調(diào)度機(jī)制也允許獲得較高的實時響應(yīng)能力,，目前貝加萊已經(jīng)開發(fā)的千兆以太網(wǎng)的TSN測試下來抖動在50nS（抖動通常描述的是最差情況），可以達(dá)到的最快周期是在10μS級,，因此,，對于現(xiàn)有的工業(yè)控制而言，TSN的實時性是完全可以保障的,。

　　和目前主流的實時以太網(wǎng)比TSN顯然性能更高,，據(jù)貝加萊總部的測試數(shù)據(jù)顯示高了18倍的整體性能（其測試是按照節(jié)點數(shù),、數(shù)據(jù)負(fù)載不斷增加然后取性能的均值）。

　　老石：TSN是如何實現(xiàn)時間敏感的呢,？它是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)上做了哪些修改嗎,？

　　老宋

　　TSN本身是一系列的標(biāo)準(zhǔn)，它包含了時鐘同步,、數(shù)據(jù)調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)配置三個方面的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn),，TSN僅指數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，這一點必須闡明,，它可以采用IEEE802.3的以太網(wǎng)或IEEE802.3cg的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)物理層,，而數(shù)據(jù)鏈路層采用了橋接網(wǎng)絡(luò)，以及不同的數(shù)據(jù)流調(diào)度的策略,，也就是Shaper-整形器,，比如CBS基于信用的整形器、Qbv-時間感知整形器TAS,、CQF-周期性排隊與轉(zhuǎn)發(fā),、ATS-異步傳輸整形器,。想了解這個就得了解以太網(wǎng)本身是怎么傳輸?shù)?，然后就明白TSN主要是在Transmit Selection這個地方進(jìn)行了策略調(diào)度機(jī)制的設(shè)計。

　　老石：TSN這兩年在工業(yè)界越來越火,，這個TSN源自哪里,，是咱們工業(yè)界獨有嗎？其他行業(yè)也叫TSN嗎,？全球誰在主導(dǎo)這個標(biāo)準(zhǔn)?。?/p>

　　老宋

　　SN并非是源自工業(yè)界,，TSN最早是在音視頻傳輸領(lǐng)域,，后來在汽車領(lǐng)域于2012年成立IEEE802.1Q工作，而到工業(yè)已經(jīng)是2015年的事情了,，成立了IEEE802.1 TSN工作組,。

　　在汽車工業(yè)里一般稱為AVB-Audio Video Bridge，是由IEEE802.1Qav,、IEEE802.1AS和IEEE802.1Qat（已經(jīng)作為IEEE802.1Q的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)）構(gòu)成,。

　　在航空航天領(lǐng)域也有大量時間敏感型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，他們可以稱為AS6802,，而在工業(yè)領(lǐng)域,，IEC和IEEE合作，成立了IEC 60802工作組用于實現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)制定,。

　　目前TSN的推動組織是Avnu,，包括IIC、OPC UA基金會也加入了推動這項技術(shù)的工作，他們會和主要的Shaper廠商共同推動TSN技術(shù)的發(fā)展,。

　　老石：TSN今后是要成為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議,，而且比以前的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議先進(jìn)，那是否意味著今后民用商用工業(yè)用的以太網(wǎng)協(xié)議都會成為TSN,？

　　老宋

　　TSN是一項VLAN技術(shù),，即Vitural Local Area Network，這顯然定義了它是一個局域網(wǎng),，并且是一個虛擬的局域網(wǎng),，它不必一定成為商用和民用的所有通吃的標(biāo)準(zhǔn)，TSN域和非TSN域的區(qū)別在于VLAN ID,，即,，進(jìn)入TSN網(wǎng)絡(luò)會被交換機(jī)給打上VLAN標(biāo)簽，然后借助于TSN機(jī)制在該網(wǎng)絡(luò)中傳輸,，但離開了TSN網(wǎng)絡(luò)的時候,，這個VLAN標(biāo)簽會被去除，它也可以變?yōu)橐粋€標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀被傳輸,。因此,，TSN交換機(jī)會和普通交換機(jī)一起工作沒有問題。

　　因此,，商業(yè)或民用網(wǎng)絡(luò)并不是必須要變?yōu)門SN網(wǎng)絡(luò),，這完全取決于應(yīng)用本身的需求，尤其是經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),，因此,，如果沒有特殊的實時性需求的話，倒沒有必要,，目前TSN網(wǎng)絡(luò)看來聚焦在工業(yè)級IoT應(yīng)用比較多,。

　　老石：為何這兩年突然TSN就受到業(yè)界這么多人的關(guān)注？它能解決哪些現(xiàn)在解決不了的問題嗎,？

　　老宋

　　TSN火的原因就是大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求產(chǎn)生的,，因為，你必須考慮周期性和非周期性數(shù)據(jù)的同一網(wǎng)絡(luò)傳輸問題,，帶寬的需求較之以往更大,。

　　你可以看到這個圖中，描述了幾個場景：

　?。?）音視頻同步：其實,，如果你看中央電視臺，你看到播音員的口型和語音會出現(xiàn)不同步—這也屬于質(zhì)量問題,，因為音頻和視頻沒有同步,，或者像大劇院里的音箱,，你想想如果他們不能實現(xiàn)同步，就會出現(xiàn)重復(fù)的聲音,，也屬于數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的問題,。

　　（2）ADAS,，相對于傳統(tǒng)的汽車而言,，ADAS會需要多個激光雷達(dá)（比如前后三個），包括安全系統(tǒng),，這些更多的傳感器都會帶來帶寬的需求較之以往更大,。

　　（3）AR/VR,、機(jī)器視覺：這些技術(shù)在工業(yè)場景更多的使用都會讓帶寬的需求變大,。

　　因此，TSN是有實際的需求的,，連接變得更為廣泛,，則需要更大的網(wǎng)絡(luò)容量傳輸能力。

　　老石：既然具有時間敏感特點的以太網(wǎng)絡(luò)有這么多優(yōu)點,，那么為何在早先的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)推出時沒有考慮做成時間敏感呢,？為何現(xiàn)在就要加上時間敏感？是原先沒有想到嗎,，還是原來的技術(shù)實現(xiàn)不了,，或者是成本太高等其他原因,？

　　老宋

　　90年代大眾來中國投資建汽車廠的時候,，中國的高速公路才剛開始，包括現(xiàn)在很多老的小區(qū)都沒有足夠的停車位,，誰會料到今天汽車如此普及呢,？

　　同樣道理，在你不需要這項技術(shù)的時候,，你是不會真正有動力去開發(fā)這樣的技術(shù)的,，因為如果沒有人用，這些研發(fā)投入就失去意義了,，因此,，任何技術(shù)的流行都會需要時間，而且,，就目前而言,，TSN都還沒有到它真正爆發(fā)的時候，因為,，對互聯(lián)的需求也就最近幾年才剛開始,，大量的工廠實際上還處于單機(jī)生產(chǎn)的階段,。因此，TSN現(xiàn)在已經(jīng)處于未雨綢繆的階段,，因為大數(shù)據(jù)應(yīng)用僅在局部開始,，而并非進(jìn)入爆發(fā)期。

　　當(dāng)然,，你說的沒錯,，要實現(xiàn)TSN這樣的網(wǎng)絡(luò)的確需要非常大的技術(shù)投入，因為它的復(fù)雜性是超過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)的,，就像時鐘同步就比IEEE1588有可靠性方面的需求,，調(diào)度機(jī)制也更多樣靈活，這些都是需要芯片處理包括千兆以太網(wǎng)處理芯片,、傳輸電纜,、交換芯片等，這些都是成本,，而只有面臨巨大的市場機(jī)會,，芯片廠商才會有動力去投入研發(fā)。

　　老石：截至到目前,，關(guān)于TSN的相關(guān)產(chǎn)品研發(fā),、測試床，支持的廠商等最新進(jìn)展是什么樣的,？

　　老宋

　　目前TSN有幾個重要的測試床推動者,，一個是德國的LNI-就是工業(yè)4.0組織的測試床，一個是在IIC的測試床,，還有一個就是由華為ECC組織的測試床,，貝加萊在三個組織中都積極的參與了Testbed的建設(shè)。

　　目前,，主流的自動化廠商都發(fā)布了各自的TSN產(chǎn)品或者測試產(chǎn)品,，像B&R在2017年SPS發(fā)布了TSN產(chǎn)品，而SIEMENS在2018年漢諾威展發(fā)布了Profinet over TSN的產(chǎn)品,，2019年三菱發(fā)布了CC-Link IE TSN產(chǎn)品,。華為、TTTech,、CISCO,、MOXA、赫斯曼等廠商也發(fā)布了TSN交換機(jī)產(chǎn)品,。

　　在芯片這個領(lǐng)域包括了NXP,、XILINX、Intel,、AD等廠商均發(fā)布了支持TSN的芯片組,。

　　老石：雖然TSN這兩年火熱,，幾乎所有人看好和支持，那為何從實際產(chǎn)品上還并不多見,，或者還沒有批量生產(chǎn)和銷售,，正式工業(yè)應(yīng)用幾乎沒有，主要卡在哪里呢,？預(yù)計到什么時候,，TSN會開始真正落地應(yīng)用？

　　老宋

　　看來,，你比用戶更著急,，但是，工業(yè)產(chǎn)品一般生命周期都比較長,，就像CAN總線,、Modbus現(xiàn)在還在用一樣，實際上,，它并沒有想你想象那么慢,，相對于過去的總線從概念、局部應(yīng)用,、大面積成熟應(yīng)用的時間而言,，TSN的發(fā)展算是比較快的，因為你要知道TSN面向工業(yè)的工作組2015年底才成立,，2016年9月才召開Shaper的啟動會議,，因此，你能夠在2018年看到這么多公司推出產(chǎn)品已經(jīng)算是非?？斓牧?。

　　TSN在2019年包括像現(xiàn)在已知的貝加萊、三菱都會有批量化產(chǎn)品推出,，工業(yè)產(chǎn)品不會像手機(jī)那么更新快,，華為的P20 Mate Pro我還沒買呢，P30就出來了,，而工業(yè)產(chǎn)品一般生命周期都在15年以上，因為一臺機(jī)床可能會用20年以上,。

　　因此,，其實TSN發(fā)展已經(jīng)非常快了,。

　　老石：一個通信網(wǎng)絡(luò)要實現(xiàn)TSN,，需要哪些設(shè)備來構(gòu)成或支持？相比其他網(wǎng)絡(luò),，TSN實現(xiàn)起來會不會更加昂貴,？

　　老宋

　　TSN是一個VLAN,，因此它很多實現(xiàn)是在軟件的層面的，需要具有處理這種時鐘同步和調(diào)度機(jī)制的交換機(jī),，當(dāng)然對于控制器而言,，需要TSN的芯片支撐，具體的芯片成本我倒沒有考量過,，但是,，事物發(fā)展的規(guī)律是具有共性的，成本一定是一個不斷下降的過程,，因為大量的采用就可以降低成本,。

　　老石：現(xiàn)在看到國外廠商TSN產(chǎn)品陸續(xù)發(fā)布了，但國內(nèi)廠商還沒有,，那要如何才能開發(fā)一個TSN的主站或者從站或者I/O呢,？成本高嗎？

　　老宋

　　這一點倒不完全是這個情況,，華為在這方面已經(jīng)走在前面,，他們的TSN交換機(jī)也已經(jīng)開發(fā)完成了，不過也似乎尚未進(jìn)入批量化階段,，因為華為會考慮更多的場景問題,，因此，在整形器方面會有一些自己的設(shè)計,，最近我寫了關(guān)于TSN的整形器（Shaper）,，還請教了華為的兩位專家，另外,，MOXA也有TSN的交換機(jī)產(chǎn)品推出,，還有一些大學(xué)、研究所,、企業(yè)也推出TSN相關(guān)的技術(shù)測試產(chǎn)品,，目前尚未正式發(fā)布 。

　　目前提供TSN技術(shù)開發(fā)板的包括XILINX,，以及TTTech和Intel共同推出的TSN解決方案,、芯片廠商NXP、AD等也推出了TSN的開發(fā)與測試芯片及測試板,。

　　老石：現(xiàn)在實時以太網(wǎng),、現(xiàn)場總線在控制領(lǐng)域、特別是運動控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,，那TSN會取代這些協(xié)議嗎,？TSN和這些實時網(wǎng)絡(luò)會是什么樣的關(guān)系？

　　老宋

　　又需要強調(diào)一遍,，就是TSN是在ISO/OSI架構(gòu)的第二層,，這意味著目前的TSN可以以各種形式出現(xiàn),，其實，以太網(wǎng)本身也是這個發(fā)展過程,，比如Profinet就是Profibus over Ethernet,，POWERLINK就是CANopen over Ethernet，那么,，就會出現(xiàn)Profinet over TSN,、CC-Link IE TSN這些場景，這種設(shè)計往往是為了保持應(yīng)用層軟件的延續(xù)性,，以確?，F(xiàn)有的設(shè)備投資的可用性，而貝加萊則會選擇OPC UA over TSN,，原有的POWERLINK CANopen應(yīng)用層會逐漸轉(zhuǎn)向OPC UA,，必須保持一個軟件應(yīng)用的延續(xù)性，這也是在較長的一段時間里,，應(yīng)用層保持,，而逐步轉(zhuǎn)向TSN的過程。

　　這一點必須強調(diào),，對于任何工業(yè)應(yīng)用而言,，保持技術(shù)的穩(wěn)定性、繼承性是一種必須的考量,，因此,，技術(shù)的升級必須盡量的平滑過渡，對于用戶同樣如此,，這是投資安全性的保障,，因此，TSN短期內(nèi)當(dāng)然不會取代現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò),，但是,，在更長的時間里，TSN會成為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),。

　　ISO/OSI模型很有意思,，就是它使得各個層可以獨立設(shè)計，包括物理層,，目前的IEEE802.3可以繼續(xù)使用,，當(dāng)然也可以使用諸如PoE（Power on Ethernet）、SPE（Single Pair Ethernet-IEEE802.3cg）的物理層,。

　　老石：現(xiàn)在另外一個通訊技術(shù)5G也已經(jīng)來臨，5G也是以低時延,、高帶寬為最大特點,，而且5G要最多的應(yīng)用可能在工業(yè)上,，那么TSN和5G會是一個競爭關(guān)系嗎？

　　老宋

　　5G也有針對ULL（Ultra Lower Latency）的場景,，但是,，5G屬于無線網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,，尤其是類似于運動控制這些應(yīng)該還不會采用5G,，但是，基于IIoT的應(yīng)用中對網(wǎng)絡(luò)的確定性評估可以承受的領(lǐng)域5G是可以使用的,，另外,，TSN也會有針對無線場景的標(biāo)準(zhǔn)。

　　因此,，評估技術(shù)的應(yīng)用前景主要看場景—他們肯定不會是競爭關(guān)系,，而是相互補充。

　　老石：對于TSN,，也有些人認(rèn)為現(xiàn)在是“雷聲大雨點小”,，那TSN標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展是什么樣的？還需要解決哪些方面的問題從而來加速推進(jìn)呢,？現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展那么快,，TSN會不會中途又被新的通信技術(shù)給替代了？

　　老宋

　　其實,，任何一項技術(shù)的核心驅(qū)動力是“經(jīng)濟(jì)性”,，而技術(shù)推動必然有一個接受過程，市場需要培育,，因此,，TSN顯然也不可能短期馬上就會大量的應(yīng)用，想想現(xiàn)場總線從開始到發(fā)展到頂峰實際上也經(jīng)歷了30年的時間,，如果放眼整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，TSN從2015年發(fā)展到今天已經(jīng)算是非常快的速度了,。

　　至于TSN中途會不會被新的通信技術(shù)替代,，這個問題比較有意思，理論上來說,，一切皆有可能,。但是，任何技術(shù)都是來自于需求的,，如果需求沒有本質(zhì)的變化,，那么技術(shù)也就不會有本質(zhì)的變化，如果需求就是網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一，那么無論是TSN還是說一個新的技術(shù),，同樣是這個技術(shù)實現(xiàn)路徑,，而且通信技術(shù)不可能離開芯片、工業(yè)控制獨立存在,，因此,，只會有TSN的升級，而很難有一個獨立的技術(shù)替代它,。

　　技術(shù)的發(fā)展有其必然性,，既然大家看到了10年后的技術(shù)需求而開發(fā)TSN，那么它就會在很長一段時間內(nèi)持續(xù)的發(fā)展,。

　　至于更久的時間比如30年后會是怎樣,，我想大部分人都無法關(guān)注，因為,，這個時候如果你敏銳的觀察到30年后的網(wǎng)絡(luò)的需求,，然后研發(fā)30年后要用到的技術(shù)，你這家公司是活不到那個時候的,。

　　老石：如果未來一旦TSN在各個領(lǐng)域都普及了,，是不是就是實現(xiàn)了所謂的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)？

　　老宋

　　這個倒是值得期待,，TSN正是致力于此,，不過，萬物是否一定是被TSN互聯(lián),，那也未必,，因為這個世界有太多的技術(shù)，就像剛才提到的5G,，人類因為多樣性才有意思,，也因為有未知才值得探索，TSN能不能實現(xiàn)萬物互聯(lián)并不重要,，它只是一個技術(shù),，不用賦予它那么重大的意義，就像比爾,。蓋茨所說“我們總是高估在一年或者兩年中能夠做到的,，而低估五年或者十年中能夠做到的”—短期看TSN似乎還沒有到要廣泛應(yīng)用的階段，但長期來說,，TSN在汽車,、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⑹蔷哂薪y(tǒng)治性地位的，不過它的最佳搭檔是OPC UA,，這兩者的配合將會讓工業(yè)有著天下一統(tǒng)的可能,。

　　當(dāng)然,，在工業(yè)世界里，價值的創(chuàng)造不僅僅依賴于網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，而依賴于對客戶價值的追求,，包括軟件的應(yīng)用價值,、人的創(chuàng)造力,，沒有這些，TSN發(fā)揮不了什么,，它只是一個實現(xiàn)我們價值創(chuàng)造過程的工具—對于工業(yè)企業(yè)而言,，價值仍舊來自于為客戶解決問題，TSN會幫助我們,。