時間敏感型網絡(TSN)：一次性對乙太網的“改造”

今天，我們這個世界的運行對於“資料(Data)”的依賴越來越強。資料不僅為我們的行動提供參考依據，有時還會直接參與決策，向機器發出指令，這樣的場景正在滲透進一些更為“關鍵”的領域，比如工業製造。

所謂“要想富，先修路”，現實世界中交通的改善會提高人流、物流等生產要素的流通效率，進而提振整個經濟系統的發展。同樣的道理，在虛擬的數位世界也適用——我們只有為資料的流通提供一個高效的網路，才能釋放出其巨大的能量。可不幸的是，這樣的網路，在以往的工業領域並不那麼暢通。

為工業網路“築路”

為工業領域的資料交互“築路”的想法，其實很早就有。上個世紀70年代，隨著可程式設計邏輯控制器（PLC）和自動化技術的發展，對生產設備進行分散式控制逐漸成為剛需，由此催生了工業現場匯流排，將以往彼此孤立的設備聯通起來。正如每個技術在發展初期都會經歷一個標準叢生的“戰國”時代，工業現場匯流排也不例外，由於工業領域獨特的“垂直化”生態結構，導致這些標準直至今日也沒能統一起來，這也使得資料的流通被侷限在有限的範圍內，對於工業網路的擴展和彼此之間的資料共用非常不利。

這種標準林立、彼此割據帶來的“痛點”，隨著工業網路規模的擴大，也變得越來越“痛”。於是，在21世紀初，人們推出了“工業乙太網”。顧名思義，工業乙太網就是將“統一”了IT領域的乙太網架構，引入到工業領域，統一採用標準乙太網介質，也以此為契機實現在實體層和資料連結層上標準的統一。

這個理想看上去很美，但是需要注意的是，工業乙太網前面仍然被冠以“工業”二字，這是因為其與傳統的乙太網技術是不同的。標準的乙太網採用的是載波偵聽多路訪問/衝突檢測（CSMA/CD）的機制，當兩個資料發送方發生衝突時，必須延遲一定時間後重發報文，如遇到網路擁塞，有的報文可能長時間無法發送出去。所以從本質上講，乙太網是一個對時間不敏感、不確定性的網路。而工業自動化控制，優先考慮的就是即時性，以確保資料包文的準時送達。為了適應工業應用中的要求，就需要對標準的乙太網進行“改造”，在其基礎上修改或增加了一些特定的協議以保證即時性和確定性，讓其成為一個確定性的網路，這就形成了所謂的工業乙太網。

但各個廠商在對同一個乙太網進行改造時的思路和方法不盡相同，這就造成了同樣叫“工業乙太網”的網路，實際上是無法真正實現互聯、互通、交互操作的，為了讓資料在這些“子”網路間流通，人們不得不增加額外的閘道。這就好比是大家都修了同樣的“路”，但是不同路網上的交通規則卻是不同的，想在這樣的路網之間順暢無障礙地賓士，並不容易。

與此同時，更大的一個挑戰在於，工業4.0等智慧製造概念的提出，需要與之相配的網路能夠同時支援不同類型的資料流程通，無論是製造現場控制所需的即時性資料，還是生產管理與優化所需的非即時性資料，都需要在統一網路中進行集中和處理，對於一些全域優化的工作可以不通過傳統層級的控制器，而直接連通邊緣側和雲端……也就是說，一個理想的工業應用中的乙太網架構，應該是既能滿足OT（運營技術）網路即時性控制要求，又能支援IT（資訊技術）領域大輸送量資料傳輸需要的融合性的網路，這樣才能將工業生產全流程的資料彙聚起來，不留資訊死角。

邁向TSN之路

雖然今天我們探討最多的是TSN在工業領域的應用，但實際上它緣起於一個音視頻領域的標準。為了有效解決音訊視頻網路中資料即時同步傳輸的問題， IEEE 802.1工作組於2006年成立AVB音訊視頻橋接任務組，並取得了卓有成效的進展。很快人們就意識到，AVB的一系列研究成果，與解決乙太網中資料傳輸的時間確定性問題之間，有很多共通之處。於是在2012年，AVB任務組擴大了時間確定性乙太網的應用需求和適用範圍，並將任務組名稱改為“TSN任務組”。

TSN需要應對的挑戰，主要有三個方面：時間同步、調度和流量整形，以及通信路徑的選擇、預留和容錯。

• 時間同步： 此舉是為網路中的所有設備實現共同的時間參考，提供彼此同步的時鐘，也是為端到端的傳輸延遲提供一個協商的基準。
   
• 調度和流量整形： 允許在同一網路上共存不同優先順序的流量類別，每個類別對可用頻寬和端到端延遲都有不同的要求，由此實現不同資料流程量類型的同網傳輸。
   
• 通信路徑的選擇，預留和容錯： 定義所有參與即時通信的設備在選擇通信路徑、預留頻寬和時隙方面需要遵循相同的規則，使其可以利用多條路徑來實現故障排除，確保網路的安全性和可靠性。

經過多年的發展，TSN已經在IEEE802.1標準框架下，定義出了一系列的“子標準”，形成了一套完整的協定，為乙太網協定的MAC層提供通用處理機制，在確保乙太網資料通信的時間確定性（即時性）的同時，也讓不同協定網路之間的交互操作成為了可能性。