时间敏感网络TSN产业白皮书Word文档下载推荐.docx

1、代表厂家EtherNet/IPODVA罗克韦尔自动化公司（美国）PROFINETPROFIBUS 国 际 组 织 （ PROFIBUSInternational，PI）西门子Modbus-TCPModbus-IDA施耐德Ethernet PWOERLINKEthernet POWERLINK 标准组织（EthernetPOWERLINK Standardization Group，简称EPSG）ABBEtherCATEtherCAT 协会德国倍福（Beckhoff）公司CC-LINKCC-Link 协会日本三菱每一个工业以太协议背后基本都有一个工业集成商巨头在主导着该协议的生态圈构建，针对工业

2、控制网络进行持续优化升级，但彼此之间相对封闭。随着工业企业数字化及信息化的进一步深化升级，工业控制网络与工业信息网络呈现融合趋势，未来工业内有线连接将被具有以太网物理接口的网络主导，同时基于通用标准的工业以太网逐步取代各种私有的工业以太网，并实现控制数据与信息数据同口传输。时间敏感网络技术作为一种综合、统一和标准的新兴工业以太网技术，正在打破过去以协议为维度由某一厂商主导的局面，使得工业网络技术和产业生态变得更为开放和富有活力。（二）时间敏感网络发展现状1. 技术现状近年来，时间敏感网络（TSN）技术作为新一代以太网技术， 因其符合标准的以太网架构，具有精准的流量调度能力，可以 保证多种业务流

3、量的共网高质量传输，兼具技术及成本优势， 得以在音视频传输、工业、移动承载、车载网络等多个领域成 为下一代工业网络承载技术的重要演进方向之一。在时间敏感网络（ TSN ） 标准的制定过程中， 主要由IEEE802 工作组 TSN 负责相关基础协议的制定和应用推进。同时， 近年来随着时间敏感网络技术在各个应用领域受到更为广泛和 高度的关注，IEEE 也针对该项技术在垂直行业的应用开展了研究和标准的研制。2. 产业现状图 1 时间敏感网络标准关键路标目前TSN 技术已经成为产业链各个环节关注热点：1） 行业组织相关进展图 2 时间敏感网络产业现状示意众多独立第三方组织开始积极参与 TSN 标准的测

4、试、推广及产品认证等各项工作。AVNU 组织为 TSN 网元提供时间精确性和低延迟特性提供认证服务，以保证其合规性和互操作性要求。该项工作目前已经完成了运营理念的论证，并已经在 2017 年开始了设备的相关认证工作。工业互联网联盟（IIC）整合了相关 组织和技术资源，为组织成员提供测试平台并致力推进 TSN 标准在各垂直行业的应用。LNI4.0 也以每季度一次的频度定期组织进行TSN 网络设备的对接实验。除此之外，一些制造业的自动化产品厂商（如：B&R）还在去年成立了一个名为 OPCUA TSNShaper 的会议组织，目前来自各行业的产品和服务供应商已经加入到了该组织中，共同推广基于TSN+

5、OPCUA 协议标准的融合应用。2） 传统自动化厂商自 2017 年下半年起，在德国纽伦堡工业自动化展览会（SPSIPCDrive）和汉诺威工业展上，不少厂商开始就其产品在TSN 技术上的进展发表声明，或直接演示测试床并发布TSN 相关产品和解决方案。例如：a） 2017 年以德国倍福为代表的 EtherCAT 组织发表了关于 TSN 技术的白皮书，2017 年 11 月Beckhoff 发布了其首款TSN 桥接通讯模块EK1000；b） 2017 年 5 月 NI 发布了多款集成 TSN 技术的控制器，如：CompactDAQ、CompactRIO 等；c） 2017 年以西门子为代表的 P

6、I 组织宣布将会在新的ProfiNet 协议中使用 TSN 技术，并计划在 2019 年中发布该协议或相关产品。在最近两年的汉诺威展上西门子演示基于TSN 的OPCUAPub/Sub 技术在控制层（如机器人）上的应用；d） SERCOS 则在 SPSIPCDrive 上展示了由 TSN 交换机桥接组成的Rexroth 运动控制系统；e） 以三菱为代表的CC-Link IE 在2019 年汉诺威展上演示了CC-Link IE over TSN 的方案，其中使用了支持 TSN 功能的CC-Link IE 的Controller 和 IO。3） 通信设备厂商a） 华为在 2018、2019 年汉诺威

7、展上展示了 OPC-UA TSN 测试床，并在其中提供了 TSN 交换机。b） 思科在 2018、2019 年汉诺威展上展示了 TSN 测试床，并在其中提供了 TSN 交换机。c） Moxa 在 2018 年的德国 SPS 中展示了TSN 测试床，同年的 IIC 联合测试床中展示Moxa TSN 交换机。d） 新华三在 2019 年 4 月“领航者峰会”发布了 TSN 交换机产品， 计划在 2020 年完成 TSN 交换机产品专业机构评测并实现规模化量产。4） 芯片厂商a） BROADCOM 已发布 BCM53570、BCM53112、BCM53162 等不同规格的用于交换机的 TSN 芯片，

8、以及用于工业现场设备的 BCM53154 TSN 芯片。b） MARVELL 已发布 88E6390X、88Q5050 用于交换机的 TSN 芯片，其中后者主要对标车载网络场景。c） NXP 已发布 SJA1105、SJA1105TEL TSN 芯片，主要用于车载网关、车载ECU。d） ADI 正在研发的千兆 TSN 芯片也将于近期发布，目标定位海量的TSN 网桥转换模块市场。e） TTTech、SoCe、Xilinx 等公司也已公开宣称可以提供 TSN 相关的芯片IP core。（三）时间敏感网络技术优势1. 互联互通时间敏感网络（TSN）技术遵循标准的协议体系，具有更好的互联互通优势。如图

9、 3 所示，传统的通用以太网，开放性好（便宜）、互操作性好，但性能不能满足工业应用要求；传统的 工业以太网，为了满足确定性时延等工业场景中的要求，对网 络协议进行了专门定制化开发，并需要专用硬件的支持。这样 造成了不同协议无法互通、只能专网专用、可扩展性差、成本 高等问题。而基于通用以太协议的 TSN 技术，在提供确定性时延、带宽保证等能力的同时，给出了一个标准的、开放的二层， 改进了互操作性，同时降低了成本。图 3 传统工业网络和以太网的比较2. 全业务高质量承载TSN 为原有的分层的、相对隔离的工业网络架构进行扁平化的融合提供了可能，同时支持不同类型的业务流在这张扁平化的工业网络上实现混合

10、承载。时间敏感网络（TSN）技术系列标准中所定义的队列调度等数据面相关的机制，为二层网络保证不同等级的业务流的差异化的服务需求提供了可能，进而使能数据在工业设备到工业云之间的传输和流转的能力。3. 智慧运维时间敏感网络（TSN）技术遵循 SDN 体系架构，可以基于SDN 架构实现设备及网络的灵活配置、监控、管理及按需调优， 以达到网络智慧运维的目标。TSN 系列标准中已经定义或正在新定义或改进的控制面相关的协议，将会大大增强二层网络的配置、动态配置与管理的能力，为整个工业网络的灵活性配置提供了支撑。（四）时间敏感网络产业驱动力在工业领域，产业角色主要可以分为三大类：工业厂商（operator）

11、、设备制造商（vendor）、集成商（integrator）。工业厂商为了制造某个产品，需要建工厂、运营工厂，这个过程中需要从设备制造商那里采购各种工业设备，再在集成商的帮助下完成生产线及经营管理系统的搭建。这三类产业角色都有推动TSN 进入工业网络进行应用的诉求。工业厂商作为需求侧期望通过对工厂的网络化升级改造，提升工业企业的生产效率，并兼顾成本因素。因此其对于网络的主要诉求主要三点：第一是要满足工业互联网时代智能生产、智能管理及智能 运营等各类业务流量的高质量共网传输需求，保证产线之间、 产线与管理系统、管理系统与运营系统之间的数据的可靠流转， 为工业企业从数字化到信息化迈向智能化提供网络

12、保证。时间 敏感网络（TSN）技术的主要优势就是通过时间同步和精准调度 在满足各类业务流量各自网络KPI（带宽、时延、抖动、丢包） 要求前提下，实现共网共路传输。第二是要满足开放兼容的技术特点，之前的工业以太网协 议相对封闭，而工业企业在若干年的生产经营过程中，难免会 出现不同时期采购的工业设备之间的通信协议无法兼容的问题， 无法满足存量设备之间，新设备与存量设备之间的信息互通及 功能协同的需求，而时间敏感网络技术（TSN）依托标准以太网 体系架构，具备兼容和开放的技术属性。第三是降低工业企业网络部署成本，随着工业企业数字化、信息化、智能化的不断升级，海量设备联网成为基本要求，之 前各家工业以

13、太网生态圈相对封闭，导致部署成本昂贵。而时 间敏感网络（TSN）技术的出现将从技术上打破这种封闭，进而 引导市场在开放的技术架构上进行竞争，逐步降低工业网络的 部署及运维成本。设备制造商作为工业网络相关设备的供应侧，重点关注通过新的网络技术在工业领域应用的需求场景中的落地，保持技术的先进性和产品的竞争力。时间敏感网络技术（TSN）是一种新的技术架构，无论是在转发层面还是在管理层面的技术都融合了最新的网络技术思想，具有可演进、可拓展的体系架构。工业集成商作为工业网络解决方案提供方，重点关注产业技术生态的构建以及基于解决方案对于先进方案的融合应用。时间敏感网络（TSN）技术特点决定了其与 OPC

14、UA、边缘计算以及 5G 等先进技术相互融合，彼此支撑将形成更为强大的方案体系，助力形成网络对于工业互联网的强力支撑作用。二、技术体系（一）标准体系TSN 技术相应基础共性标准主要由 IEEE802.1 TSN 工作组研究制定。其负责定义 802 架构体系中的网间互操作、安全性和整体网络管理等方面的标准制定和应用推荐。自 2015 年开始，IETF 开始关注时间敏感网络技术在大规 模组网场景下的应用，将其从二层承载扩展到三层网络，即确 定性网络（Detnet）并与 IEEE802.1Q 相关工作组开展联合研究。近年来，随着时间敏感网络技术在各个应用领域受到更为广泛和高度的关注，IEEE 也针对该项技术在垂直行业的应用开展了研究和标准的研制，并有多个工作组同步开展工作，2017 年 9 月 IEEE 与 IEC 联合成立了 60802 工作组专注于 TSN 在工业领域的应用研究。1. IEEE2006 年， IEEE802.1 工作组成立 AVB （ Audio Video Bridging）音频视频桥接任务组，并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。有效地解决了数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。