引言
數(shù)字化工廠對通信的互操作性和簡單性要求更高，而TSN（時間敏感網(wǎng)絡）則是專門為滿足這些要求而設計的新一代以太網(wǎng)技術。雖然TSN的引入需要根據(jù)不同的行業(yè)領域逐步進行，但在一些諸如鐵路、航空航天等關鍵領域，正在采用TSN作為其新平臺的標準IT/OT網(wǎng)絡。
本文將介紹一種智能TSN網(wǎng)卡--虹科RELY-TSN-PCIe。它集成了將標準PC連接到TSN網(wǎng)絡所需的所有復雜技術，且不需要在主機上安裝任何特殊軟件。此外，該方案可以在TSN網(wǎng)絡中使用典型的工業(yè)應用和軟件，如SCADA、MES、OPC（UA）、MTConnect等。
在工業(yè)自動化和數(shù)字化深入發(fā)展的工業(yè)3.0階段，生產(chǎn)和管理之間相互關聯(lián)的金字塔形拓撲結構被重新定義。如下圖所示，在金字塔的底層，生產(chǎn)通常由定義輸入和輸出邏輯的PLC控制。在更高的層面上，SCADA 和工業(yè) MES 生產(chǎn)管理軟件從底層的媒介工具接收信息。在金字塔的最高點，ERP類全方面資源管理軟件將用于規(guī)劃企業(yè)的整體業(yè)務操作。
數(shù)字化進程的演變基于對 "數(shù)據(jù) "的大量使用，并旨在通過對產(chǎn)品和生產(chǎn)的全面了解，獲得更大的生產(chǎn)力。這種正全球推進的行業(yè)數(shù)字化正迫使運營網(wǎng)絡（Operational Technologies - OT）和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（Information Technologies - IT）通過網(wǎng)關技術互連。在 OT 和 IT 兩個世界中部署的技術通常完全不同，并且通常不可互操作。 這種不匹配導致了大量異構設備的出現(xiàn)，這被稱為"棕色地帶（brownfield）"。
OT/IT的融合并沒有因此而停滯，相反，它提出了一種在鏈路層使用對OT/IT兩個世界都有效的通信技術的解決方案。通過這種方式，在同質工廠中實現(xiàn)全對全數(shù)據(jù)交換拓撲是可行的，類似于下圖中的支柱。在這個支柱的底部，靠近生產(chǎn)裝置附近放置了一個基于分布式控制的結構，即基于一定的智能和通信能力的輸入/輸出單元。而這種稱為 Field I/O 的結構與強大的計算和通信邊緣計算設備以及本地服務器連接構成了本地云（Local Cloud）。
在這種情況下，傳統(tǒng)的基于層的通信和網(wǎng)絡安全計劃不再有效，包括在現(xiàn)場I/O中的單元將直接與應用和服務進行通信。
這個支柱需要一個單一的OT與IT互連網(wǎng)絡，即所謂的工廠主干網(wǎng)（Factory Backbone）。然而，但是，要從理論走向實踐，需要一種有效的通信技術來支持 OT 流量的實時行為和 IT 應用程序所需的大帶寬。 此外，它必須是安全的，甚至是可互操作的、標準化的和免許可的。有這樣的解決方案嗎？
時間敏感網(wǎng)絡介紹
自 1983 年本地計算機網(wǎng)絡解決方案被標準化為以太網(wǎng)以來，時間敏感網(wǎng)絡便已經(jīng)從技術和應用層面上得到了發(fā)展。雖然它最初的用途是面向本地計算機網(wǎng)絡，但以太網(wǎng)技術已經(jīng)擴展到其他多個領域。事實上，它已成為現(xiàn)場總線的事實標準，并因在工業(yè)（Profinet、以太網(wǎng) IP、Ethercat、Sercos III 等）、電氣行業(yè)（IEC 61850的高可用性以太網(wǎng)）和汽車行業(yè)中的廣泛應用而脫穎而出。
過去出現(xiàn)的多種基于以太網(wǎng)的方案解決了以太網(wǎng)在其原始版本中的一個關鍵缺點：缺乏實時通信支持。由于這些專有解決方案的應用，OT中對確定性的要求已被滿足。然而，不同制造商的解決方案缺乏可解釋性，限制了最終用戶向獨特的計算和網(wǎng)絡基礎設施自由演進的能力。 因此，市場需要具有確保長久使用且獨立于供應商的標準化技術解決方案。這樣的方案將顯著降低設備成本和維護工作量，并大大簡化數(shù)據(jù)分析服務、機器學習、MES或ERP等工業(yè)軟件的集成工作。
從這個意義上說，時間敏感網(wǎng)絡任務組定義的 IEEE 標準集在 IEEE 802 上提供確定性通信服務，而這組標準被稱為時間敏感網(wǎng)絡 (TSN)。目前，原AVB工作組已更名為IEEE TSN 任務組，負責制定與TSN相關的所有標準。TSN技術的技術是時間整形器（Time-Aware Shaper）。該機制旨在將以太網(wǎng)中的通信分為固定持續(xù)時間的重復循環(huán)，這些循環(huán)根據(jù)組成網(wǎng)絡的節(jié)點允許的 TSN 配置分為臨時窗口，并能夠為每個時間窗口配置和分配八個可用的以太網(wǎng)優(yōu)先級中的一個或多個。時間感知整形器的操作細節(jié)在 IEEE 802.1Qbv 標準中被定義。
考慮到這種區(qū)分能力，定義了三種基本的流量類型：計劃流量、盡力而為流量和預留流量。 計劃流量適用于硬實時消息，盡力而為流量是對任何其他服務質量指標均不敏感的常規(guī)以太網(wǎng)流量，而分配給不同時間窗口且為每個優(yōu)先級類型設置了預留帶寬的消息被視為預留流量。這種特定的帶寬預留容量對于具有軟實時要求的信息（例如視頻流）非常有用。
上圖為 TSN 通信的基本時序圖。圖中每個周期由 2 個插槽組成。 計劃流量分配給第一個，而盡力而為流量和預留流量則在第二個中并存。 典型配置中每個周期需要 8 個插槽，這為定義每個數(shù)據(jù)流的詳細 QoS 參數(shù)提供了足夠的多功能性。
時間感知整形器允許定義每個周期中存在的臨時窗口的數(shù)量、它們的持續(xù)時間和可以傳輸?shù)牧髁款愋汀Ｔ谶@種操作模式下，計劃流量具有專用窗口，以保證實時消息通信的確定性行為。盡力而為的流量容納在每個操作周期的其余臨時窗口中。按照 IEEE 802.1Qav的規(guī)定，在 TSN 中優(yōu)先考慮和優(yōu)化帶寬使用的最重要改進之一是使用基于信用的整形器。
此功能支持對 預留流量的管理，這增加了指定流量的優(yōu)先級，使其比盡力而為流量具有更高的優(yōu)先級，與計劃流量相比具有更低的優(yōu)先級。 通過使用 IEEE 1588 同步協(xié)議，解決了在構成 TSN 網(wǎng)絡的所有設備之間提供納秒范圍內的臨時同步的挑戰(zhàn)。 由于該技術提供的精度，可以控制通過網(wǎng)絡引入的延遲，并根據(jù)臨時事件獲得確定性的以太網(wǎng)解決方案。 TSN 中使用的特定 IEEE 1588 配置文件是 IEEE 1588ASrev。
為了便于訪問該技術并允許與傳統(tǒng) PC 系統(tǒng)無縫連接 TSN，虹科推出了一種可插入任何 Windows 或 Linux 電腦的 TSN NIC 卡。 該板卡通過為 PC 上的通信提供標準網(wǎng)絡接口，從而將復雜的技術難題簡單化。
它集成了一個 4 端口 SoCe TSN Bridge。 SoCe 為新一代 FPGA 和可重構 SoC 開發(fā)了 TSN 技術。此外，SoCe TSN 解決方案已嵌入工業(yè)部門的終端設備、TSN 測試設備和鐵路系統(tǒng)中。
此橋接器實施提供 2 個外部端口，允許連接銅纜或光纖 SFP 模塊。此外，2 個內部端口可以與主機（PC、服務器、IPC 等）和卡的內部 CPU 進行通信。這個嵌入在板上的 CPU 管理 TSN 通信和同步，并且可以從主機 PC 上運行的任何 WEB 瀏覽器訪問該板卡上運行的軟件。該方案允許配置和監(jiān)控網(wǎng)絡狀態(tài)，而無需在 PC 上運行任何特殊軟件。 RELY-TSN-PCIe 支持使用標準中定義的 YANG 模型進行自動配置。但是，為了便于早期試點的實施，該板卡允許手動 TSN 配置。例如，下方的截圖顯示了手動將每個流量優(yōu)先級分配給每個時隙的方法。
TSN, 軟件和操作系統(tǒng)
根據(jù)每個應用程序的要求，有必要在主機 PC 的時鐘同步中保持不同級別的精度，以及需要具備控制網(wǎng)絡和軟件之間信息流的確定性的能力。 例如，負責機器人控制的虛擬 PLC 服務需要在控制回路數(shù)據(jù)設置的嚴格時間限制內訪問實時數(shù)據(jù)（計劃流量）。 然而，SCADA 軟件在同步要求方面更為寬松，在大多數(shù)情況下要求微秒范圍內的時基，便足以管理受監(jiān)督的過程。 因此，有必要針對每種情況來分析需要集成哪些技術以滿足需求，進而避免不必要地增加整體解決方案的復雜性。從這個意義上說，虹科提供了兩種可選的TSN板卡方案。
方案1：可以將虹科TSN板卡插入到Linux OS 計算機中。在這種情況下，應用程序、網(wǎng)絡和系統(tǒng)的全局同步是可行的。此外，可以在操作系統(tǒng)中使用補丁提供的流量管理和實時操作功能，從而有利于擴大使用的范圍并增強整體集成性。
方案2：可以將虹科TSN板卡無縫集成到基于不同版本的Windows操作系統(tǒng)的設備中。在這種情況下，虹科TSN板卡被操作系統(tǒng)視為具有多個基于 VLAN 的虛擬接口的標準 NIC 卡。該板卡通常需要管理計劃流量、預留流量和盡力而為流量等內容的識別，而這是通過本地VLAN 標記完成的。Synchronization則通過NTP傳輸?shù)讲僮飨到y(tǒng)中，并兼容Windows，因而可以被其他應用程序使用。若有需要，也可以使用其他替代方案，如在Windows 環(huán)境中使用 PTP 協(xié)議棧和集成實時中間件。
虹科RELY-TSN測試設置
目前，已有用戶使用虹科RELY-TSN-PCIe板卡來使其PC具備TSN功能，其中一些例子是SCADA 應用和機器互連。如上圖，在PC1中，計算機托管MTConnect Agent，而該Agent卡通過虹科RELY-TSN-PCIe接收PC2中Adapters 發(fā)送的信息，且虹科RELY-TSN-PCIe負責管理的相應插槽中的流量分配。為了方便實驗，項目的GIT中提供的Adapters模擬器可以在不需要真機的情況下使用。
總結
工業(yè) 4.0 的演進要求通信的互操作性和簡單性。 TSN 是專為滿足這些要求而設計的新一代以太網(wǎng)。在每個部門和應用程序中引入 TSN 是一個循序漸進的過程。然而，一些關鍵行業(yè)，如鐵路或航空航天，對 TSN 表現(xiàn)出極大的興趣。虹科致力于提供必要的技術，以最適合客戶需求的方式向下一代通信網(wǎng)絡發(fā)展。從這個意義上說，RELY-TSN-PCIe 卡及其評估套件是開始使用技術的絕佳方式，從中期來看，該技術將簡化網(wǎng)絡基礎設施并真正實現(xiàn) OT 和 IT 的共存。旨在為關鍵系統(tǒng)中的網(wǎng)絡、同步和網(wǎng)絡安全提供創(chuàng)新的解決方案。
