工业互联网协议的综述

yjsfly

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摘要—随着科学技术的不断发展，工业4.0的理念深入人心，打造无人工厂，智能工厂成为工业热点。工业4.0的核心就是“互联网+制造”，所以互联网在工业4.0就占重要地位。工业互联网与传统互联网，移动互联网有很多的区别，主要区别点在于实时性、确定性、可靠性。本文介绍常用工业互联网协议（MODBUS RTU,CAN，Profinet、Ethernet/IP、Modbus TCP、EtherCAT等）的主要特点，并对TSN时间敏感网络进行了较为详细的介绍，引出下一代工业互联网OPC UA + TSN。
关键词—工业互联网、现场总线、工业以太网，OPC UA + TSN

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1 引言

工业网络是工业互联网部署和运行的基石。根据网络所处位置的不同，工业网络划分为工厂内网络和工厂外网络。工厂内网络可进一步分为工业骨干网和工业现场网络。工业骨干网连接不同车间或厂区，实现车间级互连；工业现场网络则是典型的OT（操作技术）网络，连接工控设备，完成工业生产控制任务。经过多年的发展，工业现场网络形成了现场总线、工业以太网和工业无线网络等多种类型。典型的现场总线协议有Modbus RTU、Profibus、HART等；工业以太网的代表性协议有Profinet、Ethernet/IP、Modbus TCP、EtherCAT、Powerlink、EPA等；WIA-PA、WirelessHART、ISA100.11a则是主流的三种工业无线网络标准。近年来，现场总线的市场份额逐渐被工业以太网占据，工业以太网和工业无线网络的应用越来越广泛。
当前工业网络存在一些问题。OT网络的一个显著特点是种类繁多，开放性差，仅进入IEC国际标准的现场总线与工业以太网种类就达数十种。大部分标准自成体系，围绕网络协议形成一个个封闭的软硬件系统。不同网络接口的设备互联互通困难。
工业互联网和智能制造要求对生产过程精确管控，底层物联网到互联网需要无缝集成。但传统控制网络采用分层的系统结构，造成信息获取、控制、调度和管理方面集成度差、协同能力弱的局限，难以满足工业互联网和智能制造对底层物联网到互联网无缝融合与集成的要求。
此外，现有的OT网络无法有效适应边缘计算等新型计算模式的需求。一些企业的ERP等系统已经能够部署在云端，但如何对边缘控制器、边缘服务器等新型计算设备和边云协同等新模式进行网络适配，成为重要瓶颈问题。同时，现有网络不够智能，也缺乏高效的异构网络组网与管控方法，软件定义网络（SDN）、人工智能等IT新技术尚未有效的扩展到OT网络中。
因此，有必要打破传统控制网络分层结构，建立IT/OT深度融合的新型工业融合网络，实现工业异构网络之间的开放互连与信息互通，满足工业互联网对网络的灵活需求。


图1：网络式SCADA系统


图2：智慧工厂分层图


图3：各工业网络市场份额
2 工业互联网现状

2.1 现场总线

过去，人们在串行接口上进行工业通信，这些接口最初由不同的公司创建，后来都成为标准，于是市场上涌现出很多不同的标准。由于这些标准背后都有大型企业支持，因此工业自动化设备公司需要在一个工业系统内实施多种协议。由于工业系统的生命周期长，包括 PROFIBUS、 CAN 总线、Modbus 和 CC-Link 在内的很多包含主从配置的基于串行的协议现在仍然非常流行。
PROFIBUS 是世界上较为成功的现场总线技术，广泛部署于包括工厂和过程自动化在内的工业自动化系统中。 PROFIBUS 可提供针对过程数据和辅助数据的数字通信，速度高达 12 Mbps，并支持多达 126 个地址。PROFIBUS-DP:用于传感器和执行器级的高速数据传输[1]。它以DIN19245的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DP的传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作.多主站采用令牌传输方式[2]。它的设计旨在用于设备一级的高速数据传输。在这一级，中央控制器 (如PLC/PC)通过高速串行线同分散的现场设备 (如1/0、驱动器、阀门等)进行通信，同这些分散的设备进行数据交换多数是周期性的。


图4：以PROFIBUS拓扑图
控制区域网 (CAN) 总线是一种高度完整的串行总线系统，最初作为自动汽车总线创建，后来成为一种用于实现工业自动化的现场总线。它可为串行通信提供物理层和数据链路层，速度高达 1Mbps。CANopen和 DeviceNet 是 CAN 总线之上更高级别的标准化协议，可与相同工业网络中的设备实现互操作性。CANopen 在网络中支持 127 个节点，而 DeviceNet 在同一个网络中支持 64 个节点[3]。CAN总线是一种基于优先级的串行通信网络，采用载波监听多路转换冲突避免协议CAN总线中传输的数据帧的起始部分为数据的标识符，标识符可以区分消息又可以表示消息的优先级(0的优先级最高)[4]。CAN总线为多主工作方式，网络上任意一节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点同时发送消息。若两个或两个以上的节点同时开始传送报文，就会产生总线访问冲突，根据逐位仲裁原则，借助帧开始部分的标识符，优先级低的节点主动停正发送数据，而优先级高的节点继续发送信息。在仲裁期间CAN总线作与运算，每一个节点都对节点发送的电平与总线电平进行比较，如果电平相同，则节点可以继续发送。如规定0的优先级高，当某一个节点发送1而检测到0时，此节点知道有更高优先级的信息在发送，它就停止发送消息，直到再一次检测到网络空闲。CAN，总线采用的是一种叫做载波监测，多主掌控/冲突避免(CSMA/CA)的通信模式。这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个设各都有机会取得总线的控制权并向外发送数据。如果在同一时刻有2个或2个以上的设各要求发送数据，就会产生总线冲突，CAN总线能够实时地检测这些冲突并对其进行仲裁，从而使具有高优先级的数据不受任何损坏地传输。
当总线处干空闲状态时呈隐性电平，此时任何节点都可以向总线发送显性电平作为帧的开始。如果2个或2个以上同时发送就会产生竞争。CAN总线解诀竞争的方法同以太网的CSMA/CD (Carrier Sense MulTIple Access with Collislon DetecTlon)方法基本相似加图1所示。此外CAN总线做了改进并采电OSMA/CA (Carrier Sense Mulple Access withCollisior Avoidance)访问总线，按位对标识符进行仲裁。各节点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平读取，并与自身发送的电平进行比较，如果电平相同继续发送下一位，不同则停止发送退出总线竞争。剩余的节点继续上述过程，直到总线上只剩下1个节点发送的电平，总线竞争结束，优先级高的节点获得总线的控制权。


图5：CAN总线拓扑图
Modbus Rtu是一种简单而强大的串行总线，它公开发布，不收专利费，在链路中可连接多达 247 个节点。Modbus 易于实施并在 RS-232 或 RS-485 物理链路上运行，速度高达 115K 波特。Modbus协议是一个master/slave架构的协议[5]。有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点。每一个slave设备都有一个唯一的地址。在串行和MB+网络中，只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令。一个ModBus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址。所有设备都会收到命令，但只有指定位置的设备会执行及回应指令（地址0例外，指定地址0的指令是广播指令，所有收到指令的设备都会运行，不过不回应指令）。所有的Modbus命令包含了检查码，以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值，控制或者读取一个I/O端口，以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。


图6：Modbus Rtu拓扑图
CC-Link 最初由 Mitsubishi 开发，在日本和亚洲是一种流行的开放式架构工业网络协议。CC-Link 基于 RS-485，可连接同一网络中的多达 64 个节点，速度高达 10Mbps。CC-Link(Control &Communication Link ,控制与通信链路系统),是三菱电机新近推出的开放式现场总线，其数据容量大,通信速度多级可选择 ,而且它是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。一般情况下 ,CC-Link 整个一层网络可由 1 个主站和 64 个从站组成。CC-Link 的底层通信协议遵循 RS 485 , 一般情况下, CC-Link 主要采用广播-轮询的方式进行通信 ,CC-Link 也支持主站与本地站 、智能设备站之间的瞬间通信[6]。CC-Link有以太特点[7]：
(1)自动刷新功能
CC-Link 网络数据从网络模块到 CPU 是自动刷新完成，不必有专用的刷新指令；安排预留以后需要挂接的站，可以事先在系统组态时加以设定，当此设备挂接在网络上时， CC-Link 可以自动识别，并纳入系统的运行，不必重新进行组态，保持系统的连续工作，方便设计人员设计和调试系统。
(2)完善的 RAS 功能
RAS 是 Reliability （可靠性）、 Availability （有效性）、 Serviceability （可维护性）的缩写。例如故障子站自动下线功能、修复后的自动返回功能、站号重叠检查功能、故障无效站功能、网络链接状态检查功能、自诊断功能等等，提供了一个可以信赖的网络系统，帮助用户在最短时间内恢复网络系统。
(3)循环传送和瞬时传送功能
CC-Link 的 2 种通信的模式：循环通信和瞬时通信。循环通信是数据一直不停地在网络中传送，数据是安站的不同类型，可以共享的，由 CC-Link 核心芯片 MFP 自动完成；瞬时通信是在循环通信地数据量不够用，或需要传送比较大的数据（最大 960 字节），可以用专用指令实现一对一的通信。


图7：现场总线


图8：各现场总线对比
2.2 工业以太网通信协议

以太网无处不在，并且具有成本效益，它采用公共物理链路且速度更快。正因如此，多种工业通信协议正转移到基于以太网的解决方案上。支持 TCP/IP 的以太网通信通常具有不确定性，反应时间通常约为 100ms。工业以太网协议使用经过修改的介质访问控制 (MAC) 层来实现非常低的延迟和确定性响应。以太网还使系统具备灵活的网络拓扑和灵活的节点数量。我们来详细了解一些流行的工业以太网通信协议。


图9：以太网发展历史
2.2.1 EtherCAT
EtherCAT 最初由 Beckhoff 开发，支持高速数据包处理并可为自动化应用提供实时以太网，它还为从大型 PLC 直至 I/O 和传感器级别的整个自动化系统提供可扩展的连接。
EtherCAT 是一种针对过程数据进行优化的协议，使用标准 IEEE 802.3 以太网帧。每个从节点将处理数据电报并在每个帧通过之时将新数据插入到帧中。这个过程在硬件中处理，因此每个节点需要的处理延迟极小，从而可实现极短的响应时间。EtherCAT 是 MAC 层协议，对于如 TCP/IP、UDP、Web 服务器等任何更高级别的以太网协议而言都是透明的[8]。
EtherCAT是确定性的工业以太网，是由德国BECKHOFF自动化公司于2003年提出的实时工业以太网技术。它具有高速和高数据高效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构。其从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。
EtherCAT的周期时间短，是因为从站的微处理器不需处理以太网的封包。所有程序资料都是由从站控制器的硬件来处理。此特性再配合EtherCAT的机能原理，使得EtherCAT可以成为高性能的分散式I/O系统：包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30us，相当于在100Mbit/s的以太网传输125个字节的资料。读写一百个伺服轴的系统可以以10kHz的速率更新，一般的更新速率约为1–30kHz，但也可以使用较低的更新速率，以避免太频繁的直接内存存取影响主站个人电脑的运作。
EtherCAT的传递机制的命名叫做：ON The Fly。
On The Fly技术可以从两方面来解读，第一个方面是以太帧“时分复用”。一般以太帧里都只包含了一个设备发送的消息，5个设备就会发送5条以太帧。而EtherCAT则是多个从站共享一条以太帧。
On The Fly影响的另一个方面就是总线仲裁了。所谓总线，就是大家都共用一条通道来通信，各个设备都挂载在同一条总线上。所以，当一个总线上的多个设备同时想要发消息的时候，就会产生冲突，所以，就有总线仲裁的机制。控制器决定当前时刻，谁来发消息，谁来“占用”这条总线。而EtherCAT玩了一个花样，EtherCAT的各个设备之间是一种P2P（Point to Point）的连接方式，这些设备根本没有连接在“同一条”总线上。EtherCAT网络不需要交换机。每个EtherCAT设备通常有两个以太网端口，第一个端口是接收端口，另一个是发送端口，发送给另一个设备[9]。


图10：EtherCAT通信图
2.2.2 EtherNet/IP
EtherNet/IP 是最初由 Rockwell 研发的工业以太网协议。与作为 MAC 层协议的 EtherCAT 不同，EtherNet/IP是TCP/IP 上的应用层协议。EtherNet/IP 使用标准以太网物理层、数据链路层、网络层和传输层，并使用 TCP/IP 上的通用工业协议 (CIP)[10]。CIP 为工业自动化控制系统提供一组通用的消息和服务，可用于多种物理介质。例如，CAN 总线上的 CIP 称为 DeviceNet，专用网络上的 CIP 称为 ControlNet，而以太网上的 CIP 称为 EtherNet/IP。 EtherNet/IP 通过一个 TCP 连接、多个 CIP 连接建立从一个应用节点到另一个应用节点的通信，可通过一个 TCP 连接来建立多个 CIP 连接。
EtherNet/IP 使用标准以太网和交换机，因此它在系统中拥有的节点数不受限制。这样，就可以跨工厂车间的多个不同终点部署一个网络。EtherNet/IP 提供完整的生产者-消费者服务，并可实现非常高效的从站对等通信[11]。
EtherNet/IP 兼容多个标准互联网和以太网协议，但其实时和确定性功能比较有限。
EtherNet/IP同时支持CIP的时分的和非时分的消息传输服务。时分的消息交换基于生产者/消费者模型，在这个模型里一个传送者在网络上发送数据并被网络上的多个设备同时接收到。EtherNet/IP将以太网的设备以预定义的设备种类加以分类，每种设备有其特别的行为，此外，EtherNet/IP设备可以：
(1)用用户数据报协议（UDP）的隐式报文传送基本I/O资料。
(2)用传输控制协议（TCP）的显式报文上传或下载参数、设定值、程式或配方。
(3)用主站轮询、从站周期性更新或是状态改变（COS）时更新的方式，方便主站监控从站的状态，讯息会用UDP的报文送出。支持多种通信模式。包括主从（Master/Slaver）、多主（Multi-Master）、对等（Peer-to-Peer），或者三种模式的任意组合。
(4)用一对一、一对多或是广播的方式，透过用TCP的报文送出资料。
EtherNet/IP使用TCP埠编号44818作为显式报文的处理，UDP埠编号2222作为隐式报文的处理。


图11：EtherNet/IP模型
2.2.3 PROFINET
PROFINET是一种基于以太网的技术，因此具有和标准以太网相同的一些特性如全双工、多种拓扑结构等，其速率可达百兆或千兆。另外它也有自己的独特之处，如：能实现实时的数据交换，是一种实时以太网；与标准以太网兼容，可一同组网；能通过代理的方式无缝集成现有的现场总线等[12]。
PROFINET使用到的三种协议栈[13]:
(1)TCP/IP是针对PROFINET CBA及工厂调试用，其反应时间约为100ms。使用了IEEE 802.3以太网标准和TCP/IP，报文结构如下图2所示。大多数的PROFINET通信是通过没有被修改的以太网和TCP/IP包来完成。这使得可以无限制地把办公网络的应用集成到PROFINET网络中。
(2)RT（实时）通讯协定是针对PROFINET CBA及PROFINET IO的应用，其反应时间小于10ms。RT的通信不仅使用了带有优先级的以太网报文帧（如下图3所示），而且优化掉了OSI协议栈的3层和4层。这样大大缩短了实时报文在协议栈的处理时间，进一步提高了实时性能。由于没有TCP/IP的协议栈，所以RT的报文不能路由。
(3)IRT（等时实时）通讯协定是针对驱动系统的PROFINET IO通讯，其反应时间小于1ms的处理（如下图4所示）。RT通信是满足最高的实时要求，特别是针对于等时同步的应用。IRT是基于以太网的扩展协议栈，能够同步所有的通信伙伴并使用调度机制。IRT通信需要在IRT应用的网络区域内使用IRT交换机。在IRT域内也可以并行传输TCP/IP协议包。以PROFINET RT为例来理解在整个通信的过程中实时性能是如何来保证的。从通信的终端设备（PN控制器和PN设备）来看，首先采用了优化的协议栈。这样一来在终端的设备上数据报文被处理的时间大大的缩短，这是实时性能保证的一个方面。其次是终端设备上采用的分时间段处理机制。这样保证了在每个通信的循环的周期内终端设备既可以处理RT的实时数据又可以处理TCP或UDP的数据,且在每个循环内优先处理RT的实时数据。
这里需要强调的是每个PN终端设备只对自己的负责，需要发送的数据会按发送循环发送、对于由其他设备发到自己的数据会进行立即接收，且发送和接收是并行处理。从通信的传输设备（SCALANCE X交换机）来看，首先采用百兆全双工的交换网络，这样一来每个终端设备的每个端口都是独享带宽，且可以双向不间断的收发数据。其次是交换机支持802.1P或802.1Q的标准，使得发到交换机网络的PN的数据帧被优先处理和转发，如上图所示。这一点保证了PN在网络上的快速转发，也是实时性能保证的另一个方面。


图12：PROFINET模型


图13：Profient拓扑图
2.2.4 POWERLINK
POWERLINK 最初由 B&R 开发。以太网 POWERLINK 在 IEEE 802.3 上采用，因此可自由选择网络拓扑、交叉连接和热插拔。它使用轮询和时间分片机制来实现实时数据交换。POWERLINK 主站或“托管节点”通过数据包抖动将时间同步控制在数十纳秒范围内[14]。此类系统适用于从 PLC 与 PLC 通信和可视化到运动和 I/O 控制的各种自动化系统。可使用开源堆栈软件，因此实施 POWERLINK 时遇到的障碍很小。此外，CANopen 是标准的构成部分，方便从以前的现场总线协议轻松进行系统升级。
2.2.5 Sercos III
Sercos III是第三代串行实时通信系统 (Sercos)。它结合了高速数据包处理功能，可提供实时以太网和标准 TCP/IP 通信，以打造低延迟工业以太网。
与 EtherCAT 非常相似，从 Sercos III 通过快速提取数据并将其插入以太网帧的方法来处理数据包，从而实现低延迟。Sercos III 将输入数据和输出数据分成两个帧。周期时间从 31.25 微秒开始，与 EtherCAT 和 PROFINET IRT 一样快。Sercos III 支持环型或线型拓扑。使用环型拓扑的一个主要优点是通信冗余。即使因一个从节点故障导致环断开，所有其他从节点仍然可获得包含输入/输出数据的Sercos III 帧。Sercos III 在一个网络中可拥有 511 个从节点，主要用于伺服驱动器控制。
3 TSN时间敏感网络

时间敏感网络（TSN）是 IEEE 802.1 任务组开发的一套数据链路层协议规范，用于构建更可靠的、低延迟、低抖动的以太网。TSN 的诞生和发展离不开传统以太网的技术支撑和行业需求的推进。 多种实时以太网协议在物理层实现了统一，但解决实时性的技术路线各不相同，各种实时以太网都形成了各自独立配置的网络系统，彼此之间形成了自动化孤岛，存在互连互通互操作问题。同时导致标准以太网和各种自动化系统的实时以太网也不能直接相连。尽管以太网技术一直处于不断发展的过程中，交换技术的采用也大大减少了网络延迟，但是以太网协议采用的“Best-effort”通信机制从本质上仍然缺乏确定性和实时性。为此一些标准化协会、技术组织等一直在推出各自的确定性网络的实现机制。TSN 技术标准起源于音视频行业，用于满足广播、直播、现场等公共媒体的高清视频及音频数据高实时、同步传输的高带宽网络应用需求，同时旨在用以太网取代家庭中的高清多媒体接口（HDMI）、扬声器和同轴电缆。在工业领域，许多工业自动化应用对于延迟的要求非常严格，以满足实时数据传输的需求。但是，现有的大部分自动化控制解决方案都是基于传统的以太网实现的，而且各大厂商还研发了一些附加的技术机制，从而导致了协议之间互不兼容，使实时以太网解决方案市场严重分散，无法支持未来工业网络融合、一体化的发展。因此智能制造、工业互联网的快速发展，迫切地需要通过统一的以太网实现高可靠低延迟、支持同步、具有良好兼容性的确定性工业通信[15]。
TSN 提供微秒级确定性服务，保证各行业的实时性需求。TSN 可以达到 10us 级的周期传输，性能优于主流的工业以太网。并且 TSN 面向音视频、工业、汽车等多种行业，将实时性延伸至更高的层次。 TSN 降低整个通信网络复杂度，实现周期性数据和非周期性数据同时传输。以工业为例，当前周期性控制数据使用工业以太网传输，非周期性数据使用标准以太网传输。TSN 通过其调度机制能够实现周期性数据和非周期性数据在同一网络中传输，进一步简化了整个通信中的网络复杂性。 TSN 统一网络传输，提高经济性。TSN 能够帮助实现信息技术（IT）与运营技术（OT）融合，统一的网络能够减少开发部署成本，降低控制器等产品网络配置所需的工程时间。以太网经历了串行通信、传统以太网、实时以太网时代，目前进入确定性网络时代。TSN 基于传统以太网，提供更可靠的、低延迟、低抖动的数据传输服务。除了 TSN 之外，近 10 年中也出现了一些网络确定性的技术解决方案，包括工业以太网、TTE、DetNet 等，但 TSN 无疑是当前最为成熟的确定性网络技术之一[16]。


图14：TSN与确定性网络
3.1 TSN在OSI模型中的位置

TSN协议族位于开放式系统互连（OSI）模型的第二层，即数据链路层。它可以采用 IEEE 802.3 的以太网或 IEEE 802.3cg《IEEE 标准 补篇 5：单对平衡导线上 10 Mb/s 运行和相关电力输送的物理层规范和管理参数》的标准网络来实现物理层[16]。
TSN 协议族进一步可以划分为三个子层：
（1）基础层：IEEE 802.1AS-2020《IEEE 标准 局域网和城域网 桥接局域网中时间敏感应用的定时和同步》的时钟同步和 IEEE Qat-2010《IEEE 标准 局域网和城域网 虚拟桥接局域网 修正 14：流预留协议 (SRP)》、 IEEE 802.1Qbv-2015《IEEE 标准 局域网和城域网 网桥和桥接网络 修正25: 调度业务的增强》等调度协议；
（2）中间层：IEEE 802.1Qcc-2018《IEEE 标准 局域网和城域网 网桥和桥接网络 修正：流保留协议 (SRP) 增强和性能改进》TSN 配置和 IEEE 802.1AB《IEEE 标准 局域网和城域网 站和媒体访问控制连接发现》定义的链路层发现协议（LLDP）等支撑协议，Yang 模型的定义等；
（3）应用适配层：各种应用配置协议。例如 IEEE 802.1BA-2009 《IEEE 标准 局域网和城域网 音视频桥接系统》面向 TSN 在 AVB 系统中的应用，IEEE 802.1CM-2018《IEEE 标准 局域网和城域网 时间敏感网络应用于移动前传网络》面向 TSN 在移动通信前传中的应用。IEEE 802.1DG《车内以太网通信的时间敏感网络应用行规》面向 TSN 在车联网中的应用，IEC/IEEE 60802《面向工业自动化的时间敏感网络行规》面向 TSN 在工业自动化中的应用。此外，国际电工委员会（IEC）制定中的 IEC TR 61850-90-13《电力自动化中的确定性网络》面向 TSN 在能源领域的应用。


图15：TSN在OSI模型中的位置
3.2 TSN核心机制

TSN 协议族包含了时钟同步、流量整形、数据调度、网络配置、应用配置等方面的标准。在本节中，将介绍时钟同步、数据调度、网络配置等 TSN 核心技术。
3.2.1时钟同步
与IEEE802.3的标准以太网和IEEE802.1Q的以太网桥接相比，始终在TSN网络中起着重要的作用。对于实时通信而言，端到端的传输延迟具有难以协商的时间界限，因此TSN中的所有设备都需要具有相同的时间参考模型，因此需要彼此同步始终。只有同步时钟，所有网络设备才能够一致操作，并在所需的时间点执行所需的操作。在 TSN 中，主要的时钟同步标准包括 IEEE 802.1AS 和其修订版 IEEE 802.1AS-Rev。


图16：IEEE 802.1AS 架构
3.2.2数据调度

TSN 的数据调度是保证时间敏感的基础，它的核心思想是基于不同的整形器（Shaper）来进行不同应用场景的流控制。IEEE 802.1 提供了一系列的标准来确保可靠性的数据传输，一般主要包括以下几种情况。
(1)基于信用的整形器 CBS（Credit-Based Shaper）
CBS整形器可以通过对不同队列赋予一个“信用值”来进行数据传输的调度，不同传输队列的“信用值”会随着数据传输的过程而自动更改，这样就会保证优先级较低的数据也会得到数据传输的机会。CBS整形器主要在汽车工业得到应用，但相对工业应用而言还是具有较大的平均延迟。
(2)时间感知的整形器 TAS（Time Awareness Shaper）
TAS 一 般 分 为 两 种： 抢 占 式 和 非 抢 占 式。 非 抢 占 式 基 于 IEEE 802.1Qbv，通过门控制列表（GCL）周期性的控制门的开 / 关，TAS 需要从发送方（Talker）到接收方（Listener）中间的所有网桥进行时钟同步，对于网桥中的每个端口，TAS 根据已知且商定的时钟表进行开关驱动动作，而数据调度则可以根据每个节点及队列的优先级进行定义，在 IEEE 802.1Qbv 的实现中，那些需要实时传输的数据流通常被第一个安排进行传输，需要在时间调度配置时预先予以确定，而与此同时，还需要为非周期性的数据预留一个通道。TAS 可以和 CBS 整形器结合使用，在这个机制下，除了原定计划的周期性的调度和非周期性的预留调度外，还可以增加一个 CBS 整形器对其队列内部的数据进行按照信用的排序调度。
在 IEEE 802.1Qbv 中所采用的 TAS 整形器存在一个问题，就是带宽 10 时间敏感网络白皮书保护，也就是无论是周期性的数据还是非周期性的预留数据，都需要预留通道。但是，TSN网络中还存在一些其他的数据，这些数据也是非周期性的，但是没有足够的预留通道，那么这时的数据传输就是“Best-effort”的数据调度。尽管这些数据是非周期性的，但是可能他们的优先级很高，因此，为了确保严格时间要求的数据传输，IEEE 802.1 Qbv 给每个周期预留了一个“标准以太网”帧作为保护带宽。
而为了节省带宽，IEEE 802.1Qbu-2016《IEEE 标准 局域网和城域网网桥和桥接网络 修正 26: 框架优先》规定了抢占式的 TAS 整形器，在保证时间敏感任务数据可调度的前提下，尽可能的节省带宽。抢占式策略的原理是暂停非时间敏感型数据的传输过程，转而传输时间敏感型数据，时间敏感型数据传输完成后，再继续传输非时间敏感型数据，主要解决低优先级队列对于高优先级队列传输的影响。需要注意的是，抢占式机制需要网桥节点和终端节点支持 LLDP。
(3)周 期 性 排 队 与 转 发 机 制 整 形 器 CQF（Cyclic Queuing and Forwarding）
CQF 整形器基于 IEEE 802.1Qch-2017《IEEE 标准 局域网和城域网 网桥和桥接网络 修正 29: 循环排队和转发》。其中单流过滤和管控机制（PSFP）中的时间门控逻辑控制了时间敏感分组进入缓存队列的时间，而时间敏感流增强调度（EST）机制中的输出门控机制控制了分组离开输出队列的时间。基于对 PSFP 和 EST 机制的不同配置，TSN 交换机可以实现多样的确定性转发，满足不同场景的需求。CQF 对 PSPF 和 EST 机制进行配置，可以通过简单的计算实现确定性的转发延时。CQF 也是目前 TSN 规范中确定的唯一配置方式。CQF 也可以与抢占式机制进行配合，使得可以在队列中避免低优先级反转压制高优先级数据的传输。


图17：CQF原理图
(4) 异步数据流整形器 ATS（Asynchronous Traffic Shaper）
ATS 整形器基于 IEEE 802.1Qcr《IEEE 标准 网桥和桥接网络 修正 : 异步流量整形》标准，为了解决非周期性数据的传输零拥堵问题，并且针对周期性的数据传输而言，网络的严格时钟同步和队列保护带宽等原因无法最大的使用到网络带宽，ATS 进一步优化那些对于时间同步非严苛任务的带宽利用。ATS 整形器旨在通过每跳重塑 TSN 数据流，并不要求网桥和终端节点同步，对于高实时要求和非实时业务混合业务模式下，ATS 整形器也能保持带宽的最大利用率。
3.2.3数网络配置

面向时间敏感网络应用，IEEE 802.1Qcc-2018《IEEE 标准 局域网和城域网 网桥和桥接网络 修正 : 流保留协议 (SRP) 增强和性能改进》描述了三种用户 / 网络配置模型，这些模型为后续规范提供了体系结构。每个模型规范都显示了网络中不同实体之间的用户 / 网络配置信息的逻辑流。
(1) 全分布模型
该模式下，用户流的终端直接通过 TSN 用户 / 网络协议传达用户需求。网络以完全分布式的方式配置，没有集中的网络配置实体。分布式网络配置使用一个协议来执行，该协议沿着流的活动拓扑传播 TSN 用户 / 网络配置信息。随着用户需求在每个网桥中传播，网桥的资源管理在本地有效地执行。这种本地管理仅限于网桥知道的信息，不一定包括整个网络的信息。


图18：完全分布模型
(2) 集中式网络/分布式用户模式
有些 TSN 用例在计算上很复杂，对于这样的用例，将计算集中在单个实体（网桥或端）中，而不是在所有网桥中执行计算。一些 TSN 用例可以受益于对网络中所有流的完整了解，对于这些用例，实体可以收集整个网络的信息，以便找到最佳配置。在集中式网络 / 分布式模型中，配置信息直接指向或来自集中式网络配置（CNC）实体。TSN 流的所有网桥配置都是由这个 CNC 使用远程网络管理协议来完成的。CNC 对网络的物理拓扑和每个网桥的能力有一个完整的视图，这使得 CNC 可以集中复杂的计算。CNC 可以存在于端或网桥上，并且知道网络边缘所有与终端连接的网桥地址，CNC 将这些网桥配置为一个代理，直接在网桥和 CNC 之间传输信息，而不是将信息传播到网络内部。


图19：集中式网络/分布式用户模式
(3)完全集中的模型
许多 TSN 用例需要在终端进行重要的用户配置，例如在许多工业控制应用程序中，物理输入和输出（I/O）的定时是由所控制的物理环境决定的，TSN 的定时需求是由该 I/O 定时产生的。而这些 I/O 计时需求可能在计算上非常复杂，并且涉及到每个终端中应用软件和硬件的详细信息。为了适应这类 TSN 用例，完全集中的模型支持集中用户配置（CUC）实体来发现终端和用户需求，并在终端中配置TSN特性。从网络的角度来看，完全集中式模型和集中式网络 / 分布式用户模型的主要区别在于：所有的用户需求都在 CNC 和 CUC 之间进行交换。


图20：完全集中式模型
3.2.4帧复制与消除

IEEE 802.1CB《IEEE 标准 局域网和城域网 可靠性的帧复制和消除》通过在网络的源端系统和中继系统中对每个包进行序列编号和复制，并在目标端系统和其他中继系统中消除这些复制帧，通过帧复制和帧消除过程为以太网提供无缝冗余特性，提高可靠性。当帧复制和消除机制被用于特定的网络结构时，可以用来防止由于拥塞导致的丢包情况，也可以降低由于设备故障造成分组丢失概率及故障恢复时间，有效提高工业自动化网络和车载以太网数据交互的可靠性。
3.3 TSN 与控制网络协议融合
由于自动化领域的各种实时以太网标准已在全球范围内有大量安装节点，因此其与 TSN 的融合具有巨大的现实意义。主流实时以太网技术组织都提出了与 TSN 的融合方案，在二层与 TSN 兼容的同时也保留了各自的应用行规，从而与相应的自动化系统无缝集成。目前已有多个实时以太网组织把先前的时间触发报文调度机制基于 TSN 重新实现，如 Profinet over TSN、CC-Link IE TSN。
Profinet over TSN 架 构 中，TSN 的实时和等时同步的特性无缝集成到 Profinet 架构中，并维护现有的上层 Profinet 功能，包括关于 Profinet 的诊断、配置、报警等服务内容保持不变。这使用户和设备制造商在 TSN 网络中继续使用原来他们开发的应用程序，也使现在提供实以太网技术解决方案的制造商，确保他们的技术具有可持续性。
而为了将 EtherCAT 的应用领域进一步扩展到异构网络环境中， EtherCAT 将 TSN 技术补充到了 EtherCAT 中并定义了“EtherCAT TSN 通信行规”，在此规范下 EtherCAT 主站和各个 EtherCAT 网段之间、各个 EtherCAT 主站之间可以通过 TSN 交换机连接，把 EtherCAT 网段和 TSN 流相适配。在此过程中，通过 TSN 网络无需对 EtherCAT 从站设备进行更改，多个工业控制器都可以通过以太网网络与多个不同的 EtherCAT 网段进行实时通讯。
在可以预期的将来，随着各厂商控制协议与 TSN 融合技术的完善。各种不同的实时以太网控制器和 IO 网段都可以物理连接在一个 TSN 网络里，通过 TSN 交换机的配置，实现若干个独立的实时流映射到不同的实时以太网应用层协议。
3.4 TSN 与 OPC UA 融合
目前工业界较为普遍的共识在于实现 OPC UA over TSN，OPC UA 与 TSN 分别在整个架构中扮演不同的角色，OPC UA 主要解决语义互操作、垂直行业信息模型、上层传输如 C/S 结构、Pub/Sub 结构的传输，以及信息安全的机制，而 TSN 则负责为其提供实时性、统一的底层网络支撑，两者合起来构成了实现整个工业 RAMI4.0/IIC 的工业互联网参考架构（IIRA）的通信框架。不仅如此，OPC UA 在机器学习、数字孪生与底层物理系统交互中也将扮演重要角色，因此，OPC UA over TSN 是未来整个工业通信网络发展的一个重要趋势[17]。


图21：OPC UA Pub/Sub 运行于 TSN
OPC UA 将实现与 TSN 在控制、传感器层的连接能力，也包括实现与 5G、GSM 等的连接能力。
在整个数字化制造的框架中，由 OPC UA 基金会组织的现场层通信 (FLC) 工作组主要聚焦将 OPC UA 与 TSN 融合，IEC 与 IEEE 合作成立了 IEC/IEEEE 60802 工作组，旨在将 OPC UA 与 TSN 融合，由 OPC UA 统一实现对 TSN 的网络配置功能。


图22：OPC UA over TSN


图23：OPC UA o + TSN协议层对应示意


图24：OPC UA +TSN 构建的工业互联网架构
OPC UA 通过信息模型支持语义级通信，已成为 RAMI4.0 等智能制造架构的主流通信协议，OPC 基金会发起了 FLC 项目，使得 OPC UA over TSN 既满足车间级的 M2M 横向通信，也满足现场层的等时同步通信。
3.5 TSN应用场景

智能制造代表着先进制造技术与信息化的融合，概念提出至今仅 30 年，已发展到至今以万物互联为主要特征的网络化制造阶段。这一阶段依赖于生产系统、信息系统、工业应用、云等各系统间充分的协调及融合。而传统的工业网络结构由于 IT 和 OT 网络技术标准各异，底层数据链路无法打通，导致工业生产全流程存在大量“信息死角”，无法为大规模复杂数据的交互和传输提供一个完整的共性平台，TSN 网络在工业中的部署可以帮助解决这个关键问题。
TSN 提了一个可互操作的系统，并支持多个制造商、协议和机构在同一个网络上共享，同时数据使用相同的语言进行解析，使得更多企业可以在此架构上实现 OT 和 IT 的融合。使得过去人们对于 IT 与 OT 连接的各种障碍得以获得一个清晰而可行的解决之道，最终实现工业互联，在这个基础上，大数据应用、人工智能分析等才能被实现，在工业现场环境下， TSN 网络较工业以太网主要有以下几个优势：
一是同一的网络传输，提供了市面上更低成本的网络接口。
二是优于目前工业以太网的扩展性。TSN 对传输速率的定义灵活。可用于 100 Mbps，也可同样用于 1 Gbps、10 Mbps 或 5 Gbps。
三是 TSN 能够更好的优化拓扑结构，因为现在可以针对各个不同的区段选择与之相适应的数据速率。无论是 1 Gbps、100 Mbps 还是 10 Mbps，都使用统一的第 2 层——IEEE 802.1/TSN。
四是统一的网络基础设施易于建设和维护，因为通过 TSN，解决方案现在可以用于自动化以外的其它领域，如建筑、过程和工厂自动化以及能源分配等。
4 总结及讨论

目前工业以太网的份额已经超过了现场总线，未来的工业以太网份额将进一步扩大，但是现场总线网络不会消失。因为为了低成本，便于部署，大量的嵌入式工控单板硬件的限制不足以支撑TCP/IP协议族，只能支持相对简单的现场总线，现场总线还会继续存在于工业现场。根据各个工业应用场景从成本、可靠性、实时性、可维护性、兼容性，选择合适的现场总线网络。
工业以太网方面都是基于专有网络,PROFINET,EtherCAT,EtherNet/IP 占主要份额。基于商业方面的考虑，各厂商之间网络要想通信需要基于网关转换，各厂家之间的协议难以互联互通。
工业内有呼声希望自动化模型向“自主型金字塔”模型演进，其描述的工业自动化将是一个无缝连接的完整系统，并具有如下趋势：
1） 小型、静态和独立的控制环路发展为大型、动态和
开放的控制环路通讯，即“信息物理系统”(CPS)，实现软
件和实体组件深度融合。
2） 曾经闭环于单一自动系统中的数据将可以在同一基
础平台上互相通讯，从而产生新的双向数据通讯流，实
现智能沟通。
3） 所有商业资产，包括设备、材料和工作人员，均在统一的基础设施中智能互联，在“正确的时间点”，通过端到端的“自主”通讯、合作、反应、匹配和优化，满足客户的多样化需求。
可以看出，未来工业自动化和控制系统将基于标准化技术和可扩展结构，并致力于融合信息和互联网技术，不断满足升 级高可用性和实时通讯的需求，同时在实现成本和收益最佳平衡的基础上，支持新产品和创新解决方案的研发。更确切地说，未来统一的网络基础设施要具备确定性通讯能力，保证性能和服务质量与导致当前自动化孤岛现象的专有协议水平相当，甚至优于专有协议。令人欣喜的是，标准组织和独立供应商均已认识到工业 4.0 的潜在益处，正携手为工业网络开发全新的统一基础--TSN + OPC UA。
TSN+OPC UA 组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的通信网络，前者基于以太网提供了一套数据链路层层的协议标准，解决的是网络通讯中数据传输及获取的可靠性和确定性的问题；后者则提供一套通用的数据解析机制，解决系统互操作的复杂性问题。在工厂数据采集、传输与生产运营中，都会需要对现场的机器状态、生产能耗、质量相关、生产相关参数进行采集，TSN+OPC UA 在整体上使得在工厂的各个环节的横向与纵向数据实现了透明交互，并且配置效率更高，程序与应用模块化更强。
工业互联网网络需要具备在全生产系统，乃至全产业链范 围实现人、机、物全要素的网络互联，以及设计、研发、生产、管理、销售、办公全环节的数据互通的能力。随着工业企业数字化及信息化的进一步深化升级，工业领域相关控制及信息系统的业务类型不断增加、复杂性不断提升，工业控制网络与工业信息网络也呈现融合趋势，具备支持多业务、多协议、多厂商设备和数据的互联互通、共网承载以及高质量传输能力已经成为工业互联网网络技术必然的演进方向。时间敏感网络技术用以太网物理接口承接工业内有线连接，基于通用标准构建工业以太网数据链路层传输；作为底层的通用架构，为实现传统 OT 与 IT 网络的融合提供了技术基础，不 仅并为打破以封闭协议为维度由某一厂商主导的产业模式提供可能，提高了工业设备的连接性和通用性，并且为包括大数据分析以及智能的、连接的系统和机器在内的新的业务提供了更快的发展路径，使得工业互联网网络技术和产业生态变得更为开放和富有活力。
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