以太網(wǎng)在20世紀80年代初被引入辦公領域，并因其驚人的高吞吐量迅速普及。然而，這種以太網(wǎng)對于實時應用來說并不實用，因為它使用被稱為“合用線”的通用介質。在高利用率的情況下容易發(fā)生沖突，導致辦公設置問題。
后來隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，通過引入交換網(wǎng)絡解決了沖突問題。此外，通過服務質量(QoS)引入了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文優(yōu)先級。對于工業(yè)應用，保證低延遲尤為重要。盡管有QoS，但在辦公環(huán)境中使用的標準以太網(wǎng)只能保證延遲低至某一點，尤其是在高網(wǎng)絡利用率的情況下。
圖1 以太網(wǎng)幀: 與TSN數(shù)據(jù)流標識相關的數(shù)據(jù)字段用綠色表示
這源于諸多原因，而主要原因是商用多端口交換機常用的存儲轉發(fā)策略和不可能預留帶寬的事實。存儲轉發(fā)意味著交換機在轉發(fā)之前要收到完整的數(shù)據(jù)報文。這在交換機處理方面具有優(yōu)勢，但也帶來了潛在問題，會對延遲和可靠性產(chǎn)生負面影響，第一，當數(shù)據(jù)報文經(jīng)過交換機時，會按照其長度生成一定的延遲，如果多個交換機級聯(lián)，延遲影響會被放大。第二，由于交換機的存儲容量不是無限的，如果網(wǎng)絡使用過度(流量過多)，它可能拒絕數(shù)據(jù)報文，這意味著可能會丟失數(shù)據(jù)報文(甚至那些優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)報文)。第三，長數(shù)據(jù)報文會長時間堵塞端口。
交換機級聯(lián)從一開始就給工業(yè)環(huán)境應用帶來了挑戰(zhàn)。除了用于IT領域中的星型拓撲結構以外，自動化領域也常使用線型、環(huán)型和樹型拓撲結構。這些經(jīng)過調整的拓撲結構大幅降低了以太網(wǎng)安裝的布線要求和成本。因此，在工業(yè)應用中，采用直通式策略的雙端口交換機被整合到現(xiàn)場設備中，直通式意味著數(shù)據(jù)報文在被完全接收前被轉發(fā)。
圖2 拓撲結構
一體適用的技術：
工業(yè)以太網(wǎng)橫空出世
由于必須保證總能為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)報文提供足夠的帶寬(和緩沖區(qū)空間)。標準以太網(wǎng)目前還無法做到這一點。由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)沒有足夠的帶寬預留功能，自動化領域的專家從2000年就開始著手開發(fā)自己的以太網(wǎng)版本。然而，他們選取的開發(fā)路徑各不相同。以下方法各有特色：
● 使用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線傳輸介質的協(xié)議。這些協(xié)議要求完全控制以太網(wǎng)介質。傳統(tǒng)的TCP/IP通信只能通過現(xiàn)場總線(EtherCAT?和POWERlink?)或現(xiàn)場總線(Sercos)分配的通道進行搭載?，F(xiàn)場總線牢牢掌握著帶寬控制。
● 通過以太網(wǎng)上的時間分片程序來保證帶寬預留的協(xié)議。PROFINET?IRT是一個典型例子。IRT支持在背景流量的相同電纜上進行確定性硬實時數(shù)據(jù)傳輸。
● 基于共享以太網(wǎng)電纜的協(xié)議。這些協(xié)議使用QoS并非常適用于工廠自動化和過程自動化應用。針對這方面，PROFINET RT和EtherNet/IP值得關注。這些協(xié)議僅限用于軟實時(周期時間≥1 ms)范圍。
這些標準需要特殊的硬件來支持，因此需要使用特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP也是基于嵌入式雙端口直通式交換機的，因此它們在這一點上也不例外。
步入TSN
借助TSN，業(yè)界已經(jīng)成功開發(fā)出符合IEEE 802.1的標準以太網(wǎng)擴展版本，成功地擺脫了過去的限制。因此，ISO七層模型中的標準化第2層現(xiàn)在已經(jīng)可以向上兼容之前的以太網(wǎng)和硬實時功能。通過802.1AS-rev，TSN還定義了可互操作的統(tǒng)一方法，用于同步網(wǎng)絡中的分布式時鐘。由于通過TSN總能實現(xiàn)“盡力而為”的通信，所以在硬實時應用以及所有其他應用(網(wǎng)絡服務器、SSH等)中，共用電纜成為可能。在這方面，TSN與PROFINET IRT并沒有什么不同，它也提供了相仿的性能。
采用TSN的新增需求是需要更廣泛的網(wǎng)絡配置。集中式或分布式配置均有可能。目前正在討論和實施兼顧兩種類型的配置。未來的發(fā)展目標是實現(xiàn)兩種配置機制之間的互操作性。
TSN的實際優(yōu)勢
TSN提供了市面上更低成本的網(wǎng)絡接口，并且適用于更廣泛的市場。畢竟，TSN也能用于未來的樓宇自動化和汽車行業(yè)中。事實上，預計嵌入式TSN解決方案的市場規(guī)模將大大超過所有工業(yè)以太網(wǎng)解決方案當前市場的總和。
TSN相較以前的工業(yè)以太網(wǎng)方式最大的技術優(yōu)勢是其可擴展性。與當前的工業(yè)網(wǎng)絡不同，TSN并不針對特定的傳輸速率進行定義。TSN可用于100 Mbps，也可同樣用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。它還更好地優(yōu)化拓撲結構，因為現(xiàn)在可以針對各個不同的區(qū)段選擇與之相適應的數(shù)據(jù)速率。無論是1 Gbps、100 Mbps還是10 Mbps，都使用統(tǒng)一的第2層——IEEE802.1/TSN。
統(tǒng)一的網(wǎng)絡基礎設施還有助于相關人員完成建立和維護網(wǎng)絡的任務，因為通過TSN，解決方案現(xiàn)在可以用于自動化以外的其他領域，如建筑、過程和工廠自動化以及能源分配等。
圖3 時序模型：PHY、電纜和交換機會影響到數(shù)據(jù)傳輸延遲。使用時隙方法（PROFINET IRT和TSN時間感知整形器(TAS)）時必須考慮這一點
現(xiàn)有協(xié)議的未來
目前，在各方面強調的重點都是旨在能夠順利的過渡到TSN?？梢杂邪盐盏卣f，現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會在一夜之間消失。與之相反，任何人當前正在使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或類似普遍的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，有把握的是，在10年內他們還是能夠使用這些協(xié)議運行網(wǎng)絡，并獲得支持和替換部件。
所有工業(yè)以太網(wǎng)組織都提供了模型，用來描述現(xiàn)有工廠如何與基于TSN的新設備協(xié)同工作?，F(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡的接口由網(wǎng)關(Sercos)、帶耦合器(EtherCAT)或沒有任何特殊硬件(PROFINET RT)的接口組成。特別是PROFINET和EtherNet/IP計劃將其完整協(xié)議作為第2層用于TSN。這使得逐步過渡到TSN成為可能。總之，TSN將在新裝置中隨處可見，并逐漸以島或區(qū)段的形式導入至現(xiàn)有裝置中。
然而，伴隨著TSN，工業(yè)以太網(wǎng)領域將涌現(xiàn)出新的協(xié)議。帶有新傳輸協(xié)議PUB/SUB的OPC UA與TSN一起，已被視為傳統(tǒng)協(xié)議的競爭對手。對于現(xiàn)場設備的制造商來說，這意味著它們不得不同時支持傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及TSN和新協(xié)議。
工業(yè)通信的統(tǒng)一
TSN使得為所有工業(yè)通信創(chuàng)建一個統(tǒng)一的基礎成為可能。一旦引入TSN，工業(yè)應用中的ISO七層模型的第1、2、3層將統(tǒng)一。這有可能使可擴展性和性能達到全新的水平。
基于此，上層通信是否也會標準化?是否有可能出現(xiàn)一個統(tǒng)一的OPC UA PUB/SUB有可能。利用fido5000系列，用戶能夠為應對所有場景做好準備。
