TSN與工業以太網的關系以及演進展望
http://www.199rrr.com 2025-01-08 14:57 來源：CC-Link協會
來源：TSNLAB 微信公眾號
先放3個重要結論：
TSN是標準以太網（Ethernet）的增強，TSN就是標準Ethernet。
這里的標準以太網，由IEEE 802工作組定義。從OSI模型的角度，IEEE 802.1定義MAC（數據鏈路層，以后簡稱鏈路層或二層），IEEE 802.3定義PHY（物理層）。也就是說，標準以太網不僅僅是二層。IEEE 802.1在鏈路層做的工作，展開又可以分為硬件類、協議類、其它。TSN技術集的定義都是在IEEE 802.1里進行的，也同時覆蓋到這三類：如硬件類有幾種整形器、幀搶占等；協議類有資源預留協議等；其它類有時間同步等。
TSN非二層專用技術，TSN（Ethernet）當然可以和IP一起用。
舉個例子，一個IP轉發的流量，可否享受TSN時間門控的服務？當然可以！TSN標準定義了時間門控的機制，而這個機制是在網絡設備的排隊系統上實現的。我們有“一萬種方法”可以讓一個IP轉發的報文進入到特定的隊列（如基于DSCP、基于VLAN PCP、基于流量識別的流策略控制或優先級重映射等等），從而受到TSN時間門控的服務和調度控制。至于如何為這個流量進行資源預留，可以通過二層協議或三層協議，也可以通過集中配置設備的方式。
TSN（Ethernet）和一般意義上的PROFINET、EtherCAT等工業以太協議不對等。
前者是不包含應用層的，而后者包含。比如PROFINET、EtherCAT使用標準的Ethernet幀格式，同時用其中EtherType的字段標識了后面的報文內容（Payload）是PROFINET或EtherCAT的內容。這些內容屬于應用層，其具體格式，也是PROFINET、EtherCAT定義的。
在這個基礎上，本文嘗試用一張圖，來講解TSN與工業以太網的關系。
（此外，本文最后有一些作者的重要觀點，歡迎大家討論，請不要直接跳過哦。）
注1：白色填充方框內為一般意義上開放、通用的ICT軟硬件技術
注2：本圖為示意圖，因簡潔一致性和易理解性的取舍，不能保證每個細節絕對準確。
PROFINET：目前有ccA（nRT）、ccB（RT）、ccC（IRT）、ccD（TSN）四個一致性等級。IRT和TSN可以用于同步場景，TSN與RT兼容，TSN與IRT不兼容。TSN相比于IRT有技術上的優勢，但是當前PROFINET IRT有成熟的產品和方案，而PROFINET TSN還沒有。PROFINET RT + TSN可以是未來，但這個未來多久來，很大程度上取決于PI聯盟及其相關公司的產業、商業決策。
EtherNet/IP、POWERLINK、Modbus-TCP、OPC UA：本來就是工作在標準Ethernet上的方案，技術上可以按需升級為TSN，產業方面也都有相關的測試床。
EtherCAT：從技術上來講和TSN很大程度上有競爭關系。雖然ETG很早就發布了EtherCAT TSN白皮書，講兩者可以相結合，但在商業上沒有后續動作。
CC-Link IE TSN：CLPA和三菱已經發布了相關的產品，包括使用在PLC與遠程IO上的TSN模塊、支持TSN的伺服驅動器，可以和TSN交換機一起構建端到端的自動化解決方案。
這里面相關的玩家，或者說背后的推手，又可以分為三大類。在上圖中的，一般會選下面的1 and/or 2；暫時還不在上圖中但是有點想法的，可能會選2 or 3。
1、繼續經營原有的生態系統，總線向工業以太演進，工業以太可以（慢慢）向TSN以太演進。
2、大力發展OPC UA + TSN；推進“開放自動化”。
3、建立和發展新的生態系統，X APP + TSN，或X APP + 私有總線/私有工業以太。
對于3，作者認為，在應用側去構建自己的生態和技術壁壘是沒問題的，而如果網絡側也要做一套不與標準Ethernet兼容的新總線，則在給自己增加難度的同時，難以獲得顯著的額外收益。
小結：
可以看到，所謂的“七國八制”，包括應用層的不統一和網絡硬件側的不統一，后者主要是物理層和鏈路層的硬件不一致、無法兼容互通。在工業總線逐漸向工業以太網演進的過程中，網絡硬件側不統一的問題獲得了一定改善，但仍然存在為了實時性等原因，對網絡硬件做了修改的設計，從而造成當前各工業以太網的硬件不一定能互通。在不久的將來，網絡硬件側如果統一，不論從技術、產業還是商業的角度，有且只有一種可能性，就是Ethernet TSN。具體而言，就是Ethernet的物理層，加Ethernet包含TSN特性的鏈路層。網絡層和傳輸層根據場景需要，可以被bypass掉，也可以保留（IP+TCP/UDP）。
至于應用層要不要統一，能不能統一，說實話這并不是TSN的核心關注，畢竟下層技術是服務于上層的。不過，應用層的統一難度應該是遠遠要大于網絡硬件側的統一難度的。說來也奇怪，按理說，自動化廠商的核心競爭力，應該在自動化技術上構建，然而現狀是大家已經通過工業網絡這項通信技術，很大程度上建立了各自的生（bi）態（lei）。
本文涉及較多內容，不準確之處，歡迎大家留言，交換觀點。
編輯精選
