实时物联网RT-IoT终于有了自己的专属通讯网络TSN!

640-20.jpeg

在以前的文章中,我曾经多次为实时物联网这一逐渐浮出水面的趋势打call,而在实时物联网的几大幕后推手中,网络技术的力量是强劲而关键的。

本文将与你分享IoT网络通讯方面取得的最新进展,这一成果虽然尚未引起太多关注,但却有着足以引发产业变革的潜能,它的名称有些生僻:一组名为TSN(Time Sensitive Networking,时间敏感网络)的全新标准簇。

标准以太网由于具有高带宽、互操作性强、维护成本低、部署简便等优势,应用非常广泛。但是在实时物联网RT-IoT的场景之下,标准以太网的传统优势却显得有些捉襟见肘。因为,以太网的本质是一种非确定性网,采用CSMA/CD载波侦听多路访问/冲突检测介质访问控制机制,导致具有通信“不确定性”的特点,使得标准以太网难以胜任高速实时性数据通信。

CSMA/CD说白了就是当一个节点要发送数据了,首先监听传递数据的信道忙不忙:如果信道空闲就发送数据,并继续监听;如果在数据发送过程中监听到了冲突,那么就立刻停止数据发送,等待一段时间,时间长度随机,可长可短“不确定”,然后再重新尝试发送数据。这种机制导致数据传输无法确保实时、高速,所以在很多工业场景中无法推广。

TSN时间敏感网络作为一组位于数据链路层的协议簇,从底层架构中改变了以太网的不确定性,将它转变为确定性网络,触发了以太网本身的一次自我迭代。这次迭代不仅激发了IoT迈向实时物联网的演进,还将改变工业物联网的底层架构。

本文将是国内首次对TSN的全面解析。

640-21.jpeg
-------<1>-------

写在最前面,没有任何一种技术能够让所有数据通讯都做到实时。TSN确保网络实时性的原则是根据不同任务数据对时间的敏感性,在管理信息交互的时间节点和流程顺序方面提供通用的标准。

举个例子来说说到底什么是TSN。

不同行业的IoT系统将会产生大量的数据,比如伦敦地铁维多利亚线的状态监测系统每天产生32 TB的数据。虽然大部分原始数据都不是很紧急,但对于那些时间要求严格的重要数据,比如重要的控制信号和故障检测数据,必须在严格的延迟范围和可靠性规定内进行传输和共享。

一方面,标准以太网虽然有足够的带宽,但不具备处理此类时间敏感型实时数据的智能;另一方面,许多工业网络虽然能够满足实时性的要求,但是网络的带宽有限,需要对硬件进行升级。

这时,TSN时间敏感网络便如量身定制般,推动以太网走向确定性,推动工业物联网迈向Gbit/s时代。

想象一下,在北京的你从国贸开车前往天安门,全程5公里,通常需要20分钟左右,上下班高峰期还会更久。有了TSN,你的出行计划会被安排的严丝合缝,如果你准时离开,以100公里/小时的速度行驶,那么你将在3分钟后准时到达天安门。因为TSN会通知所有的交通信号灯及时变绿,让所有前方车辆和行人在你通过的时候及时避让,令你畅行无阻。

-------<2>-------

TSN在网络协议层堆栈中,位于数据链路层。新的TSN标准将会带来很多优势,包括:

 

640-22.jpeg
高带宽

目前工业控制常用的专用协议仅限于100 Mb的带宽。TSN将会纳入各种标准以太网速率,若以1Gbit/s为例,可达现有工业网络的10倍之多。

互操作性

通过使用标准以太网的组件,TSN可无缝集成现有应用和标准IT网络来提高其易用性。此外,TSN继承了现有以太网的许多特性,比如HTTP接口和Web服务,实现了IIoT系统所需的远程诊断、可视化和修复功能。TSN具有的另一个优势是,利用标准以太网芯片集就可以利用批量生产的商业硅芯片,从而降低了组件的成本。

延迟和同步

TSN重点考虑了快速系统响应和闭环控制应用所需的低延迟通信。它可实现数十微秒的确定性传输时间,以及数十纳秒的节点间时间同步。

安全性

TSN对重要的控制网络进行了保护并集成了最重要的IT安全规定。

-------<3>-------

综上,为什么说TSN正在改写工业世界的底层通讯逻辑?

一言以蔽之,TSN是工业领域的3G通讯。

在B2C领域,一直有很强的单个产品带动效应,比如曾经的智能手机,未来的智能汽车,由于轻松拥有上亿乃至数十亿的出货量,都会形成很强的汇聚和推动效应,带动整个上下游产业的大规模发展。

而在B2B领域,很难观察到某个产品具有如此销量,带动整个产业发展。主要原因有二:

一方面是由B2B的本身特性所决定,产品多样性、定制化和地域化倾向很强,各种传感器、控制器、电机、变频器、工业机器人、工业摄像头…种类繁多,没有一种“爆款”产品足以称霸工业;

另一方面,工业巨头企业之间制造了人为的割裂和壁垒。比如在工业领域,为了解决以太网“不确定性”的弊病,各个公司都开发了自己的专属工业以太网协议,比如西门子的Profinet、施耐德的Modbus TCP/IP、罗克韦尔的Ethernet/IP、还有EtherCAT、POWERLINK、CC-Link等,这些协议都是在标准以太网的基础上修改或增加了一些特定的协议以保证实时性和确定性,但是它们之间互不兼容的本质造成了明显的市场割据。

TSN的出现,拓展了标准以太网组件的应用范畴,使得工业以太网标准与背后支持的技术服务提供商解耦,打通了人为制造的割据势力。

回顾工业网络的发展历程,经过了三个阶段:

1G:现场总线。

现场总线的概念于1984年正式提出,精简了系统的结构,还使得整个控制系统的设计、安装、投运、检修维护都大大简化。但现场总线技术至今还没有一个统一的标准。事实上,从现场总线的概念提出开始,国际电工技术委员会/国际标准协会IEC/ISA就着手开始制定现场总线的标准,至今统一的标准仍未完成,开放性和互操作性无从谈起。

2G:工业以太网。

正当现场总线标准大战硝烟正浓之时,以太网悄悄进入了控制领域,从而产生了一个新的名词“工业以太网”,在标准以太网的基础之上各家企业各显神通,势头虽然盖过了现场总线,但从市场占有率来看,工业领域仍由现场总线主导。

正如当年的现场总线的标准之争一样,工业以太网也出现了多种不同的以太网技术,正如前文提到的Ethernet/IP、Profinet、Modbus TCP、EtherCAT、PowerLink、SERCOS III等,这些网络在不同层次上基于不同的技术和协议,每种技术的背后都有不同的厂商阵营在支持,这就决定了多种非标以太网技术并存的局面,哪家也无法一统江湖。

总之,2G工业以太网虽然解决了设备控制层的数据传输实时确定性的问题,但却因为各自为政的做法,没能解决IT(Information Technology信息技术)和OT(Operational Technology操作技术)的信息和数据融合的问题,而且构建成本和技术门槛极高。

3G:TSN时间敏感网络。

工业物联网的发展需要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TSN网络上共享。作为底层的通用架构,TSN使得更多企业可以在此架构上实现OT和IT的融合。这种融合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更快的发展路径。

-------<4>-------

TSN的重点在于数据通道的打通,最终用户能够基于通用网络架构联通工厂的所有节点,真正做到数据中心化。

 

640-23.jpeg
 

从工业3.0到工业4.0的演进路径上来看,传统的金字塔结构被打破以满足工业物联网的最新需求。

 

640-24.jpeg
 

过去金字塔结构将复杂的工业网络和应用程序分解为多重功能级别,在金字塔的每个层级中,从设备层、控制层到信息层,网络设备与相邻层级之间发生强相互作用,整个体系中很少看到跨越多个层级的直接通讯。这一结构虽然严谨但却不够灵活。

随着物联网应用需求的爆发和新技术的出现,工业网络无论从水平层面还是垂直层面都正在远离这种严格绑定的金字塔模型。尤其是远程安全访问、预测性维护和工业大数据分析的需求,促使工业领域转而使用更加灵活开放的模式,以满足垂直通讯和增强算力的新需求。

总之,TSN意味着更加强大的网络规划、配置和监控能力,全面利用以太网高带宽的优势,弥补标准以太网“非确定性”的短板,一种设备、一种协议可以满足各种工业领域的通讯需求,工业编码器、现场控制器、伺服电机、工业交换机等各种产品,不再被专属协议绑定,充分引入竞争并实现大规模放量,IT与OT融合的发展路径也将被改写。

-------<5>-------

目前TSN处于技术定型测试阶段,主要解决产品的互通性和稳定性。越来越多的工业供应商、IT厂商和芯片供应商共同推进TSN落地,主要的时间节点如下:

2011年在IEEE 802.1,802.3,802.11等工作组的共同努力下,TSN发布了基础版本,并在汽车电子领域由宝马等企业应用得到了初步验证。

2016-2017年,TSN应用于工业物联网领域的核心功能逐步完善,第一批TSN工业产品已经可供用户选择,其中包括美国国家仪器仪表NI公司的控制器,Intel、Broadcom、Marvel的TSN芯片,以及思科、Hirschmann等公司支持TSN的交换机。

2019-2020年,TSN标准完成并实现商业化。根据预测,TSN市场规模到2024年将超过6亿美元,年均复合增长率53.8%。交换机将成为引领TSN发展的重要单品。工业物联网中越来越多的实时通信需求将成为推动TSN市场发展的主要动力。

 

640-25.jpeg
 

除了推进TSN发展的两个核心组织:电气电子工程师学会IEEE 802标准委员会和Avnu联盟,更多的行业组织正在加入到探索TSN的行列中来。包括ODVA(DeciceNet供货商协会)、PI(PROFIBUS & PROFINET International)、OPC UA(OPC基金会)、IIC(工业互联网联盟)等。

TSN市场目前的主要参与者有Cisco、NXP、Marvell、Microsemi、Intel、National Instruments、ADI、Broadcom、Belden、瑞萨电子和TTTech。一些测试参与者包括施耐德、博世力士乐、贝加莱(现隶属于ABB)、倍福、罗克韦尔和通用电气。

 

640-26.jpeg
 

-------<6>-------

最后,做个展望。由TSN触发的变革才刚刚开始,IT和OT正在以此为契机实现真正的融合。

TSN为基于标准以太网创建的实时系统提供了开发机制。这些系统使用相同的基础设施,提供了所有标准IT数据的实时控制及通信,有望通过提供网络融合、安全的流量控制和高性能设备来从根本上改变系统设计和维护过程。

当然,只依靠TSN是不够的,它仅仅规定了通讯机制的底层器件:芯片、路由器、交换机、端口…真正做到数据互通还需要通用的数据结构,不同产品在应用层(数据结构、表示方法、会话模式)也需要能够相互兼容。OPC基金会等组织正在推进和完善这部分工作。

640-27.jpeg
正如前文所述,工业领域的金字塔架构将很快成为历史。更高的连接性和更强的灵活性需求,正在触发在工业物联网IIoT时代,金字塔架构平展化的趋势。这也就意味着工业领域将突破原有的束缚,成为与1990年代企业IT领域相类似的开放市场,最终用户可以从各种各样的供应商那里选择互可操作的组件,成本更低、来源更广,IT工程师也将更有能力直接为工业现场提供服务。

640-28.jpeg
随着原有的现场层、控制层、管理层等层级划分的淡化,有些产品将被重新定义,比如MES制造执行系统有可能整体消失,作为子集融入其他IT软件系统和云服务。

640-29.jpeg
灵活的通信基础设施也将更有利于最新技术和产品的部署,比如Everything as a Service(XaaS)和边缘智能。可以预见,TSN与原有的工业以太网势力之间将会产生一轮旷日持久的博弈,坐等各种新市场和初创企业的“野蛮人”前来推翻旧政,开辟新朝。

(0)

本文由来源 物联网智库,由 Wendy 整理编辑!

LensNews

热评文章

发表评论