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时间敏感网络TSN产业报告
2020时间敏感网络(TSN)产业报告
一、背景介绍
(一)工业网络演进概述
工业网络基于工业控制系统发展而来,20世纪90年代兴起现场总线技术,通过标准化的通信接口解决了工业控制系统内部执行器、传感器以及变送器等设备的互联问题,实现了各类工业数据信号的共总线传输。
然而随着工业应用对于承载需求的进一步提升,现场总线低速率,兼容性差、系统彼此间互联互通互操作性差的问题逐渐凸显,具有更高传输效率、更大带宽、更好兼容性的基于以太网的工业控制网络应运而生,为进一步实现系统间的互通提供了基础。
工业以太网技术遵从TCP/IP框架,具有接口简单、协议开放、可靠性高、传输速率快、互通便捷等突出优势,进入21世纪以来逐步成为工业网络的主流技术,并基于以太网架构建立完整的通信技术服务模型,构建工业应用层协议。
工业总线和工业控制网络技术不断推进各领域工业企业信息化建设进程,但值得注意的是由于各领域仅关注解决自身生产问题(如过程控制、运动控制、车载网络等),各类工业总线和工业以太网往往诞生于不同领域,并往往按照特定领域的适应性来制定相关标准,因此就形成了以IEC61158为代表的工业总线系列标准和以IEC61784-2为代表的工业以太网系列标准。
每一个工业以太协议背后基本都有一个工业集成商巨头在主导着该协议的生态圈构建,网络设备与协议绑定,各公司基于各
1
自协议对工业控制网络进行持续优化升级,但彼此之间相对封闭,互不兼容。
如表1所示:
表1目前主流以太协议
协议名称
运作组织
代表厂家
EtherNet/IP
ODVA
罗克韦尔自动化公
司(美国)
PROFINET
PROFIBUS国际组织
(PROFIBUSInternational,PI)
西门子
Modbus-TCP
Modbus-IDA
施耐德
Ethernet
PWOERLINK
EthernetPOWERLINK标准组织(EthernetPOWERLINK
StandardizationGroup,简称EPSG)
ABB
EtherCAT
EtherCAT协会
德国倍福
(Beckhoff)公司
CC-LINK
CC-Link协会
日本三菱
随着工业企业数字化、信息化、智能化进程不断升级,工业网络逐步发展为由工业控制网络和工业信息网络两个层次组成,前者主要负责工业控制系统内部以及系统之间的互联互通,承载工业控制信号及系统相关的监控、诊断、管理、操作等相关业务;后者主要支撑原始数据转换为信息应用于业务系统或实现控制反馈的数据互通。
工业互联网的诞生是为了满足产业界通过智能化、精细化管理提升生产效率、降低运营成本的诉求,作为一个完整的通信信息系统,对于承载相关业务网络的互操作性、兼容性以及传输质量有更高要求。
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。
(二)时间敏感网络发展现状
1.技术现状
时间敏感网络(TSN)技术相应基础共性标准主要由
IEEE802.1TSN工作组研究制定。
图1时间敏感网络标准关键路标
2006年,IEEE802.1工作组成立AVB(AudioVideo
Bridging)音频视频桥接任务组,并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。
有效地解决了数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。
来自工业部门的一些参与者立刻看到了其保证带宽和有界延迟的潜在能力。
2012年,AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围,覆盖音频视频以外的更多领域:
工业、汽车、制造、运输和过程控制,以及航空航天、移动通信网络等,并成立了工业互联网的实时性工作组,称为IEEE802.1TSN。
2015年,InterworkingTG与TSNTG合并成为新的TSN任务组。
IEEE802.1TSN任务组关注具体技术及其算法。
近年来,随着时间敏感网络技术在各个应用领域受到更为广泛和高度的关注,IEEE也针对该项技术在垂直行业的应用开展了研究和标准的研制,并有多个工作组同步开展工作,包括已经完成的802.1CM项目定义了TSN应用于移动前传网络的标准;2017年由IEC和IEEE联合立项了P60802工作组,目标是定义TSN应用于工业自动化网络的方案类标准;2019年新立项的IEEE802.1DF工作组,目标是定义TSN应用于服务提供网络的方案类标准;2019年新立项的IEEE802.1DG工作组,目标是定义TSN应用于车载网络的方案类标准等。
2017年起,IEC开始投入时间敏感网络(TSN)技术在工业领域的应用研究,IECSC65C/MT9与IEEE802成立60802工作组,开始制定《用于工业自动化的时间敏感网络(TSNIA)行规》国际标准。
2019年开始,IECEE(IECSystemofConformityAssessmentSchemesforElectrotechnicalEquipmentandComponents)工作组致力于进行时间敏感网络一致性测试服务(TSNConformanceTestService),目前主要包括进行一致性测试过程的定义(包括:
与其他组织的连接和协作),测试实验室认定结果的定义(例如:
确认测试在不同的测试实验室使用不同的硬件/软件生成相同并且可重复的结果)以及测试计划的创建等工作。
成立于1986年的Internet工程任务组(IETFInternetEngineeringTaskForce),是推动Internet标准规范制定的最主要的国际标准化协会组织。
2015年IETF成立了确定性网络
(Detnet)工作组,与负责第2层操作的IEEE802.1时间敏感网络(TSN)工作组合作,为第2层和第3层定义通用架构,致
力于在第2层桥接段和第3层路由段上建立确定性数据路径。
这些路径可以提供延迟、丢包和数据包延迟变化(抖动)以及高可靠性的界限。
可以认为DetNet是广义的时间敏感网络技术。
目前IETFDetNet工作组已经完成整体架构、数据平面说明、数据流信息模型以及YANG模型等交付成果。
2.产业现状
近年来,时间敏感网络(TSN)技术作为新一代以太网技术,因其符合标准的以太网架构,具有精准的流量调度能力,可以保证多种业务流量的共网高质量传输,兼具技术及成本优势,得以在音视频传输、工业、移动承载、车载网络等多个领域成为网络承载技术的重要演进方向之一,从而得到产业界的广泛关注。
时间敏感网络技术基于IEEE802.1协议实现,推动供应商开发遵从时间敏感网络标准的产品,可按需为需求侧提供更为灵活、可靠的时间敏感网络解决方案。
这意味着产业界各类企业或机构有机会参与到相关技术研究中,基于统一标准的进行技术实施,并提供更为广泛的产品来支持时间敏感网络,从而建立起时间敏感网络产业生态。
目前,时间敏感网络技术已经成为包括芯片厂商、通信设备厂商、自动化厂商、相关行业组织以及各类研究机构在内的产业链各个组成环节关注的热点。
如图2所示:
图2时间敏感网络产业现状示意
行业组织方面:
除了工业以太网相关协会组织(如
EtherCAT、CC_Link、Profinet等),都开始致力于开展描述现有工业网络与时间敏感网络融合部署的模型的研究工作;产业内众多独立第三方组织也开始积极组织参与时间敏感网络标准的测试床建设、产品测试认证以及方案孵化推广等各项工作。
a)AVNU组织为TSN网元提供时间精确性和低延迟特性提供认证服务,以保证其合规性和互操作性要求。
该项工作目前已经完成了运营理念的论证,并已经在2017年开始了设备的相关认证工作;
b)工业互联网联盟(IIC)整合了相关组织和技术资源,为组织成员提供测试平台并致力推进TSN标准在各垂直行业的应用;
c)LNI4.0也以每季度一次的频度定期组织进行TSN网络设备的对接实验;
d)为了推进OPC-UA与TSN的发展,由B&R和TTTech公司于
2016年组织以多家公司自发联合形成了“塑造者”阵营
(ShaperGroup)。
2018年,Rockwell自动化加入该集团,
带来了其在北美市场的影响力。
Shapers积极推动形成以OPC
UA和TSN为基础,开发“传感器,执行器,控制器和云之间的开放,统一,基于标准的IIoT通信解决方案,满足工业自动化的所有要求”。
自动化厂商方面:
2016-2017年,TSN应用于工业互联网领域的核心功能逐步完善。
随后,多家自动化厂商宣布了对OPC-
UA与TSN的支持,并加入相关国际组织,包括ABB、贝加莱、BoschRexroth、GE、NI等。
自2017年下半年起,截止到2019年连续三届的德国纽伦堡工业自动化展览会(SPSIPCDrive)和汉诺威工业博览会上,相关厂商开始就其产品在TSN技术上的进展发表声明,或直接演示测试床并发布TSN相关产品和解决方案。
a)2017年以德国倍福为代表的EtherCAT组织发表了关于TSN技术的白皮书,2017年11月Beckhoff发布了其首款TSN桥接通讯模块EK1000;
b)2017年5月NI发布了多款集成TSN技术的控制器,如:
CompactDAQ、CompactRIO等;
c)2017年以西门子为代表的PI组织宣布将会在新的ProfiNet协议中使用TSN技术,2018年12月,西门子正式宣布支持OPC-UA和
TSN这对组合,TSN与西门子的工业以太网协议Profinet在数据链路层进行集成,并发布了第一批TSN技术相关产品,包括具有
TSN功能的网络组件、通信处理器、软件和网络管理系统。
并计划在2019年中发布该协议或相关产品。
d)SERCOS则在SPSIPCDrive上展示了由TSN交换机桥接组成的
Rexroth运动控制系统;
e)以三菱为代表的CC-LinkIE在2019年汉诺威展上演示了CC-LinkIEoverTSN的方案,其中使用了支持TSN功能的CC-LinkIE的
Controller和IO。
f)罗克韦尔最新加入其中,计划将工业以太网协议
EtherNet/IP与TSN在网络架构的第二层进行集成。
通信设备厂商方面:
2017年起包括华为、思科、MOXA、新华三在内的多家通信设备厂商已经研发出或正在研发时间敏感网络相关网络设备,包括交换机、网关以及通讯模块,相关进展包括:
a)华为在2018、2019年汉诺威展上展示了OPC-UATSN测试床,并在其中提供了TSN交换机。
b)思科在2018、2019年汉诺威展上展示了TSN测试床以及支持TSN
的IE4000系列交换机。
c)Moxa在2018年的德国SPS中展示了TSN测试床,同年的IIC
联合测试床中展示MoxaTSN交换机。
d)新华三在2019年4月“领航者峰会”发布了TSN交换机产品,计划在2020年完成TSN交换机产品专业机构评测并实现规模化量产。
芯片厂商方面:
作为产业上游的芯片厂商对于时间敏感网络芯片的研发进展也不容小觑,支持时间敏感网络的通信芯片不断面世:
a)BROADCOM已发布BCM53570、BCM53112、BCM53162等不同规格的用于交换机的TSN芯片,以及用于工业现场设备的BCM53154TSN芯片。
b)MARVELL已发布88E6390X、88Q5050用于交换机的TSN芯片,其
中后者主要对标车载网络场景。
c)NXP已发布SJA1105、SJA1105TELTSN芯片,主要用于车载网关、车载ECU。
恩智浦的LS1021A时间敏感网络TSN平台、
d)ADI正在研发的千兆TSN芯片也将于近期发布,目标定位海量的
TSN网桥转换模块市场。
fido5000实时以太网多协议芯片、
e)德州仪器(TI)推出的多协议千兆位时间敏感网络处理器系列产品
f)此外,SoCe、Xilinx等公司也已公开宣称可以提供TSN相关的芯片IPcore。
(三)时间敏感网络技术优势
1.互联互通
标准的以太网具有开放性好、互操作性好的技术优势,但尽力而为的调度方式导致网络性能往往能不能满足工业业务的承载要求,存在确定性方面的问题;而工业控制网络通常通过对网络协议进行专门定制化开发来解决确定性问题,但协议之间通常彼此封闭,且往往需要专用硬件的支持,造成了不同协议无法互通、只能专网专用、可扩展性差、成本高等问题,增加了网络部署的复杂性。
如图3所示:
图3传统工业网络和以太网的比较
时间敏感网络(TSN)技术遵循标准的以太网协议体系,天然具有更好的互联互通优势,可以在提供确定性时延、带宽保证等能力的同时,实现标准的、开放的二层转发,提升了互操作性,同时降低了成本。
可以整合相互隔离的工业控制网络
为原有的分层的工业信息网络与工业控制网络向融合的扁平化的架构演进提供了技术支撑。
2.全业务高质量承载
工业互联网时代,工业数据作为核心要素的流传范围不再局限于工业控制网络内部,需要进一步向工业信息网络传递,此外工业数据的类型也呈现多样化趋势,逐步演变为包括视频数据、海量运维数据、远程控制信号在内的多种业务类型。
需要网络支持不同类型的业务流在工业网络上实现混合承载。
时间敏感网络(TSN)技术体系中提出了包括时间片调度、抢占、流监控及过滤等一系列流量调度特性,支撑二层网络为数据面不同等级的业务流提供差异化承载服务,进而使能各类工业业务数据在工业设备到工业云之间的传输和流转的能力。
3.智慧运维
时间敏感网络(TSN)技术的互操作架构遵循SDN体系架构,可以基于SDN架构实现设备及网络的灵活配置、监控、管理及按需调优,以达到网络智慧运维的目标。
TSN系列标准中已经定义或正在新定义或改进的控制面相关的协议,将会大大增强二层网络的配置、动态配置与管理的能力,为整个工业网络的灵活性配置提供了支撑。
(四)时间敏感网络产业驱动力
在工业领域,产业角色主要可以分为三大类:
工业厂商
(operator)、设备制造商(vendor)、集成商(integrator)。
工业厂商为了制造某个产品,需要建工厂、运营工厂,这个过程中需要从设备制造商那里采购各种工业设备,再在集成商的帮助下完成生产线及经营管理系统的搭建。
这三类产业角色都有推动TSN进入工业网络进行应用的诉求。
工业厂商作为需求侧期望通过对工厂的网络化升级改造,
提升工业企业的生产效率,并兼顾成本因素。
因此其对于网络的主要诉求主要三点:
第一是要满足工业互联网时代智能生产、智能管理及智能运营等各类业务流量的高质量共网传输需求,保证产线之间、产线与管理系统、管理系统与运营系统之间的数据的可靠流转,为工业企业从数字化到信息化迈向智能化提供网络保证。
时间敏感网络(TSN)技术的主要优势就是通过时间同步和精准调度在满足各类业务流量各自网络KPI(带宽、时延、抖动、丢包)要求前提下,实现共网共路传输。
第二是要满足开放兼容的技术特点,之前的工业以太网协议相对封闭,而工业企业在若干年的生产经营过程中,难免会出现不同时期采购的工业设备之间的通信协议无法兼容的问题,无法满足存量设备之间,新设备与存量设备之间的信息互通及功能协同的需求,而时间敏感网络技术(TSN)依托标准以太网体系架构,具备兼容和开放的技术属性。
第三是降低工业企业网络部署成本,随着工业企业数字化、信息化、智能化的不断升级,海量设备联网成为基本要求,之前各家工业以太网生态圈相对封闭,导致部署成本昂贵。
而时间敏感网络(TSN)技术的出现将从技术上打破这种封闭,进而引导市场在开放的技术架构上进行竞争,逐步降低工业网络的部署及运维成本。
设备制造商作为工业网络相关设备的供应侧,重点关注通
过新的网络技术在工业领域应用的需求场景中的落地,保持技术的先进性和产品的竞争力。
时间敏感网络技术(TSN)是一种新的技术架构,无论是在转发层面还是在管理层面的技术都融合了最新的网络技术思想,具有可演进、可拓展的体系架构。
工业集成商作为工业网络解决方案提供方,重点关注产业
技术生态的构建以及基于解决方案对于先进方案的融合应用。
时间敏感网络(TSN)技术特点决定了其与OPCUA、边缘计算以及5G等先进技术相互融合,彼此支撑将形成更为强大的方案体系,助力形成网络对于工业互联网的强力支撑作用。
二、技术体系
(一)标准体系
时间敏感网络主要在时间同步、流量调度以及互操作三个方面对以太网技术协议进行了优化升级,包括利用gPTP技术提升时间同步机制的性能,利用时间分片、抢占、流过滤等技术扩展流量调度手段,以及利用路径控制、冗余备份以及YANG模型等技术增强网络的互操作功能。
目前标准的制定主要集中在基于标准以太网的基础共性标准以及结合应用场景的技术细化和升级两个方面:
基础共性标准:
时间敏感网络(TSN)技术为以太网协议的
MAC层提供了一套通用的时间敏感机制,在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时,为不同协议网络之间的互操作提供了可能。
IEEE802.1TSN工作组目前已经完成基础共性协议的制定和发布,主要特性集中在时间同步、流量调度、网络管理以及安全可靠三大类,
表2IEEE802.1AVB/TSNTaskGroup部分已发布标准列表
特性
标准编号
标题
状态
时间同步
IEEEStd802.1AS-2011
TimingandSynchronization
时间敏感应用的时间同步
2017年6月12
日发布
流量调度
IEEEStd802.1Qbu-2016
FramePreemption.
帧抢占
2016年8月30
日发布
IEEEStd802.1Qbv-2015
EnhancementsforScheduledTraffic.
调度流量的增强功能
2016年3月18
日发布
IEEEStd802.1Qca-2015
PathControlandReservation
2016年3月11
路径控制和预留
日发布
IEEEStd802.1Qch-2017
CyclicQueuingandForwarding
周期队列及转发
2017年6月28
日发布
IEEEStd802.1Qci-2017
Per-StreamFilteringandPolicing.
流量过滤及监管
2017年9月28
日发布
互操作及安全可靠
IEEEStd802.1Qcc-2018
StreamReservationProtocol
(SRP)EnhancementsandPerformanceImprovements
带宽预留
2017年10月31
日发布
IEEEStd802.1Qcp-2018
YANGDataModel.
数据模型
2018年9月14
日发布
IEEEStd802.1CB-2017
SeamlessRedundancy
无缝冗余
2017年9月28
日发布
IEEEStd802.1AB-2016:
StationandMediaAccessControlConnectivityDiscovery(specifiestheLinkLayerDiscoveryProtocol(LLDP))
路径发现
2016年3月11
日发布
IEEEStd802.1AX-
2014:
LinkAggregation
链路聚合
2014年12月
24日发布
技术升级:
在基础共性标准逐步成熟的情况下,相关标准组织都积极也开始积极推进时间敏感网络在相关垂直领域的研究,并贴合实际应用场景进行技术细化及升级。
目前IEEE802.1一方面聚焦时间敏感网络应用场景的研究项目在工业控制、车载以太网、移动前传网络、运营商骨干网络等领域成立时间敏感网络研究小组,如下表所示
表3IEEE802.1TSNTaskGroup部分垂直行业标准列表
编号
名称
IEEEStd802.1BA-2011:
音视频桥接系统
AudioVideoBridging(AVB)Systems
IEEEStd802.1CM-2018
时间敏感网络应用于移动前传网络
Time-SensitiveNetworkingforFronthaul
IEC/IEEE60802
工业自动化领域时间敏感网络概述
AutomationTSNProfileforIndustrial
P802.1DF
服务提供网络领域时间敏感网络架构
TSNProfileforServiceProviderNetworks
P802.1DG
车载时间敏感网络架构
TSNProfileforCommunications
Automotive
In-Vehicle
Ethernet
另一方面针对时间敏感网络的基础共性特性进行细化升级,并标准进行增补或者修订,目前在研的项目包括:
表4IEEE802.1正在进行的研究项目
P802.1AS-Rev
TimingandSynchronizationforTime-Sensitive
Applications
修订(Revision)
P802.1AX-Rev
LinkAggregationRevision
修订(Revision)
P802.1Qcj
AutomaticAttachmenttoProviderBackboneBridging(PBB)services
完善
(amendmentIEEE802.1Q)
P802.1Qcr
BridgesandBridged
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