TSN(Time Sensitive Network)-时间敏感型网络是一个最新的但却并非陌生的技术,对于那些旨在推动工业物联网(IIoT)和工业4.0的厂商而言,他们在推动什么是一个值得探讨的话题,因为,在事实上推动IIoT和工业4.0的过程中,我们会遇到很多挑战,如果我们不了解OPC UA+TSN的话,某种意义上,我们只是在号称推动工业物联网,或者工业4.0。
一、TSN的渊源
TSN并非像很多人所感受的—这是一个全新的名词,事实上,TSN已经运行了有一些时间了,当然,它是一项从视频音频数据领域延伸到汽车领域,并进一步推广至工业领域的技术。
Bridging最初由IEEE802.1D来定义,当LAN加入这一规范后成为了IEEE802.1Q,然而,这并不能满足确定性与鲁棒性的工业如工厂自动化的需求,因此,不同的组织就开发了自己的非标准的确定性的以太网变种,2006年,IEEE开始组建了AVB(AduioVideo Bridging)任务组,2012年,AVB的成员扩展其应用到确定性以太网需求的网络,这就是IEEE 802.1现在称为TSN。
1.1.视频/音频传输需求
TSN是最初来源于在视频领域的应用需求,例如:在足球赛事中往往需要大量的摄像机位来捕捉赛场的全局,在顶级的赛事如世界杯一场比赛包括主看台、球门后、门线、边线、顶部等多达30甚至60个机位,用于最为有效的为不能现场看球的球迷们传播最为精彩的比赛场景,包括各个视角如赛场顶部、两侧看台、主看台、球门线,当然也包括对球星如梅西、C罗这样的球员的全程关注,而这些都是高清的数据,并且要通过网络传输到处理中心,对于带宽的要求显然是很大的,而另一方面,为了最大限度的提供实时性,需要这些图像、音频必须实现高实时的传输与处理,可以想象其带宽和实时性的需求。
图1-为视频/音频系统同步处理提供的架构
1.2.汽车/无人驾驶汽车
对于无人驾驶汽车而言,或者对于更为智能的汽车而言,传统的CAN总线已经不够用了,因为我们需要更大的带宽来传输更为复杂的信号,以及在汽车与周边进行交互的时候所需要的道路、交通信息,尤为重要的是—快速响应能力对于安全非常重要,对于高速运行的汽车而言,延迟意味着生命,低延时是必然的需求。
图2-智能车的数据传输需求架构(来自 NXP)
图3-NXP为汽车开发TSN技术的芯片应用
各个主要的芯片厂商如NXP、XILINX、瑞萨等已经为新一代的汽车开发了TSN芯片,在奥迪、奔驰等汽车上已经在开始有测试应用系统。
IEEE802.1本身是为了Audio/Video领域而设计的标准,在2005年即成立,并一直致力于开发针对音频/视频桥的IEEE802.1AVB标准的开发,由Avnu联盟负责其兼容性以及市场推广。
IEEE802.1AVB逐渐受到了其它领域的产业关注,并对此产生兴趣,但是,AVB并非是一个适合于所有产业的名字,在2012年IEEE AVB TG被重命名为TSN TG,在2015年InterworkingTG与TSN TG合并成为新的TSN任务组。
原来的AVB标准包括了以下几组:
? IEEE Std. 802.1AS-2011 –通用精确时钟协议,在Layer 2的IEEE1588精确时钟协议规范
? IEEE Std. 802.1Qav时间敏感数据流转发以及队列(FQTSS):特定Credit-Based Shaper(CBS)
? IEEE Std. 802.1Qat –流预留协议-时间敏感性数据流注册与预留
? IEEE Std. 802.1BA – AVB系统-提供整体AVB架构和AVB规范
? CBS + SRP 提供250μS以下的桥连接