总17期
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时间敏感网络(TSN)靠谱吗
文/程作品
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人类对自然的探索永无止境,一项新技术或者新理论可能会开启一个崭新的时代。电报通过编码和相应的电处理技术实现远距离信息交互。电话解决了异地间的实时话音通信问题。而互联网技术则是通信技术的一次革命,网络实现了文字、语音、图片和视频信息的实时传播。在网络技术不断发展的过程中也存在很多问题:端到端时延不确定、带宽不足和安全性问题等。特别是随着物联网技术的发展,不同的场景、不同的业务对数据传输的要求都不一样,这些问题日益凸显。

现代工厂现场包含各种生产资料、通信设备、生产控制设备以及传感器等;各设备需通过网络来有机连接在一起,为了提升效率,现场控制和运动都是在毫厘之间,这就要求通信和处理也必须是尽可能短,在多个动作和步骤有约束关系的情况下,相互间还有时间差的要求,传统通常由工业以太网、工业总线等方式与执行层设备连接。而传统工业以太网、工业总线存在标准不一、相互无法对接等弊端,在此背景下TSN(Time Sensitive Networking,时间敏感网络)进入人们视野。TSN的优点如图1所示。

图1 时间敏感网络的特点

TSN是一组以太网标准,沿袭了AVB在传输高质量音视频的出色表现,通过精准时间同步、定时调度、帧抢占、帧复制与消除和安全连接等核心技术,实现了时间同步的低延迟流服务,为系统内各单元提供低时延的等时的标准数据,从而为控制、测量、配置、UI和文件交换基础架构等的融合提供基础。

图2 企业生产网络示意图

有关TSN的标准、技术、性能和关键指标在这里就不赘述了,可以参考IEEE 802.1相关工作组的内容。下面着重谈谈TSN的融合、演进等等。

TSN是否就等同于实时通信

答案是否定的。实时通信是网络通信追求的终极目标,人类通过不断地探索研究一次次向零时延逼近,当前在5G场景中可以做到端对端通信时延在毫秒级别,但有些场景在追求低延时的同时,希望端对端抖动也足够小(抖动比延时要小一个数量级。如端对端时延控制在1ms内,同时需要端对端的抖动控制在100us内,否则时延1ms没有意义;在工业现场传感器、控制系统、执行系统之间需要等时实时通信才能满足各执行机构之间配合,才能制造出高精度的产品。

实时通信主要在传输媒介、报文和协议处理上做到极致;而等时实时通信是在实时通信基础上引入高精度时钟,全网实现在同一节拍下进行调度,这样既满足实时要求,又合理地控制了端对端的抖动时间。有个很好的等时例子:3G/4G从速率上比传统的窄带E1/T1要快很多,但无论采用VoLte等技术,语音通话效果都无法与基于TDMA的固话相比。

在万物互联时代,各设备、各系统间协同会更加紧密,迫切需要端对端等时实时通信;基于时间等时的基础网络将是未来5~10年的发展方向。

TSN与OPC UA的结合

OPC UA定义了一套通用的数据描述和语法表达方法(信息模型),每种系统若采用OPC UA的信息模型,可以方便被其他系统所获取和集成。也就是说,OPC UA为工厂车间和企业之间的数据和信息传递提供一个与平台无关的互操作性标准。

TSN与OPC UA都是近年来工业互联网领域的热门词汇。在OT和IT的融合趋势中,大量工业设备的联接要求数据的互通和互操作性,以及网络的实时和确定性。可以说OPC UA over TSN就是为OT和IT的融合、解决面向未来的工业网络互联而生。据统计,当前国际上现存常用的总线、工业以太网协议数量高达40余种,除此之外还有一些直接采用私有协议实现工业设备的信息交互的,这样就形成了一个个竖井型的业务系统,同一个系统内的数据可以互通,但跨系统间的数据互通则非常困难。打通设备间,将各系统通过通信技术有机连接起来,实现企业内资源的垂直整合,已成不可逆转的趋势,希望能使用一整套接口、属性和方法的标准集,提供工业互联网工厂系统中各系统、各单元数据的无缝集成。

图3 OPC UA TSN满足今天制造业应用所需的所有通信需求

现代企业规模不断扩大,相应信息系统也越加复杂,通常构建了现场级、车间级和企业级等通信系统,为了实现在复杂环境情况下的高确定性、低时延性和与平台无关的互操作性,OPC UA over TSN+边缘计算平台功能提供了很大想象空间,通过传感器收集各种数据,在边缘侧进行预测分析;进一步还可以通过边云协同,在云端实现深度分析和工业流程优化。可喜的是IEEE和ECC等组织都已布局。

TSN与工业互联网

进入工业4.0时代,IT与OT融合、工业互联网是姓“工”、还是姓“互”等等讨论依然是热门话题。当前移动互联网拐点已至,工业互联网时代将接下这一棒,向上对接工业优化应用,向下连接海量设备,工业互联网平台凭借先进的计算架构和高性能的云计算基础设施,能够实现对海量异构数据的集成、存储与计算。而摆在工业互联网发展路上,至少有三座高峰:

第一座:网络协议

据统计,当前国际上现存常用的总线、工业以太网协议数量高达40余种,加上一些变种和私有协议,达上千种以上。各种不同时期,不同品牌,不同协议的工业设备,都有不同格式的数据通信协议。因而不同工业设备之间的连接,是一个极其复杂的问题。

第二座:知识壁垒

俗话说隔行如隔山。随着工业革命推进,行业越分越细,更趋专业化;不同行业、专业有不同的细分技术和独门专业知识。如:一个再好的医疗设备工业互联网平台,也不太可能被工程机械企业所采用。

第三座:平台互联

现在国内大大小小的工业互联网平台有很多,这些“平台”之间是无法联接的,形成一个个竖井型的业务系统。后续会逐渐整合,会和消费互联网一样,形成寡头经济,谁更快建成平台、谁的平台服务更好、谁的平台为入驻企业创造的价值更高,谁就有可能是剩下的几家‘寡头’之一。

而这三座高峰说白了都是由标准不一,无法互联互通,形成壁垒等所引起,当前TSN+OPC UA已成为工业界统一标准的共识。

TSN与5G的互通

5G相比4G而言,在性能和速度上都有很大的提升,尤其是无线接入网络(RAN)提供了更好的可靠性和传输延迟。在无线场景中,通过TSN和5G网络的互通,实现端对端超低延时,可以满足对时间敏感的业务需求。可以说5G与TSN的融合,是一个宽阔的领域。如下图所示,拉通无线接入网络和核心网络。可喜的是在3GPP不同版本中为了支持TSN也做了大量工作:灵活的参数集、更小的数据时隙和有效支持低延时应用的快速确认等等,为uRLLC场景做了很多优化。

图4 5G端对端网络示意图

同时在基站侧引入MEC,组成云、边、端三体协同的最佳解决方案,拥有低延时、高可靠、精准时间同步的基础设施,成为实时物联网RT-IoT的典范。

TSN部署演进

当前工厂网络采用典型的两层三级架构,其中IT和OT两层网络之间通过网关实现互联和安全隔离;工厂、车间、现场三级之间的网络配置和管理策略相互独立。随着TSN+OPC UA的推进,拉通了底层互联互通、语义转换和信息技术的发展,原有的两层三级架构将会变成模糊,变得更加扁平、高效。但这个过程会经过几个阶段的演进:

1. 孤岛式TSN网络

TSN+OPC UA的出现,替换现有种类繁多的工业协议成为可能,现场级网络逐渐替换以TSN为基础的统一通信,彻底实现了各现场设备间的互联互通。

这个阶段,TSN作为低时延,高吞吐量的等时实时网络,将与传统的互联网、工业以太网等共存。

2. 局域式TSN网络

孤岛式TSN网络还是局限在现场级,服务于以工单为单位实现单个零件和模块的生产,这时IT和OT还是割裂的。我们希望一个工厂是一个整体,希望从上到下,或从下到上都是一个有机的整体;因而从订单到ERP;再到MES、SCADA的工单和流程分解;经PLC和HMI的中继;最后驱动到传感器和执行器等等。把现场、车间和工厂内部IT管理系统等相互间彻底打通,真正实现IT与OT的融合。

3. 跨域式TSN网络

TSN网络不仅仅用在工业互联网,在娱乐领域也会大放异彩,比如网络直播,当前网络直播通常是基于Internet,在直播源头和接收之间通过尽力而为的网络来进行传输的,其中CDN负责中继和分发;数据加速技术来提升数据传输效率,但这些只能起到优化,不能从根本上解决视频卡顿等问题。如果采用端对端TSN,则能有效解决传输时延和抖动问题。

业务通过分片,设备上采用全光网络(如:OXC),调度上采用TSN模型,实现跨域TSN。最近思科宣布26亿美元收购光网络技术公司Acacia,很明确思科在硅光领域的发力,硅光产品纳入思科的整体解决方案中为跨域多云提供强有竞争力,硅光在降低功耗和时延上有很大优势。

同时无线方面会利用毫米波5G,Wi-Fi 6等进行低延时传输,最终会实现TSN有线无线统一。

新华三的TSN布局

“松散”型的消费类互联网往“紧密”型的工业互联网牵引,将是未来5~10年的方向,各方都在集聚能量,蓄势待发。

图5 新华三工业互联网网络架构

新华三工业互联网网络基于SDN/NFV、大数据、人工智能等新技术,形成一张可灵活定义、安全可靠的柔性网络,关键组件包含TSN时间敏感以太网、SNA Center(先知网络中心)等,实现有线无线一体化、IT/OT双网融合,提供多维可视、安全可靠、及智能运维的网络服务,建立从现场层、控制层、管理层直到云端的融合网络,也为跨域做好了准备。

1.采用扁平化的融合网络架构,通过TSN核心技术,提供低延时、高可靠的确定性网络,IT和OT设备都统一接入到同一个网络中,实现控制信息等实时数据与数据信息等非实时数据在同一网络中传输,满足工业生产过程实时监控、自动控制、业务管理等需求。

2.提供有线、无线融合网络,实现工厂有线无线网络全覆盖,解决信息孤岛问题,满足工业互联网业务对于生产全流程、无死角的网络覆盖需求,支撑工厂的信息采集、生产控制等的应用需求。

3.SNA Center作为整个网络的大脑,包括先知分析器、SDN控制器、网络管理、安全管控等核心组件,它具有对网络进行全局统一管理、控制和智能分析、业务编排的能力。SNA Center拥有全局视角,能够解决不同网络管理域之间的协同问题,从而简化运维、降低OPEX;同时SNA Center可以实时感知网络状态,基于用户意图或网络状态分析可以实现业务自动化部署和风险预测,让网络更加智能,能够更加简洁、智慧、高效的为业务服务。

4.SNA Center通过高性能 API Gateway 提供符合 RESTful 标准的北向 API,并支持对接IT、OT应用系统,实现SNA网络的可编程自动化,将智能化生产、个性化定制等应用需求传递给SNA Center,SNA Center理解业务意图并解析成网络语言,通过灵活定义,快速构建出适合生产环境的柔性网络。

结束语

一种新技术的出现,除了它是否能的的确确地解决实际问题外,还要关注它的演进、生态等等。在万物互联中各系统、各节点的紧密协同和效率持续提升下,TSN不仅靠谱,并将会大放异彩。

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