时间敏感网络（TSN）作为新一代实时以太网技术，可保证多种业务流量的共网高质量传输，相对传统的以太网在实时性、可靠性和安全性上都有很大的提升，被认为是最适合在音视频传输、工业互联网、车载网络等多个领域使用的通信方案。当前，众多企业和专家都在积极推动TSN在工控场景应用，本刊记者特别采访国防科技大学计算机学院研究员、博士生导师孙志刚，畅谈TSN将对工控领域带来的重要影响。

国防科技大学计算机学院研究员 博士生导师孙志刚

    请您介绍一下时间敏感网络（TSN）对于工业控制发展的重要性？ 

    第一方面，TSN可以实现OT网络和IT网络紧密融合。

    当前工业网络中，实时关键控制数据和数据密集型的应用数据分别通过OT和IT网络进行传输。OT和IT网络的分离使得OT网络内软件更新极其困难，在当前智能化背景下，机器学习、图像识别、数据挖掘等技术的应用日益广泛，使用成本不断降低，这些智能化应用通常位于IT网络中，OT网络内传感器产生的海量数据难以被这些应用有效使用。因此需要打通OT和IT网络的界限，实现数据更高的利用价值。实现OT和IT网络融合是现代工厂实现智能制造和数字化转型的先决条件。

    TSN使IT网络具备传输OT数据的能力，支持OT和IT融合。TSN通过一系列协议增强标准以太网，为不同等级的业务流提供差异化服务质量保障，确保高优先级、时间敏感的工业信号能够得到及时传输，同时不影响低优先级数据的传输。TSN打破了传统工业网络中不同优先等级的业务流不能共享线路的局限，实现OT数据与IT数据共网传输。

    第二方面，TSN可以为工业控制提供更高的数据交换带宽。

    工业网络通信带宽需求不断递增。如今视频在设施管理和生产控制过程中的地位日渐重要，工业应用中用来进行部件识别和安装检验的机器视觉摄像机采用48fps甚至是更高的采样率，以生成高质量的图像，使得这些检测应用比起常规的监控系统需要更大的带宽。多传感器数据融合是未来复杂工业系统智能检测与数据处理的重要技术，随着多传感器融合技术引入，需整合来自不同类型传感器的信息，以获得对工厂内设备更全面、准确的监控。所有迹象都表明未来现场和工厂运作需要高带宽网络支持。

    TSN的应用为满足工业网络内数据传输的高带宽需求奠定网络基础。传统的工业网络和现场总线技术，链路传输速率通常不超过100Mbps，无法满足当前工业网络中海量数据高带宽传输需求。TSN继承以太网高带宽特性，千兆以太网通常是起始标准，万兆以太网的应用也越来越广泛。TSN技术使得所有工业网络中的数据流，无论是传感器数据、控制信号，还是大规模视频流传输，都能够共享以太网高带宽链路红利。

    第三方面，TSN可为工业通信领域行成更加开放的生态。

    在工业网络的发展历程中，不同工业领域中出现了多种工业总线与工业以太网，不同技术标准间存在差异，例如CAN、Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP等标准都有各自不同的传输解决方案。每种标准由不同厂商主导，并维持相应设备生态圈。这使得协议与设备绑定，不同工业以太网协议的传输机制彼此封闭，互不兼容。工控产品通常需要定制不同的型号以支持不同的通信标准，成本较高。因此需要建立一个统一的，没有知识产权约束的通信标准，有利于简化工控产品研制，降低用户成本。

    与之形成对比的是TSN的开放生态，TSN的开放生态源自其标准化过程和以太网技术基础。TSN标准不是某个单一厂商或组织的私有技术，而是通过IEEE 802.1工作组主导，全球范围内的行业参与者共同制定和推动的开放标准。TSN是对以太网标准的增强，可以说TSN标准就是以太网标准，因此TSN天然继承以太网的开放生态。以太网作为成熟的、全球广泛应用的通信标准，本身具有高度的开放性，其协议栈、接口标准和传输方式已被全球各大厂商广泛采用。TSN的设备、协议和网络架构建立在以太网基础之上的，意味着使用以太网技术的厂商和设备，基本上能无缝过渡到支持TSN的系统中。

    请您介绍一下时间敏感网络（TSN）在工业领域的应用情况？ 

    国内工业互联网产业联盟（AII）先后撰写了《工业互联网时间敏感网络（TSN）产业白皮书》《TSN网络控制系统白皮书》《时间敏感网络（TSN）产业白皮书》等白皮书，推动工业互联网TSN技术在垂直行业的实际应用。在最新的《面向工业互联网的确定性网络协同技术白皮书（2024年）》中明确指出将工业以太网和TSN结合，可以确保或改善以太网流量的实时传输，并进一步促进工业网络中的IT/OT融合，满足各类工业场景的通信需求。

    由于IEC/IEEE60802等关键标准还没有最终完成，原生支持TSN的CPU、操作系统、中间件（OPC UA）的研制还处在起步阶段，因此当前TSN在工业制造中的落地应用还不多。预计随着工业TSN交换机以及相关管理软件的不断成熟，在2030年左右TSN会在工业制造装备中得到大量应用。

    您认为TSN技术在工业领域的应用将为工控机产业带来哪些影响？ 

    第一，基于以太网统一工控机通信接口标准，降低设备成本。

    当前工业总线种类繁多，导致工控机系统需要支持多种通信接口，使得工控机的设计、集成与维护变得复杂。未来随着TSN技术的逐步普及，工控机将逐步转向支持单一的以太网接口。这样一来，工控机的硬件和软件设计可以简化，生产成本将大幅降低。

    TSN遵循标准以太网技术，这意味着TSN能够利用现有的商业现货（COTS）硬件和软件组件进行组网，有效降低组网成本。从最底层的仪表到最高层的管理信息网，所有通信设备都支持以太网协议，简化了工厂控制系统的设计，降低了组网成本。

    第二，TSN的应用会大大加强我国工控机核心芯片自主研制能力。

    将TSN接口直接集成在SoC芯片中，不用考虑知识产权问题。随着工业自动化和智能制造的快速发展，工控机作为工业网络的核心组件，加强工控机核心芯片的自主研制能力尤为重要。工控机厂商在使用外部芯片时，往往会面临专利、许可费用等知识产权相关问题，而将TSN功能直接集成到SoC芯片中，可以避免相关问题，同时减少硬件的复杂度，提高系统的集成度和稳定性。集成化的SoC芯片能够减少工控机的功耗，降低系统成本。

    第三，TSN的应用会对操作系统（OS）和中间件开发带来新的挑战。

    随着工控机的终端设备通信接口逐渐向统一的以太网接口过渡。这一转变简化工控机硬件架构，也对操作系统（OS）和中间件开发模式提出新的要求。

    终端发送数据帧的时间要与网络时间对齐，所以TSN技术要求终端具备高精度的时间同步能力，确保数据能够按时传输和处理。例如，终端可采用高实时性的操作系统，如实时操作系统（RTOS）或基于Linux进行实时扩展，在多任务环境下，减少延迟和中断，确保高优先级任务优先运行。中间件作为操作系统与应用程序之间的桥梁，需要能有效地管理不同应用之间的数据流和优先级，确保实时数据能够按时传输和处理。TSN使得工控机的网络接口向以太网协议统一，以往开发人员需要针对不同的总线和通信协议进行定制开发，而现在，统一的以太网协议栈和标准化接口使得应用开发更加简便。

    简介：

    孙志刚，国防科技大学计算机学院研究员，博士生导师，长期从事网络交换、工控网络和网络芯片研究，参与各类装备型号研制10余项。是开源项目OpenTSN和“TSN系统设计论坛（枫林论坛）”发起人。分别于2021年和2023年主持完成国内第一款时间敏感网络芯片“银河衡芯DS09”以及国内首个模块化可定制的“银河衡芯TSN核心IP”，上述成果在航空、航天、船舶、兵器和工业控制等领域已有超过20个成功应用。

    来源 | 《自动化博览》2024年11月刊