引言
數字化工廠對通信的互操作性和簡單性要求更高，而TSN（時間敏感網絡）則是專門為滿足這些要求而設計的新一代以太網技術。雖然TSN的引入需要根據不同的行業領域逐步進行，但在一些諸如鐵路、航空航天等關鍵領域，正在采用TSN作為其新平臺的標準IT/OT網絡。
本文將介紹一種智能TSN網卡--虹科RELY-TSN-PCIe。它集成了將標準PC連接到TSN網絡所需的所有復雜技術，且不需要在主機上安裝任何特殊軟件。此外，該方案可以在TSN網絡中使用典型的工業應用和軟件，如SCADA、MES、OPC（UA）、MTConnect等。
在工業自動化和數字化深入發展的工業3.0階段，生產和管理之間相互關聯的金字塔形拓撲結構被重新定義。如下圖所示，在金字塔的底層，生產通常由定義輸入和輸出邏輯的PLC控制。在更高的層面上，SCADA 和工業 MES 生產管理軟件從底層的媒介工具接收信息。在金字塔的最高點，ERP類全方面資源管理軟件將用于規劃企業的整體業務操作。
數字化進程的演變基于對 "數據 "的大量使用，并旨在通過對產品和生產的全面了解，獲得更大的生產力。這種正全球推進的行業數字化正迫使運營網絡（Operational Technologies - OT）和數據網絡（Information Technologies - IT）通過網關技術互連。在 OT 和 IT 兩個世界中部署的技術通常完全不同，并且通常不可互操作。 這種不匹配導致了大量異構設備的出現，這被稱為"棕色地帶（brownfield）"。
OT/IT的融合并沒有因此而停滯，相反，它提出了一種在鏈路層使用對OT/IT兩個世界都有效的通信技術的解決方案。通過這種方式，在同質工廠中實現全對全數據交換拓撲是可行的，類似于下圖中的支柱。在這個支柱的底部，靠近生產裝置附近放置了一個基于分布式控制的結構，即基于一定的智能和通信能力的輸入/輸出單元。而這種稱為 Field I/O 的結構與強大的計算和通信邊緣計算設備以及本地服務器連接構成了本地云（Local Cloud）。
在這種情況下，傳統的基于層的通信和網絡安全計劃不再有效，包括在現場I/O中的單元將直接與應用和服務進行通信。
這個支柱需要一個單一的OT與IT互連網絡，即所謂的工廠主干網（Factory Backbone）。然而，但是，要從理論走向實踐，需要一種有效的通信技術來支持 OT 流量的實時行為和 IT 應用程序所需的大帶寬。 此外，它必須是安全的，甚至是可互操作的、標準化的和免許可的。有這樣的解決方案嗎？
時間敏感網絡介紹
自 1983 年本地計算機網絡解決方案被標準化為以太網以來，時間敏感網絡便已經從技術和應用層面上得到了發展。雖然它最初的用途是面向本地計算機網絡，但以太網技術已經擴展到其他多個領域。事實上，它已成為現場總線的事實標準，并因在工業（Profinet、以太網 IP、Ethercat、Sercos III 等）、電氣行業（IEC 61850的高可用性以太網）和汽車行業中的廣泛應用而脫穎而出。
過去出現的多種基于以太網的方案解決了以太網在其原始版本中的一個關鍵缺點：缺乏實時通信支持。由于這些專有解決方案的應用，OT中對確定性的要求已被滿足。然而，不同制造商的解決方案缺乏可解釋性，限制了最終用戶向獨特的計算和網絡基礎設施自由演進的能力。 因此，市場需要具有確保長久使用且獨立于供應商的標準化技術解決方案。這樣的方案將顯著降低設備成本和維護工作量，并大大簡化數據分析服務、機器學習、MES或ERP等工業軟件的集成工作。
從這個意義上說，時間敏感網絡任務組定義的 IEEE 標準集在 IEEE 802 上提供確定性通信服務，而這組標準被稱為時間敏感網絡 (TSN)。目前，原AVB工作組已更名為IEEE TSN 任務組，負責制定與TSN相關的所有標準。TSN技術的技術是時間整形器（Time-Aware Shaper）。該機制旨在將以太網中的通信分為固定持續時間的重復循環，這些循環根據組成網絡的節點允許的 TSN 配置分為臨時窗口，并能夠為每個時間窗口配置和分配八個可用的以太網優先級中的一個或多個。時間感知整形器的操作細節在 IEEE 802.1Qbv 標準中被定義。
考慮到這種區分能力，定義了三種基本的流量類型：計劃流量、盡力而為流量和預留流量。 計劃流量適用于硬實時消息，盡力而為流量是對任何其他服務質量指標均不敏感的常規以太網流量，而分配給不同時間窗口且為每個優先級類型設置了預留帶寬的消息被視為預留流量。這種特定的帶寬預留容量對于具有軟實時要求的信息（例如視頻流）非常有用。
上圖為 TSN 通信的基本時序圖。圖中每個周期由 2 個插槽組成。 計劃流量分配給第一個，而盡力而為流量和預留流量則在第二個中并存。 典型配置中每個周期需要 8 個插槽，這為定義每個數據流的詳細 QoS 參數提供了足夠的多功能性。
時間感知整形器允許定義每個周期中存在的臨時窗口的數量、它們的持續時間和可以傳輸的流量類型。在這種操作模式下，計劃流量具有專用窗口，以保證實時消息通信的確定性行為。盡力而為的流量容納在每個操作周期的其余臨時窗口中。按照 IEEE 802.1Qav的規定，在 TSN 中優先考慮和優化帶寬使用的最重要改進之一是使用基于信用的整形器。
此功能支持對 預留流量的管理，這增加了指定流量的優先級，使其比盡力而為流量具有更高的優先級，與計劃流量相比具有更低的優先級。 通過使用 IEEE 1588 同步協議，解決了在構成 TSN 網絡的所有設備之間提供納秒范圍內的臨時同步的挑戰。 由于該技術提供的精度，可以控制通過網絡引入的延遲，并根據臨時事件獲得確定性的以太網解決方案。 TSN 中使用的特定 IEEE 1588 配置文件是 IEEE 1588ASrev。
為了便于訪問該技術并允許與傳統 PC 系統無縫連接 TSN，虹科推出了一種可插入任何 Windows 或 Linux 電腦的 TSN NIC 卡。 該板卡通過為 PC 上的通信提供標準網絡接口，從而將復雜的技術難題簡單化。
它集成了一個 4 端口 SoCe TSN Bridge。 SoCe 為新一代 FPGA 和可重構 SoC 開發了 TSN 技術。此外，SoCe TSN 解決方案已嵌入工業部門的終端設備、TSN 測試設備和鐵路系統中。
此橋接器實施提供 2 個外部端口，允許連接銅纜或光纖 SFP 模塊。此外，2 個內部端口可以與主機（PC、服務器、IPC 等）和卡的內部 CPU 進行通信。這個嵌入在板上的 CPU 管理 TSN 通信和同步，并且可以從主機 PC 上運行的任何 WEB 瀏覽器訪問該板卡上運行的軟件。該方案允許配置和監控網絡狀態，而無需在 PC 上運行任何特殊軟件。 RELY-TSN-PCIe 支持使用標準中定義的 YANG 模型進行自動配置。但是，為了便于早期試點的實施，該板卡允許手動 TSN 配置。例如，下方的截圖顯示了手動將每個流量優先級分配給每個時隙的方法。
TSN, 軟件和操作系統
根據每個應用程序的要求，有必要在主機 PC 的時鐘同步中保持不同級別的精度，以及需要具備控制網絡和軟件之間信息流的確定性的能力。 例如，負責機器人控制的虛擬 PLC 服務需要在控制回路數據設置的嚴格時間限制內訪問實時數據（計劃流量）。 然而，SCADA 軟件在同步要求方面更為寬松，在大多數情況下要求微秒范圍內的時基，便足以管理受監督的過程。 因此，有必要針對每種情況來分析需要集成哪些技術以滿足需求，進而避免不必要地增加整體解決方案的復雜性。從這個意義上說，虹科提供了兩種可選的TSN板卡方案。
方案1：可以將虹科TSN板卡插入到Linux OS 計算機中。在這種情況下，應用程序、網絡和系統的全局同步是可行的。此外，可以在操作系統中使用補丁提供的流量管理和實時操作功能，從而有利于擴大使用的范圍并增強整體集成性。
方案2：可以將虹科TSN板卡無縫集成到基于不同版本的Windows操作系統的設備中。在這種情況下，虹科TSN板卡被操作系統視為具有多個基于 VLAN 的虛擬接口的標準 NIC 卡。該板卡通常需要管理計劃流量、預留流量和盡力而為流量等內容的識別，而這是通過本地VLAN 標記完成的。Synchronization則通過NTP傳輸到操作系統中，并兼容Windows，因而可以被其他應用程序使用。若有需要，也可以使用其他替代方案，如在Windows 環境中使用 PTP 協議棧和集成實時中間件。
虹科RELY-TSN測試設置
目前，已有用戶使用虹科RELY-TSN-PCIe板卡來使其PC具備TSN功能，其中一些例子是SCADA 應用和機器互連。如上圖，在PC1中，計算機托管MTConnect Agent，而該Agent卡通過虹科RELY-TSN-PCIe接收PC2中Adapters 發送的信息，且虹科RELY-TSN-PCIe負責管理的相應插槽中的流量分配。為了方便實驗，項目的GIT中提供的Adapters模擬器可以在不需要真機的情況下使用。
總結
工業 4.0 的演進要求通信的互操作性和簡單性。 TSN 是專為滿足這些要求而設計的新一代以太網。在每個部門和應用程序中引入 TSN 是一個循序漸進的過程。然而，一些關鍵行業，如鐵路或航空航天，對 TSN 表現出極大的興趣。虹科致力于提供必要的技術，以最適合客戶需求的方式向下一代通信網絡發展。從這個意義上說，RELY-TSN-PCIe 卡及其評估套件是開始使用技術的絕佳方式，從中期來看，該技術將簡化網絡基礎設施并真正實現 OT 和 IT 的共存。旨在為關鍵系統中的網絡、同步和網絡安全提供創新的解決方案。
