TSN -促进IT/OT 融合的网络技术_tsn网卡芯片

         

                时间敏感网络（tsn）技术是IT/OT 融合的一项关键的基础网络技术，它实现了在一个异构网络中，实现OT的实时数据和IT系统的交互数据的带宽共享。

      TSN允许将经典的高确定性现场总线系统和IT应用（如大数据传输）的功能组合在一个网络中。如今，IT和OT的独立网络被用于许多应用中，导致更高的设备和安装成本，专有技术。

 OT领域的实时数据网络传输

     OT 领域需要实时数据传输和网络同步，比如运动控制，自动生产线的节拍控制，以及同步数据采集已经安全事件的实时告警等等。

   实时网络主要实现两个目标：

•    实时传输

   数据的传输时延是在一个可控的时间内完成的，比如小于100us 能够传输。

•   时钟同步

   比如，在一个系统中具有一个统一的时钟源，称为主时钟，通常这个时钟源的基准来自于GPS 或者电信网络。系统中的其它设备通过网络协议与主时钟源保持同步。技术指标是时钟抖动，例如不超过1us。

  原生的Ethernet 网络是基于冲突检测技术实现总线共享的包传输网络技术，它采取的尽力而为的传输策略，既无法保证实时传输，也无法实现网络时钟同步。

        为了满足 对实时网络和时钟同步的要求，人们对Ethernet 技术进行改造，使其能够满足实时数据的要求。OT领域就为现场总线发明了许多基于Ethernet的实时网络技术，其中比较著名的是倍福公司的EtherCAT和贝加莱的PowerLink。

   OT 行业的实时网络技术基本是引入了时分多路复用（Time Devition Multiplexer）在一个固定的周期内分成多个时隙，将时隙分配给终端设备。在某一些时隙传输非实时数据。

        EtherCAT 的传输机制并不是原生的以太网技术，它实际上是采取了菊花瓣级联方法实现的分时和定时方式。终端设备采取了专用电路或者FPGA 实现，确保时钟准确性，并且卸载了终端设备中处理器的负荷。某些GPIO 信号是通过ASIC 电路直接读取，不需要程序干预。ASIC 电路也不需要软件控制和配置。实现非常简单，所以受到广泛欢迎。主设备可以使用标准的Ethernet 接口实现。网络传输速率限制在100M。相比之下，PowerLink 同样采取时分复用技术实现，但是它是基于原生以太网，纯软件实现的。

   在分组网中实现时钟同步的基本思路是主设备不断地实现时间标签，从设备收到主设备的时间标签后，对本地时钟对比，调整和锁相。为此，在互联网中提出了NTP协议。这种基于包传输的时间同步的性能取决于时间标签包的发送周期，以及主设备和分设备时钟参考时钟源的稳定性。在互联网上采取NTP 协议通常时钟的漂移是比较大的。

    在语音传输领域，同样需要实现精确时钟同步。使用NTP无法满足时钟同步的要求，为此人们提出了IEEE1588 精准时钟同步协议。IEEE1588 需要Ethernet 控制器或者Pyh 芯片支持。并且使用PTP 协议。TSN 技术基本上是在语音传输技术的基础上发展起来的。

        OT 领域的以太网实时、同步传输技术具有一些局限性。首先，它是在基于以太网络的，跨网段实现同步与实时通信带来困难，其次，难以实现IT 的交互信息和OT 实时数据分享网络资源，尽管EtherCAT 也能够传输一些IP 数据。但是还是具有很大的局限性。

TSN -IT/OT融合的网络技术

       TSN 时间敏感网络技术主要目的是实现异构网络上OT实时数据和IT交互数据（非实时）共享网络带宽。IIoT正在超越单一功能网络，以实现融合网络基础的优势，在同一物理网络上共存不同的流量类型。出于操作完整性、实时性能、安全或安保原因，关键和非关键流量以前是分开的，但TSN提供了实现其融合的工具。这允许交换实时控制、遥测和一般 IT 信息，所有这些都由 IT 和 OT 安全管理。这将降低基础设施成本以及管理和维护网络所需的资源。打破关键和非关键系统之间的通信障碍是TSN为工业以太网的未来实现的基本概念。

1.   OT和IT 采用统一的基础网络架构。通俗地讲，OT和IT 采取一张网。
2.   基于IP 层，而不是以太网帧。
3.  跨网段，与5G结合可以跨地域，有无线相结合。

      只有当你的应用有这样的需求时，才会考虑使用TSN。例如在一条网线上实现OT 控制信息和IT架构大数据采集的需求。因此，我们将TSN 称为IT/OT融合的网络技术。典型的应用还包括汽车控制网络

实现TSN 网络的基本条件

1 设备的硬件支持TSN

系统中的电脑的网卡要支持TSN，设备的主芯片的以太网口支持TSN。

Intel 公司具有支持tsn 的网络控制器芯片：

• Intel® i210 Ethernet Controller
• Intel® i225 Ethernet Controller
• Intel® i325 Ethernet Controller

Intel 嵌入式IoT 芯片内含

       Intel Atom® x6000

      11th Gen Intel® Core™ （Tiger Lake UP3）

     12th Gen Intel® Core™ （Alder Lake S）

     

        嵌入式Arm处理器方面，大多数处理器芯片不支持TSN，目前NXP支持TSN的芯片更多一点。另一方面，可以使用FPGA 的IP实现TSN。

• NXP RT1170，RT1180 处理器
• NXP Layerscape   LS1028A 
• TI 公司 Sitara™ AM6x
• 国产semiDrive 公司D9 

2 支持TSN 的交换机

目前已经有许多网络设备供应商推出支持TSN 的交换机产品：

1. 菲尼克斯    2300系列TSN管理型交换机
2. moxa ，研华也有相应的TSN 交换机产品，但是TSN需要厂家额外支持。

    moxa TSN-G5008

1. cisco IE4000 交换机
2. 华为参与了许多tsn的测试 ，最近推出了  CloudEngine S5735I-H-V2 TSN交换机

3. 深圳光路 FR-TSN3208

4. H3C IE4320 Comware V7 TSN工业以太网交换机

     具体哪一种TSN 更成熟，没有找到第三方测试报告。

3 操作系统的TSN支持

在Linux 上实现TSN 的关键包括：

TSN 硬件的驱动

IEEE1588/PTP协议的支持

VLAN 的配置

TSN 的网络配置

TSN 的配置的方式通过 NETCONF/YANG协议完成。

NETCONF/YANG是一种替代SNMP协议的网管协议。Netconf 是协议，YANG是网络配置的数据模型语言。

在RFC6020的文档中，将YANG的定义  ：

        YANG，A Data Modeling Language for the Network Configuration Protocol。是Yet Another Next Generation (Yang) Data Modeling Language的缩写。它是一种建模语言，用于描述网络概念的。

当软件实现之后，应用程序将会不需要了解tsn 的技术细节就能够使用tsn。

测试OPCUA pub/sub Over TSN 的Open62541 测试床：

 网络的调度（Network Scheduling）

        网络调度可以使用NETCONF 协议实现，应用程序通过网络配置协议来调度网络带宽。也有人提到使用OPCUA 的pub/sub 机制与网络调度软件交互。

静态调度

使用Linux Traffic Control 程序

动态调度

通过OPCUA pub/sub,或者其它协议实现动态调度。OPC UA PubSub与TSN完全集成的预期解决方案，允许发布者和订阅者应用程序通过代理架构自动配置TSN网络，尚未完成标准化。

      著名的实时网络技术公司TTTech Industrial 提出了OPC UA over TSN产品，使客户能够快速开发组件并轻松设置网络。

 结论

        TSN 最大的特点是实现IT/OT网络融合。并不是所有的应用场合都需要将IT/OT 数据融合在一个网络中传输，在许多场合，OT 会感觉不安全，而IT 感觉太麻烦。另一方面TSN 增加了网络配置，维护的复杂性。因此，在工业领域，TSN 并没有想象的那么快地大规模推广。有人将TSN 比喻成一堆香料，需要厨师去选配。可以在某些领域使用TSN技术，比如，使用支持TSN硬件实现高精度网络同步（IEEE1588 、PTP）。例如应用与实时数据采集，运动控制，节拍控制。

      随着制造业领域导入更多的IT新技术，例如数据采集与分析，AI视觉等。非实时交互数据的增加，TSN技术将会收到欢迎。

      与任何一项新技术类似，TSN距离大规模应用还有很长的道路要走。如果过早地期望这项新技术产生利润，也许是要失望的。但是如果不做早期的布局，未来就没有机会。这就是产业界的矛盾。

     无论如何，不要轻易地以为“未来已来”。技术难，商业化更难。