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时间敏感网络(TSN)技术现状及其发展趋势!

        前言:纵览过去的十年,得益于统一的行业标准,IT行业的技术飞速进步。从最开始的常规10M网到今天随处可见的10G高速网,网络几乎影响着人们日常生活的每个角落。相比之下,音视频行业的发展却未尽如人意。为网络音频和视频传输设立技术标准,一直是 AV(Audio Video)行业过去二十年来的目标。迄今为止,由于缺乏行业公认的网络标准造成有关空白,令许多制造商各自为战,开发专有解决方案试图填补这一空白。然而付出未必有回报,单一技术无法解决所有数字音视频网络的难题。这些解决方案都不可能成为统一的行业标准。自2005年AVB问世以来为包括音视频行业在内的所有具有实时传输需要的应用指明了方向。2012年,AVB网络正式更名为TSN网络,从此基于以太网络的局域网技术步入了新纪元,TSN时间敏感网络正式取代传统以太网登上了历史的舞台。

1、“传统以太网”的基本原理
        以太网是现有局域网采用的最广泛的通信协议标准,使用CSMA/CD技术,目前通常使用双绞线进行组网。包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆网(1Gbit/s)和万兆(10Gbit/s)以太网,它们都符合IEEE802.3。

2、什么是AVB
        AVB,以太网音视频桥接技术(Ethernet Audio Video Bridging),是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的传输协议集。它有效地解决了数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。同时又保持了100%向后兼容传统以太网,是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。其中包括:
        (1)802.1AS:精准时间同步协议(Precision Time Protocol,简称PTP)
        (2)802.1Qat:流预留协议(Stream Reservation Protocol,简称SRP)
        (3)802.1Qav:排队及转发协议(Queuing and Forwarding Protocol,简称Qav)
        (4)802.1BA:音视频桥接系统(Audio Video Bridging Systems)
        (5)1722:音视频桥接传输协议(Audio/Video Bridging Transport Protocol,简称AVBTP)
        (6)1733:实时传输协议(Real-Time Transport Protocol,简称RTP)
        (7)1722.1:负责设备搜寻、列举、连接管理、以及基于1722的设备之间的相互控制
        AVB不仅可以传输音频也可以传输视频。用于音频传输时,在1G的网络中,AVB会自动通过带宽预留协议将其中750M的带宽用来传输双向420通道高质量、无压缩的专业音频。而剩下的250M带宽仍然可以传输一些非实时网络数据。用于视频传输时,可以根据具体应用调节预留带宽。

3、TSN与AVB关系
        IEEE 802.1任务组在2012年11月的时候正式将AVB更名为TSN – Time Sensitive Network时间敏感网络。根据AVnu联盟,TSN代表“AVB的进化版,在现有规格的基础上扩大标准的范围”,功能和应用程序,AVnu是消费电子和工业制造企业贸易组织,建立和认证AVB/ TSN的互操作性标准。TSN的一套标准,是对其背后的IEEE 802.1工作组的命名,旨在与AVB向后兼容,也将包括新的功能和增强功能-旨在使物联网(IOT)连接互联网。

4.、发展现状
        在TSN标准的制定过程中,IEEE负责在802架构体系中的网间互操作、安全性和整体网络管理等方面的标准制定和应用推荐,目前他们正在落实完成剩余的TSN子标准。除此以外,还有很多独立的第三方组织也参与到了TSN标准的测试、推广、产品认证等各项工作中,例如:AVNU和IIC。
        AVNU组织,为各种使用开放标准的应用方案中的时间精确性和低延迟特性部分提供认证服务,以确保其满足TSN网络元素的合规性和互操作性要求。目前他们已经完成了运营理念的论证,并已经在2017年开始了设备的认证工作。
        IIC工业互联网联盟整合了相关组织和技术资源,一方面为组织成员提供测试平台,另一方面则帮助推进TSN标准在各行业领域的应用。
        目前有很多来自各行业的产品和服务供应商都已经加入到了该组织中。2017下半年以来,尤其是在SPSIPCDrive期间,不少厂商开始就其产品在TSN技术上的进展发表声明,甚至直接演示或发布了一些有关TSN技术的产品和解决方案。例如:
        (1)EtherCAT组织发表了关于TSN技术的白皮书;
        (2)Beckhoff发布了其首款TSN桥接通讯模块EK1000;
        (3)NI发布了多款集成TSN技术的控制器,如:CompactDAQ、CompactRIO...等;
        (4)PI组织宣布将会在新的ProfiNet协议中使用TSN技术,并计划在2019年中发布该协议或相关产品;
        (5)SERCOS在SPSIPCDrive上展示了由TSN交换机桥接组成的Rexroth运动控制系统;
        (6)SIEMENS已经确定会在今年的汉诺威展上演示基于TSN的OPCUAPub/Sub技术在控制层(如机器人)上的应用;
        (7)包括ADI、瑞萨、TI等在内的芯片厂商,和包括华为、CISCO、BELDEN等在内的网络设备提供商,都在不同场合演示说明了目前TSN的发展状况以及各自在该技术上的能力;
        (8)恩智浦(NXP)宣布推出其最新的QorI Layerscape系统单芯片(SoC)--LS1028A,它整合了基于IEEE 802.1标准的TSN功能,扩增工业市场版图。
        值得一提的是,除了上述这些TSN技术相关组织外,一些制造业的自动化产品厂商(如:B&R)还在去年成立了一个叫做OPCUATSNShaper的会议组织,旨在共同推广基于TSN的OPCUA协议标准。这是因为TSN仅仅是为以太网提供了一套MAC层的协议标准,它解决的是网络通讯中数据传输及获取的可靠性和确定性的问题;而如果要真正实现网络间的互操作,还需要有一套通用的数据解析机制,这就是OPC UA。
        综上所述,TSN技术为所有工业以太网在协议第二层(MAC层)提供了相互联通/融合的机会,它有能力在协议第2层提供网络间的互操作性,从而帮助实现真正意义上的网络融合;TSN可以应用于现有的工业以太网协议,如:PROFINET、EtherNet/IP,SERCOS、POWERLINK等,以帮助其获得:更广泛、优质的硬件支持;协议第2层互通融合的实时通讯模型;网络带宽的提升,实现千兆(甚至更高带宽)以太网等。

5、应用前景
        第一个应用就是专业音视频(Pro AV)。在这个应用领域里强调的是主时钟频率。也就是说,所有的音视频网络节点都必须遵循时间同步机制。
        第二个应用是在汽车控制领域。目前大多数的汽车控制系统非常复杂。比如说:刹车、引擎、悬挂等采用CAN总线。而灯光、车门、遥控等采用LIN系统。娱乐系统更是五花八门,有FlexRay和MOST等目前的车载网络。实际上,所有上述系统都可以用支持低延时且具有实时传输机制的TSN进行统一管理。可以降低给汽车和专业的A/V设备增加网络功能的成本及复杂性。
        第三个应用是商用电子领域。比如说,你坐在家中,可以通过无线WIFI连接到任何家中的电子设备上,实时浏览任何音视频资料。
        最后一个应用也是未来最广泛的应用。所有需要实时监控或是实时反馈的工业领域都需要TSN网络。比如:机器人工业、深海石油钻井以及银行业等等。TSN还可以用于支持大数据的服务器之间的数据传输。全球的工业已经入了物联网时代,毫无疑问TSN是改善物联网的互联效率的最佳途径。