stn网络是什么技术（15个问题刨根问底）

引子

要说现在工业通讯领域最热门的技术，那一定是非TSN莫属。其实，TSN(Time Sensitive Network)时间敏感型网络是一个最新的但却并非陌生的技术，那TSN究竟是什么样的网络呢？为何TSN会被认为是未来工业通讯的统一标准呢？TSN会替代现在的各类实时工业以太网吗？……

面对这些问题，CE China的老石和B&R的老宋开始了一场刨根问底式的对话，希望能让你对TSN有一个全面正确的了解。

对话人

1.TSN是时间敏感网络的意思，时间敏感是什么意思？其他网络对时间不敏感吗？有衡量指标吗？

答：说实话，最初在2016年贝加莱总部介绍TSN的时候，我觉得这似乎不像是一个工业自动化领域的技术，因为像PROFINET、POWERLINK、EtherCAT等工业网络已经可以达到比较高的实时性指标，而且好像也极少遇到什么当前100μS循环周期搞不定的案子，工业网络讲 “Determistic”，即确定性网络，因为控制是基于“等时同步”的，工业领域早已实现“时间敏感”。因此，就个人而言当时觉得这个词是IT的人不了解工业而开发出来的网络，因为TSN的最初描述是为以太网赋予“确定性”、“实时性”传输能力，这是因为标准以太网是没有这个能力的，但是，实时以太网有这个能力。

那么，问题的关键在哪里？TSN最关键的目的在于“同一”网络的数据传输，即，周期性的控制通信需求和非周期的数据在同一个网络中传输，才是TSN的核心诉求。

因为现在的IT与OT融合过程中会遇到非常大的问题，即，周期性数据和非周期性数据往往需要通过两个网络传输，因此，你会发现控制器各家都是两个网口，一个实时以太网，一个标准以太网，一般实时网络用语机器与系统控制，而标准网络用于管理级信息的传输。

通常，衡量网络的QoS（Qualityof Service）指标包括循环周期、延迟、抖动这几个指标，一般来说，硬实时会在百微秒这个级别的刷新，抖动控制在几十个nS这个级别，延迟在微秒级。没有特别的官方定义实时性，因为，应用场景不同。

2. TSN特点之一是实时性高，我们以往的现场总线、实时以太网不也有这个特点吗？相比这些TSN在实时性方面也有优势吗？

答：尽管TSN的关键诉求在于“同一”网络的传输，但经过研发人员的设计，其调度机制也允许获得较高的实时响应能力，目前贝加莱已经开发的千兆以太网的TSN测试下来抖动在50nS（抖动通常描述的是最差情况），可以达到的最快周期是在10μS级，‍因此，对于现有的工业控制而言，TSN的实时性是完全可以保障的。

和目前主流的实时以太网比TSN显然性能更高，据贝加莱总部的千兆测试数据显示高了18倍的整体性能（其测试是按照节点数、数据负载不断增加然后取性能的均值）。

3. TSN是如何实现时间敏感的呢？它是在标准以太网标准上做了哪些修改吗？

答：TSN本身是一系列的标准，它包含了时钟同步、数据调度与网络配置三个方面的关键标准，TSN仅指数据链路层的标准，这一点必须阐明，它可以采用IEEE802.3的以太网或IEEE802.3cg的标准网络来实现物理层，而数据链路层采用了桥接网络，以及不同的数据流调度的策略，也就是Shaper-整形器，比如CBS基于信用的整形器、Qbv-时间感知整形器TAS、CQF-周期性排队与转发、ATS-异步传输整形器。想了解这个就得了解以太网本身是怎么传输的，然后就明白TSN主要是在Transmit Selection这个地方进行了策略调度机制的设计。

4.TSN这两年在工业界越来越火，这个TSN源自哪里，是咱们工业界独有吗？其他行业也叫TSN吗？全球谁在主导这个标准啊？

答：TSN并非是源自工业界，TSN最早是在音视频传输领域，后来在汽车领域于2012年成立IEEE802.1Q工作，而到工业已经是2015年的事情了，成立了IEEE802.1 TSN工作组。

在汽车工业里他们一般称为AVB-Audio Video Bridge，是由IEEE802.1Qav、IEEE802.1AS和IEEE802.1Qat（已经作为IEEE802.1Q的基础标准）构成。

在航空航天领域也有大量时间敏感型网络应用，他们可以称为AS6802，而在工业领域，IEC和IEEE合作，成立了IEC60802工作组用于实现TSN网络的互操作性标准制定。

目前TSN的推动组织是Avnu，包括IIC、OPC UA基金会也加入了推动这项技术的工作，他们会和主要的Shaper厂商共同推动TSN技术的发展。

5. TSN今后是要成为标准以太网协议，而且比以前的标准以太网协议先进，那是否意味着今后民用商用工业用的以太网协议都会成为TSN？

答：TSN是一项VLAN技术，即Vitural Local Area Network，这显然定义了它是一个局域网，并且是一个虚拟的局域网，它不必一定成为商用和民用的所有通吃的标准，TSN域和非TSN域的区别在于VLANID，即，进入TSN网络会被交换机给打上VLAN标签，然后借助于TSN机制在该网络中传输，但离开了TSN网络的时候，这个VLAN标签会被去除，它也可以变为一个标准以太网帧被传输。因此，TSN交换机会和普通交换机一起工作没有问题。

因此，商业或民用网络并不是必须要变为TSN网络，这完全取决于应用本身的需求，尤其是经济性指标，因此，如果没有特殊的实时性需求的话，倒没有必要，目前TSN网络看来聚焦在工业级IoT应用比较多。

6. 为何这两年突然TSN就受到业界这么多人的关注？它能解决哪些现在解决不了的问题吗？

答：TSN火的原因就是大量的物联网应用需求产生的，因为，你必须考虑周期性和非周期性数据的同一网络传输问题，带宽的需求较之以往更大。

你可以看到这个图中，描述了几个场景：

（1）音视频同步：其实，如果你看中央电视台，你看到播音员的口型和语音会出现不同步—这也属于质量问题，因为音频和视频没有同步，或者像大剧院里的音箱，你想想如果他们不能实现同步，就会出现重复的声音，也属于数据传输质量的问题。

（2）.ADAS，相对于传统的汽车而言，ADAS会需要多个激光雷达（比如前后三个），包括安全系统，这些更多的传感器都会带来带宽的需求较之以往更大。

（3）.AR/VR、机器视觉：这些技术在工业场景更多的使用都会让带宽的需求变大。

因此，TSN是有实际的需求的，连接变得更为广泛，则需要更大的网络容量传输能力。

7. 既然具有时间敏感特点的以太网络有这么多优点，那么为何在早先的标准以太网推出时没有考虑做成时间敏感呢？为何现在就要加上时间敏感？是原先没有想到吗，还是原来的技术实现不了，或者是成本太高等其他原因？，

答： 90年代大众来中国投资建汽车厂的时候，中国的高速公路才刚开始，包括现在很多老的小区都没有足够的停车位，谁会料到今天汽车如此普及呢？

同样道理，在你不需要这项技术的时候，你是不会真正有动力去开发这样的技术的，因为如果没有人用，这些研发投入就失去意义了，因此，任何技术的流行都会需要时间，而且，就目前而言，TSN都还没有到它真正爆发的时候，因为，对互联的需求也就最近几年才刚开始，大量的工厂实际上还处于单机生产的阶段。因此，TSN现在已经处于未雨绸缪的阶段，因为大数据应用仅在局部开始，而并非进入爆发期。

当然，你说的没错，要实现TSN这样的网络的确需要非常大的技术投入，因为它的复杂性是超过现有的网络的，就像时钟同步就比IEEE1588有可靠性方面的需求，调度机制也更多样灵活，这些都是需要芯片处理包括千兆以太网处理芯片、传输电缆、交换芯片等，这些都是成本，而只有面临巨大的市场机会，芯片厂商才会有动力去投入研发。 现在大量的芯片厂商投入其中也是因为看到其广阔的未来-这些投入会让TSN变得更为易用而低成本--TSN潜在的规模使得它较之以往的网络更具竞争力。

8. 截至到目前，关于TSN的相关产品研发、测试床，支持的厂商等最新进展是什么样的？

答：目前TSN有几个重要的测试床推动者，一个是德国的LNI-就是工业4.0组织的测试床，一个是在IIC的测试床，还有一个就是由华为ECC组织的测试床，贝加莱在三个组织中都积极的参与了Testbed的建设。

目前，主流的自动化厂商都发布了各自的TSN产品或者测试产品，像B&R在2017年SPS发布了TSN产品，而SIEMENS在2018年汉诺威展发布了Profinet over TSN的产品，2019年三菱发布了CC-Link IE TSN产品。华为、TTTech、CISCO、MOXA、赫斯曼等厂商也发布了TSN交换机产品。

9. 虽然TSN这两年火热，几乎所有人看好和支持，那为何从实际产品上还并不多见，或者还没有批量生产和销售，正式工业应用几乎没有，主要卡在哪里呢？预计到什么时候，TSN会开始真正落地应用？

答：看来，你比用户更着急，但是，工业产品一般生命周期都比较长，就像CAN总线、Modbus现在还在用一样，实际上，它并没有想你想象那么慢，相对于过去的总线从概念、局部应用、大面积成熟应用的时间而言，TSN的发展算是比较快的，因为你要知道TSN面向工业的工作组2015年底才成立，2016年9月才召开Shaper的启动会议，因此，你能够在2018年看到这么多公司推出产品已经算是非常快的了。

TSN在2019年包括像现在已知的贝加莱、三菱都会有批量化产品推出，工业产品不会像手机那么更新快，华为的P20 Mate Pro我还没买呢，P30就出来了，而工业产品一般生命周期都在15年以上，因为一台机床可能会用20年以上。

因此，其实TSN发展已经非常快了。

10. 一个通信网络要实现TSN，需要哪些设备来构成或支持？相比其他网络，TSN实现起来会不会更加昂贵？

答：TSN是一个VLAN，因此它很多实现是在软件的层面的，需要具有处理这种时钟同步和调度机制的交换机，当然对于控制器而言，需要TSN的芯片支撑，具体的芯片成本我倒没有考量过，但是，事物发展的规律是具有共性的，成本一定是一个不断下降的过程，因为大量的采用就可以降低成本。

11. 现在看到国外厂商TSN产品陆续发布了，但国内厂商还没有，那要如何才能开发一个TSN的主站或者从站或者I/O呢？成本高吗？

答：这一点倒不完全是这个情况，华为在这方面已经走在前面，他们的TSN交换机也已经开发完成了，不过也似乎尚未进入批量化阶段，因为华为会考虑更多的场景问题，因此，在整形器方面会有一些自己的设计，最近我写了关于TSN的整形器（Shaper），还请教了华为的两位专家，另外，MOXA也有TSN的交换机产品推出，还有一些大学、研究所、企业也推出TSN相关的技术测试产品，目前尚未正式发布。

目前提供TSN技术开发板的包括XILINX，以及TTTech和Intel共同推出的TSN解决方案、芯片厂商NXP、AD等也推出了TSN的开发与测试芯片及测试板。

12. 现在实时以太网、现场总线在控制领域、特别是运动控制领域应用广泛，那TSN会取代这些协议吗？TSN和这些实时网络会是什么样的关系？

答：又需要强调一遍，就是TSN是在ISO/OSI架构的第二层，这意味着目前的TSN可以以各种形式出现，其实，以太网本身也是这个发展过程，比如Profinet就是Profibus over Ethernet，POWERLINK就是CANopen over Ethernet，那么，就会出现Profinet over TSN、CC-Link IE over TSN这些场景，这种设计往往是为了保持应用层软件的延续性，以确保现有的设备投资的可用性，而贝加莱则会选择OPC UA over TSN，原有的POWERLINK CANopen应用层会逐渐转向OPC UA，必须保持一个软件应用的延续性，这也是在较长的一段时间里，应用层保持，而数据链路层则逐步转向TSN的过程。从TSN目前所展示的性能而言，应对运动控制的任务也没有丝毫问题，一些厂商宣城将很快推出TSN的运动控制产品，贝加莱2019年推出IO和控制器，并计划在2020年推出基于TSN通信的运动控制产品。

这一点必须强调，对于任何工业应用而言，保持技术的稳定性、继承性是一种必须的考量，因此，技术的升级必须尽量的平滑过渡，对于用户同样如此，这是投资安全性的保障，因此，TSN短期内当然不会取代现有的网络，但是，在更长的时间里，TSN会成为基础的网络架构。

ISO/OSI模型很有意思，就是它使得各个层可以独立设计，包括物理层，目前的IEEE802.3可以继续使用，当然也可以使用诸如PoE(Power onEthernet)、SPE(Single Pair Ethernet-IEEE802.3cg)的物理层。

13. 现在另外一个通讯技术5G也已经来临，5G也是以低时延、高带宽为最大特点，而且5G要最多的应用可能在工业上，那么TSN和5G会是一个竞争关系吗？

答：5G也有针对ULL(UltraLower Latency)的场景，但是，5G属于无线网络，在工业领域的应用，尤其是类似于运动控制这些应该还不会采用5G，但是，基于IIoT的应用中对网络的确定性评估可以承受的领域5G是可以使用的，另外，TSN也会有针对无线场景的标准。

因此，评估技术的应用前景主要看场景—他们肯定不会是竞争关系，而是相互补充。

14. 对于TSN，也有些人认为现在是“雷声大雨点小”，那TSN标准的最新进展是什么样的？还需要解决哪些方面的问题从而来加速推进呢？现在技术发展那么快，TSN会不会中途又被新的通信技术给替代了？

答：其实，任何一项技术的核心驱动力是“经济性”，而技术推动必然有一个接受过程，市场需要培育，因此，TSN显然也不可能短期马上就会大量的应用，想想现场总线从开始到发展到顶峰实际上也经历了30年的时间，如果放眼整个产业的发展，TSN从2015年发展到今天已经算是非常快的速度了。

至于TSN中途会不会被新的通信技术替代，这个问题比较有意思，理论上来说，一切皆有可能，但是，任何技术都是来自于需求的，如果需求没有本质的变化，那么技术也就不会有本质的变化，如果需求就是网络的统一，那么无论是TSN还是说一个新的技术，同样是这个技术实现路径，而且通信技术不可能离开芯片、工业控制独立存在，因此，只会有TSN的升级，而很难有一个独立的技术替代它。

技术的发展有其必然性，既然大家看到了10年后的技术需求而开发TSN，那么它就会在很长一段时间内持续的发展。

至于更久的时间比如30年后会是怎样，我想大部分人都无法关注，因为，这个时候如果你敏锐的观察到30年后的网络的需求，然后研发30年后要用到的技术，你这家公司是活不到那个时候的。

15. 如果未来一旦TSN在各个领域都普及了，是不是就是实现了所谓的工业物联网万物互联？

答：这个倒是值得期待，TSN正是致力于此，不过，万物是否一定是被TSN互联，那也未必，因为这个世界有太多的技术，就像刚才提到的5G，人类因为多样性才有意思，也因为有未知才值得探索，TSN能不能实现万物互联并不重要，它只是一个技术，不用赋予它那么重大的意义，就像比尔.盖茨所说“我们总是高估在一年或者两年中能够做到的，而低估五年或者十年中能够做到的”—短期看TSN似乎还没有到要广泛应用的阶段，但长期来说，TSN在汽车、工业互联网领域将是具有统治性地位的，不过它的最佳搭档是OPC UA，这两者的配合将会让工业有着天下一统的可能。

当然，在工业世界里，价值的创造不仅仅依赖于网络技术，而依赖于对客户价值的追求，包括软件的应用价值、人的创造力，没有这些，TSN发挥不了什么，它只是一个实现我们价值创造过程的工具—对于工业企业而言，价值仍旧来自于为客户解决问题，TSN会帮助我们。

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