【1. TSN: Time Sensitive Network 總論】

　　【1.1. TSN: Time Sensitive Network 是什么？】

　　TSN 是一項(xiàng)從視頻音頻數(shù)據(jù)領(lǐng)域延伸到汽車(chē)領(lǐng)域,，并進(jìn)一步推廣至工業(yè)領(lǐng)域的通訊技術(shù),。最初 IEEE802.1D 與 IEEE802.1Q 無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化需求,，因此不同組織開(kāi)發(fā)了自己的非標(biāo)工業(yè)以太網(wǎng),，形成今天各家世界級(jí)自動(dòng)化控制廠家工業(yè)通訊協(xié)議（現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)）爭(zhēng)奪標(biāo)準(zhǔn)而混戰(zhàn)的江湖格局,。這個(gè)工業(yè)通訊江湖中目前的頂尖流派有：PROFINET,、EtherNet IP,、CC-Link IE、EtherCAT 等等,，并且這些絕頂高手都已經(jīng)開(kāi)始或已經(jīng)融合 TSN 技術(shù),，以順應(yīng)工業(yè)4.0數(shù)字化時(shí)代徹底互聯(lián)互通的重大趨勢(shì)。

　　2006 年 IEEE 組建了 AVB（Audio Video Bridging）任務(wù)組,，到 2012 年 AVB 終于開(kāi)發(fā)出適合工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的 IEEE 802.1,，也就是現(xiàn)在所稱(chēng)的 TSN。

　　AVB 工作組涉及的標(biāo)準(zhǔn)包括：1）IEEE Std. 802.1AS-2011：通用精確時(shí)鐘協(xié)議,，在 Layer 2 的 IEEE1588 精確時(shí)鐘協(xié)議規(guī)范,；2）IEEE Std. 802.1Qav：時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)以及隊(duì)列（FQTSS），特定 Credit-Based Shaper （CBS）,；3）IEEE Std. 802.1Qat：流預(yù)留協(xié)議,，時(shí)間敏感性數(shù)據(jù)流注冊(cè)與預(yù)留；4）IEEE Std. 802.1BA：AVB 系統(tǒng),，提供整體 AVB 架構(gòu)和 AVB 規(guī)范,，5）CBS + SRP：提供 250 μS 以下的橋連接,。

　　AVB 并非適合于所有產(chǎn)業(yè)，因此在 2012 年 IEEE AVB TG 被重命名為 TSN TG,，到 2015 年 Interworking TG 與 TSN TG 合并成為新的 TSN 任務(wù)組。

　　【1.2. TSN: Time Sensitive Network 為何備受關(guān)注,？】

　　工業(yè) 4.0 智能制造時(shí)代急需 IT 與 OT 融合實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)透明下的協(xié)同制造,，但是目前存在諸多障礙，包括：

　　1）各個(gè)廠家的總線配置太復(fù)雜了：不僅給 OT 端帶來(lái)了障礙,，且給 IT 信息采集與指令下行帶來(lái)了障礙,，因?yàn)槊糠N總線有著不同的物理接口、傳輸機(jī)制,、對(duì)象字典,，即使采用以太網(wǎng)來(lái)標(biāo)準(zhǔn)各個(gè)總線，但是仍然會(huì)在互操作層出現(xiàn)問(wèn)題,，這使得對(duì)于 IT 應(yīng)用,，如大數(shù)據(jù)分析、訂單排產(chǎn),、能源優(yōu)化等應(yīng)用遇到了障礙,，需要每個(gè)廠商根據(jù)底層設(shè)備不同寫(xiě)各種接口、應(yīng)用層配置工具,，對(duì)于依靠規(guī)模效應(yīng)來(lái)運(yùn)營(yíng)的 IT 而言復(fù)雜度過(guò)高,，缺乏經(jīng)濟(jì)性。2）周期性與非周期性數(shù)據(jù)的傳輸：對(duì)于 OT 而言,，其控制任務(wù)是周期性的,，因此采用的是周期性網(wǎng)絡(luò)，例如輪詢(xún)機(jī)制,，由主站對(duì)從站分配時(shí)間片的模式,，而 IT 網(wǎng)絡(luò)則是廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.3 網(wǎng)絡(luò)，采用 CSMA/CD 沖突監(jiān)測(cè)防止碰撞的機(jī)制,，而且標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀是為了大容量數(shù)據(jù)傳輸,，如文件、圖片,、視頻/音頻等,。3）實(shí)時(shí)性的差異：對(duì)于微秒級(jí)的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的 OT 而言，要求網(wǎng)絡(luò)必須要非常低的延時(shí)與抖動(dòng),，而對(duì)于 IT 網(wǎng)絡(luò)則往往對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有特別的要求,，而對(duì)數(shù)據(jù)負(fù)載有著要求。

　　TSN 的出現(xiàn),，有助于解決上述幾個(gè)障礙：1）通過(guò)單一網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決復(fù)雜性問(wèn)題,，與 OPC UA 融合來(lái)實(shí)現(xiàn)整體的 IT 與 OT 融合,。2）周期性數(shù)據(jù)與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中得到傳輸。3）平衡實(shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)容量大負(fù)載傳輸需求,。因此 TSN 被各大 OT 廠商共同關(guān)注,，希望將其引入制造業(yè)以解決現(xiàn)實(shí)中的融合問(wèn)題，否則,，網(wǎng)絡(luò)將成為推動(dòng)智能制造的第一個(gè)難點(diǎn),。

　　【1.3. TSN: Time Sensitive Network 技術(shù)要點(diǎn)概述】

　　IEEE802.3 開(kāi)發(fā)并維護(hù)以太網(wǎng) PHY 和 MAC 標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.1 開(kāi)發(fā)并維護(hù) Bridging（AKA Switching）標(biāo)準(zhǔn),。通過(guò) AVB,，以太網(wǎng)進(jìn)入了實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò) TSN,，以太網(wǎng)進(jìn)入硬實(shí)時(shí)應(yīng)用,。TSN 采用全局時(shí)間以及一個(gè)時(shí)間表，讓報(bào)文穿越多個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件,，通過(guò)定義一個(gè)時(shí)間表用于傳輸報(bào)文,，從而確保較低延時(shí)傳輸。

　　TSN 目標(biāo)：1）針對(duì)交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文延遲得到保障,；2）嚴(yán)格的非嚴(yán)苛數(shù)據(jù)與時(shí)間嚴(yán)苛型報(bào)文可以在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸而無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)碰撞,；3）更高層協(xié)議可以通過(guò)實(shí)施控制報(bào)文機(jī)制分享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；4）在無(wú)需網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備變動(dòng)情況下將組件添加至實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),；5）網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤可以通過(guò)在源頭更為精準(zhǔn)的信息而被診斷并更快的維修,。

　　TSN 在 ISO-OSI 模型中的位置：僅僅是對(duì) MAC層的定義，即對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理的過(guò)程,。TSN 所處的位置在 OSI 七層模型的第二層,，處理數(shù)據(jù)的調(diào)度、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的封裝與解包任務(wù),。

　　TSN 的核心任務(wù)：解決時(shí)鐘同步,、數(shù)據(jù)調(diào)度與系統(tǒng)配置三個(gè)問(wèn)題。1）所有通信問(wèn)題均基于時(shí)鐘,，確保時(shí)鐘同步精度是最為基礎(chǔ)的問(wèn)題,，TSN 工作組開(kāi)發(fā)基于 IEEE1588 的時(shí)鐘，并制定新的標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.1AS-Rev,。2）數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制：為數(shù)據(jù)的傳輸制定相應(yīng)的機(jī)制,，以確保實(shí)現(xiàn)高帶寬與低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。3）系統(tǒng)配置方法與標(biāo)準(zhǔn),，為了讓用戶(hù)易于配置網(wǎng)絡(luò),，IEEE 定義了相應(yīng)的 IEEE802.1Qcc 標(biāo)準(zhǔn)。

　　TSN 的參考網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的同步時(shí)鐘以及數(shù)據(jù)隊(duì)列，看上去像是個(gè)路由網(wǎng)絡(luò),，但 TSN 僅占有 MAC 層的定義,。Talker 的信息要抵達(dá) Listener 需要經(jīng)過(guò)幾個(gè)橋接過(guò)程，而在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都會(huì)有分布式時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間的同步計(jì)算,，而隊(duì)列用于處理數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí),、包括為了高動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的快速通道方式、搶占式機(jī)制,。

　　【1.4. TSN: Time Sensitive Network 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)】

　　IEEE802.1 實(shí)時(shí)工作組,，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)TSN的標(biāo)準(zhǔn)，以及組織企業(yè)的測(cè)試等工作,。

　　1）IEEE802.1AS-Rev 時(shí)鐘同步架構(gòu)：實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘同步。對(duì)于 TSN 而言,，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時(shí)”,，而是“最差狀態(tài)下的延時(shí)”，對(duì)于確定性網(wǎng)絡(luò)而言,，最差的延時(shí)才是系統(tǒng)的延時(shí)定義,。

　　2）IEEE802.1AS-Rev 的分布式時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)：以太網(wǎng)第二層所定義的 1588 規(guī)范，它的修訂包括了對(duì)鏈路聚合 802.1AX 的支持,，包括 1 步時(shí)間戳標(biāo)準(zhǔn)化處理以及針對(duì)長(zhǎng)鏈,、環(huán)的支持，更好的響應(yīng)能力,，更快的主站交互,、降低 BMCA 收斂時(shí)間；支持多域的同步信息傳輸以及冗余支持能力,，可配置冗余路徑和冗余主站,；對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)間測(cè)量，提供更好的支持,。

　　3）IEEE802.1Qbv 時(shí)間感知隊(duì)列：TSN 的核心在于時(shí)間觸發(fā)的通信原理,，在 TSN 網(wǎng)絡(luò)中有“Time-aware Shaper-TAS”概念，這是確定性報(bào)文序列的傳輸方式,，被標(biāo)準(zhǔn)化為 IEEE802.1Qbv,。通過(guò)時(shí)間感知整形器（Time Aware Shaper）概念，我們可通過(guò) TSN 使能交換機(jī)來(lái)控制隊(duì)列報(bào)文,，以太網(wǎng)幀被標(biāo)識(shí)并指派給基于優(yōu)先級(jí)的 VLAN Tag,，每個(gè)隊(duì)列在一個(gè)時(shí)間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊(duì)列報(bào)文的在預(yù)定時(shí)間窗口在出口執(zhí)行傳輸,。其它隊(duì)列將被鎖定在預(yù)定時(shí)間窗口里,，因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。因此每個(gè)交換機(jī)的延遲是確定的,，而在 TSN 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文延時(shí)被得到保障,。

　　TAS 介紹了一個(gè)傳輸門(mén)概念：這個(gè)門(mén)有“開(kāi)”,、“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過(guò)程：僅選擇那些數(shù)據(jù)隊(duì)列的門(mén)是“開(kāi)”狀態(tài)的信息,。而這些門(mén)的狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)時(shí)間表進(jìn)行定義,。關(guān)閉到非時(shí)間表的門(mén)是另一種提供對(duì)時(shí)間嚴(yán)苛型報(bào)文進(jìn)行帶寬與延時(shí)保障的方法。TAS 保障時(shí)間嚴(yán)苛報(bào)文免受其它網(wǎng)絡(luò)信息的干擾,，它未必帶來(lái)最佳的帶寬使用和最小通信延遲,，如果當(dāng)這些因素真的非常重要時(shí)，我們還可以額外使用搶占機(jī)制,。在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置時(shí)隊(duì)列就分為 Scheduled Traffic,、Reserved Traffic、Best-effort Traffic 三種,，對(duì)于 Schedule 而言則直接按照原定的配置時(shí)間通過(guò),，其它則按優(yōu)先級(jí)。Qbv 主要為那些時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計(jì),，其必須確保非常低的抖動(dòng)和延時(shí),。Qbv 確保了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換,。

　　4）IEEE802.1Qbu 與 IEEE802.3br 轉(zhuǎn)發(fā)與隊(duì)列機(jī)制：對(duì)于高帶寬的非時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而言,，Qbu 設(shè)計(jì)了搶占機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)更高數(shù)據(jù)包傳輸時(shí),，立即中斷當(dāng)前傳輸,，被中斷的傳輸從中斷點(diǎn)處被重發(fā)。IEEE 802.1Qbu 與 IEEE 802.3br（IET 分散快速報(bào)文）一同工作于標(biāo)準(zhǔn)化的搶占機(jī)制上,。該標(biāo)準(zhǔn)能夠解決 IEEE802.1Qbv 所描述的 TAS 為避免傳輸抖動(dòng)而在嚴(yán)苛型數(shù)據(jù)幀到來(lái)之前,，鎖存低優(yōu)先級(jí)序列的問(wèn)題（在1最大干擾幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)）。

　　在支持由 IEEE 802.1Qbu 定義的優(yōu)先級(jí)的鏈路上,，我們可以中斷標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸,，以允許高優(yōu)先級(jí)幀的傳輸，然后在不丟棄之前傳輸被中斷的消息,。有幾種用于搶占正在進(jìn)行的傳輸?shù)耐ㄐ胚x項(xiàng)是有利的,，例如，以允許即時(shí)傳輸預(yù)定的消息并確保最小的通信延遲,，或者促成具有大量預(yù)定流量的網(wǎng)絡(luò)鏈路上的最大帶寬使用率,。對(duì)于 IEEE802.1Qbu 的搶占而言，正在進(jìn)行的傳輸可以被中斷,，報(bào)文按等級(jí)可被分為可被搶占和搶占幀,，搶占生成框架，最小以太網(wǎng)幀受到保護(hù)的，127 字節(jié)的數(shù)據(jù)幀（或剩余幀）不能被搶占,。

　　可搶占 MAC 與快速 MAC：IEEE802.1br 設(shè)計(jì)了快速幀的 MAC 數(shù)據(jù)通道,，可以搶占 Preemptable MAC 的數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.3br 也可以與 IEEE802.1Qbv 配合進(jìn)行增強(qiáng)型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),。

　　5）IEEE802.1Qcc 系統(tǒng)配置：Qcc 用于為 TSN 進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施和交換終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行即插即用能力的配置,。采用集中配置模式，由 1 或多個(gè) CUC（集中用戶(hù)配置）和 1 個(gè) CNC（集中網(wǎng)絡(luò)配置）構(gòu)成,。CUC 制定用戶(hù)周期性時(shí)間相關(guān)的需求并傳輸過(guò)程數(shù)據(jù)到 CNC,，CNC 計(jì)算 TSN 配置以滿(mǎn)足需求。CUC 用于 OPC UA Pub/Sub,；CNC 用于 OPC UA C/S,，也會(huì)有其它用于應(yīng)用協(xié)議。如安全,。配置采用標(biāo)準(zhǔn)化的配置協(xié)議（TLS 上的 NETCONF）以及匹配的配置文件（YANG）,，如果單一設(shè)備則 CUC 和 CNC 并不牽扯協(xié)議。如果 CUC 和 CNC 是在分布式網(wǎng)絡(luò),，則 RESTCONF 用于他們之間的通信協(xié)議。以下圖片示意了 IEEE802.1Qcc 的 CNC 與 CUC 的配置,，對(duì)不同的 Qbv,、Qbu、QCB 的配置,。

　　6）IEEE802.1CB 冗余數(shù)據(jù)傳輸：為了實(shí)現(xiàn)冗余管理機(jī)制以實(shí)現(xiàn) HSR（高可用無(wú)縫冗余-IEC62439-3）和 PRP（并行冗余協(xié)議,，IEC62439 C4）。為了增強(qiáng)可用性,，報(bào)文被冗余拷貝在一個(gè)并行的網(wǎng)絡(luò)通道里?，F(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)，路徑控制與預(yù)留 IEEE802.1Qca,，定義了如何設(shè)置此路徑,。冗余管理機(jī)制將這些冗余幀合并并產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的信息流到接收端。TSN 工作組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這一標(biāo)準(zhǔn)的最終版本,。

　　7）TSN 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)程：IEEE TSN 工作組正在推動(dòng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的落定,，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與 2017 年進(jìn)程如下所示。

　　【1.5. TSN: Time Sensitive Network 與 OPC UA 打造全新的全集成互聯(lián)架構(gòu)】

　　對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)而言,，由于其僅為在軟件協(xié)議棧方面的修改,，因此，其從原有的 IEEE802.3 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)至 IEEE802.1 的 TSN 網(wǎng)絡(luò),，可以直接采用 TSN 網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn),，而無(wú)需修改原有協(xié)議棧。應(yīng)用層可以采用 OPC UA 的機(jī)制，并且支持 Pub/Sub 機(jī)制,。1）TSN 將為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)啟關(guān)鍵控制應(yīng)用,，例如機(jī)器人控制，驅(qū)動(dòng)器控制和視覺(jué)系統(tǒng),。這種連通性可以讓用戶(hù)和供貨商更容易從這些系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù),，并對(duì)這些系統(tǒng)提供預(yù)日常的防性維護(hù)和優(yōu)化。2）支持快速生產(chǎn)重構(gòu),，降低工廠停工時(shí)間,。3）在整個(gè)工廠診斷集成中提高正常運(yùn)行時(shí)間。

　　【1.6. TSN: Time Sensitive Network 的推動(dòng)成員與測(cè)試平臺(tái)】

　　在 2016 年的 SPS 上各個(gè)廠商宣布了對(duì) OPC UA TSN 的支持,，包括了 ABB,、B&R、Bosch,、Rexroth,、CISCO、GE,、NI,、KUKA、Parker,、Phoenix,、Schneider、SEW,、TTTech 等主流自動(dòng)化與 IT 廠商,。當(dāng)前在 NI 有針對(duì) OPC UA+TSN 的 Testbed，而來(lái)自于對(duì) TSN 支持的各個(gè)廠商正在對(duì)其進(jìn)行測(cè)試與互操作測(cè)試,。

　　TSN 測(cè)試臺(tái)特點(diǎn)：1）基于 IEEE 802.1 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)上結(jié)合各種臨界流,；2）展示使用標(biāo)準(zhǔn)的聚合性的以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能和不同供應(yīng)商產(chǎn)品的協(xié)同性；3）展現(xiàn) IIoT 在高性能和延遲敏感應(yīng)用合作方面的能力,；4）提供智慧邊緣云控制系統(tǒng)與 IIoT 基礎(chǔ)設(shè)施及應(yīng)用的集成要點(diǎn),；5）機(jī)器人，多軸運(yùn)動(dòng)機(jī)器,，視覺(jué),，IO和機(jī)器健康/診斷的混合重構(gòu)生產(chǎn)；6）M2M 層和 IIoT 層集成,。

　　TSN 設(shè)備測(cè)試內(nèi)容：1） 在不同的供應(yīng)商之間建立TSN流,；2）顯示 TSN 保護(hù)來(lái)自于高帶寬流的臨界流能力；3）非 TSN 流進(jìn)入 TSN 流的網(wǎng)關(guān),；4）CUC 到 CNC APIs（TSN 流要求）的測(cè)試,；5）CNC 到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（預(yù)定分布）的測(cè)試,；6）TSN 上 OPC UA Pub-Sub 的數(shù)據(jù)一致性。

　　TSN 預(yù)示著 IT 與 OT 的融合,，這將為未來(lái)的 OICT 融合,、邊緣計(jì)算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)打通數(shù)據(jù)鏈路,。

　　【2. OPC-UA-TSN 總論】

　　【2.1. OPC-UA-TSN 是什么,？】

　　前篇1 http://blog.sina.com.cn/s/blog_a68809ea0102vk1p.html

　　前篇2 http://blog.sina.com.cn/s/blog_a68809ea0102w1qn.html

　　OPC UA 是針對(duì)嵌入式應(yīng)用的 OPC 通訊標(biāo)準(zhǔn)的重大發(fā)展，旨在為嵌入式設(shè)備在較小空間內(nèi)優(yōu)化性能,，包括：1）用于描述數(shù)據(jù)的源模型,；2）用于交換和瀏覽信息的通訊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；3）帶有內(nèi)置的安全模型,，可以根據(jù) IEC62443 來(lái)實(shí)施安全系統(tǒng),。但是 OPC UA 目前不太適合用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊控制，限制了其一網(wǎng)到底的能力,。

　　OPC UA TSN,，就是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) TSN 與 OPC UA 的融合，將 IT 和 OT 無(wú)縫融合到工業(yè)通訊項(xiàng)目中,，從傳感器到云端建立全面的通訊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),。TSN 能把 PROFINET 等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線和 OPC UA 共享到同一個(gè)通訊設(shè)施上，識(shí)別底層 IO 設(shè)備,，所以實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)層,、控制層、管理層直到云端的數(shù)據(jù)通訊,。OPC UA TSN 并不會(huì)與某特定廠商綁定，從而減少出于非技術(shù)原因的人為干預(yù),，其適用性比過(guò)去各種不同的現(xiàn)場(chǎng)總線寬廣得多,。

　　【2.2. OPC-UA-TSN 對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)通訊金字塔結(jié)構(gòu)的變革】

　　今天的工業(yè)數(shù)據(jù)通訊，主要是按照自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔來(lái)組織的：在塔頂?shù)挠?jì)算機(jī)層,，使用標(biāo)準(zhǔn)的 IT 協(xié)議（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）,。對(duì)于機(jī)器間和過(guò)程通訊（分布式控制器層）而言，相較傳統(tǒng)的基于以太網(wǎng)的 M2M 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（例如：PROFINET,、EtherNet/IP,、EtherCAT、Modbus/TCP,、CC-Link IE,、POWERLINK、SERCOS III）,，而 OPC UA（IEC 625412）的重要性正在迅速提高,。在機(jī)器內(nèi)部（設(shè)備和傳感器層）,，具有硬實(shí)時(shí)能力（也被稱(chēng)為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)）的協(xié)議占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然這些技術(shù)有著共同的要求,，但是它們的實(shí)施差別很大,。因此，比較它們是一件復(fù)雜的事情,，并且很大程度上取決于預(yù)期的應(yīng)用（過(guò)程控制,、運(yùn)動(dòng)、I/O,、集中式和分布式控制等）,。而未來(lái)使用OPC UA（和 TSN）實(shí)現(xiàn)從傳感器到云端的全面通訊，有望提升構(gòu)建一網(wǎng)到底智能制造 CPS 的效率,。

　　【2.3. OPC-UA-TSN 通訊協(xié)議的一些性能參數(shù)概述】

　　通常會(huì)分成低速與高速兩大類(lèi) Case 進(jìn)行比較：1）最小循環(huán)周期比較@100Mbit：TSN 轉(zhuǎn)發(fā)延遲 3?s,；2）最小循環(huán)周期比較@1Gbit：TSN 轉(zhuǎn)發(fā)延遲 780ns；3）OPC UA TSN @1GBit 的最小循環(huán)周期與現(xiàn)有技術(shù)比較,，比較過(guò)程中用到的方程參數(shù)對(duì)于每個(gè)廠家來(lái)說(shuō)眾說(shuō)紛紜,，所以此處不贅述。比較的前提是：總線型拓?fù)?，輸出?shù)據(jù) = 40% 的輸入數(shù)據(jù),，交叉通信用于 20% 的設(shè)備，常用術(shù)語(yǔ)如下,。

　　實(shí)際應(yīng)用中,，這種比較取決于許多其它參數(shù)：1）輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率；2）具有直接交叉通信的設(shè)備的百分比,；3）利用不同的循環(huán)周期,；4）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、星型,、環(huán)型）,，以及設(shè)備之間的跳數(shù)；5）帶有自己背板總線的模塊化 I/O 的可用性,。在具有較高性能要求的應(yīng)用中,，轉(zhuǎn)發(fā)延遲短的設(shè)備至關(guān)重要，OPC UA TSN 循環(huán)周期的計(jì)算是基于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與基于交換式以太網(wǎng)兩者的組合,，可實(shí)現(xiàn)的循環(huán)周期更低,，大約低了 18倍，若現(xiàn)今的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)機(jī)制不變,，相比具有千兆位電路的假想設(shè)備則低了近 2 倍,。

　　【2.4. OPC-UA-TSN 與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線兼容性強(qiáng)，市場(chǎng)推廣潛力較大】

　　開(kāi)發(fā) OPC UA TSN 的公司擁有多種 TSN 標(biāo)準(zhǔn),，可選擇正確的功能特性,。一種新通訊技術(shù),，匹配傳統(tǒng)技術(shù)，外推到整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng),，如果想要得到廣泛采用,，其解決方案必須同時(shí)支持所有當(dāng)前使用的工業(yè)通信類(lèi)型。這些工業(yè)通信大多數(shù)都考慮到了區(qū)分周期性和非周期性通信,，但在細(xì)微差別方面又有所不同：從每個(gè)循環(huán)擁有不同發(fā)送,、傳播和接收周期的硬實(shí)時(shí)通信；到有或無(wú)時(shí)間同步的周期性通信,；到多種來(lái)源的非周期性通信,，例如其中的 TCP/IP 在有些情況下，網(wǎng)絡(luò)控制,、診斷信息和用戶(hù)控制消息有不同的優(yōu)先級(jí),。一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò)需要支持所有這些工業(yè)通信類(lèi)型，即使不在特定應(yīng)用中使用,，用于實(shí)施的形成機(jī)制的選擇需具備全球化標(biāo)準(zhǔn),。TSN 保證了不同通信類(lèi)型共存的可能性，同時(shí)保留實(shí)時(shí)通信的定時(shí)特性,。一些現(xiàn)有的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)（例如 PROFINET,、EtherNet/IP）使用通信規(guī)劃和 QoS 來(lái)保證在設(shè)備運(yùn)行良好條件下的行為。由于將 TSN 用作數(shù)據(jù)鏈路層,，因此這些技術(shù)可以更好地利用帶寬效率,，因?yàn)?TSN 無(wú)條件保護(hù)了高優(yōu)先級(jí)的通信。

　　【2.5. OPC-UA-TSN 測(cè)試平臺(tái)的設(shè)置】

　　百兆工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了非常高的成熟度,，這意味著幾乎所有的現(xiàn)有設(shè)備都能夠提供全面的網(wǎng)絡(luò)性能,。而對(duì)于千兆技術(shù)而言，事實(shí)并非如此,。因?yàn)榍д讓⒔粨Q網(wǎng)絡(luò)的性能提高了約 10 倍,。幀聚合、優(yōu)化標(biāo)頭和超低直通延遲可以進(jìn)一步提高約 2 倍,。為了在真正的產(chǎn)品中利用該性能，其許多組件都需要進(jìn)行優(yōu)化,。許多原型設(shè)備已經(jīng)實(shí)施并測(cè)試,，例如在 IIC 試驗(yàn)臺(tái)上：1）基于運(yùn)行 Linux 的單端口工業(yè) PC，2）模塊化 I/O 模塊的頭站,，具有兩個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)端口,，也運(yùn)行 Linux OS。測(cè)試設(shè)置的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與設(shè)備構(gòu)成如下,，包含,；數(shù)字量 I/O 模塊,、工業(yè) PC、高清攝像頭,、標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)面板,、工業(yè) TSN 交換機(jī)，200 個(gè)設(shè)備部署在四條總線中,，每條線 50 個(gè)設(shè)備,。

　　【2.6. OPC-UA-TSN 通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)概述】

　　下圖說(shuō)明了 OPC UA TSN 所使用的協(xié)議、服務(wù)的概述,、以及它們?nèi)绾芜m應(yīng) ISO/OSI 參考模型的各層,。

　　1）物理層：基于銅 Fast Ethernet（100BASE-T/T1）、Gigabit Ethernet（100BASE-T/T1）,；基于光纖 Fast Ethernet（100BASE-T/T1）,、Gigabit Ethernet（100BASE-T/T1），對(duì)于過(guò)程自動(dòng)化,，已經(jīng)成立了一個(gè)工作組來(lái)開(kāi)發(fā)十兆單雙絞線以太網(wǎng)（10SPE）,，該介質(zhì)可以促使以太網(wǎng)傳播至更小、成本更敏感的傳感器,、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備,、以及 Zone 1 防爆危險(xiǎn)區(qū)。

　　2）數(shù)據(jù)鏈路層：802.1 標(biāo)準(zhǔn)化了以太網(wǎng)交換機(jī)（稱(chēng)之為“網(wǎng)橋”）,，802.3 標(biāo)準(zhǔn)化了以太網(wǎng)端點(diǎn),。與工業(yè)通訊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.1AS-Rev：IEEE 1588-2008 時(shí)鐘同步標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議是為解決導(dǎo)致 IEEE 802.1AS 中更大的以太網(wǎng)系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)和采用的?？上烧卟⒉患嫒?。在 TSN 工作組中，正在開(kāi)發(fā) IEEE 802.1AS（,。1ASRev）的修訂版,。此修訂版解決了最高級(jí)冗余和多時(shí)鐘域（例如，同時(shí)分配工作時(shí)鐘（同步傳輸?shù)幕A(chǔ)）和掛鐘（例如,，記錄消息））的機(jī)制,。。1AS-Rev 計(jì)劃于 2018 年發(fā)布,；出于互操作性和接近最終方案的考慮,，建議機(jī)器、工廠和過(guò)程自動(dòng)化廠商實(shí)施 .1AS（而不是 IEEE 1588）,。另外 802.1AS 是 AVnu 和 IEEE TSN 任務(wù)組推動(dòng)的默認(rèn)解決方案,。IEEE 802.1Qbv：用于實(shí)時(shí)保證的同步傳輸。它規(guī)定了傳輸窗口,，以保證有界延遲和較小抖動(dòng),。Qbv 也可以周期性地給予出口隊(duì)列優(yōu)先接入線路,，所以它也可以提供帶寬保證。IEEE 802.1Qav：可用于周期性傳輸,，以保證某些通信類(lèi)別擁有帶寬預(yù)留和有界延遲,。主要的應(yīng)用是音頻/視頻廣播。IEEE 802.1Qcc：該標(biāo)準(zhǔn)提供了用于 TSN 配置的協(xié)議,、程序和管理對(duì)象的規(guī)范,，主要用于已經(jīng)運(yùn)行的系統(tǒng)，具有三種配置模型：完全集中式模型,，適用于所有 TSN 機(jī)制,，在使用 Qbv 時(shí)是必備的；完全分布式模型,，適用于無(wú)需改變調(diào)度（或不使用 Qbv 機(jī)制）時(shí),；集中式網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶(hù)模型。由于同步通信經(jīng)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò),，Qbv 機(jī)制的使用是必然的,，因此我們使用完全集中式的配置模型。該模型指定了 CUC（集中式用戶(hù)配置）和 CNC（集中式網(wǎng)絡(luò)配置）功能,。CUC 指定了關(guān)于循環(huán)周期和傳輸?shù)倪^(guò)程數(shù)據(jù)的用戶(hù)要求,，并將其傳輸給 CNC。CNC 會(huì)計(jì)算 TSN 配置,，包括通訊調(diào)度必須通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的 YANG 模型滿(mǎn)足要求,。CNC 使用基于 YANG 的管理協(xié)議（如 NETCONF over TLS）將配置分配給交換機(jī)（網(wǎng)橋）。CNC 將端點(diǎn)配置發(fā)送到 CUC,。RESTCONF 應(yīng)用作 CUC 和 CNC 之間的通訊協(xié)議,。CUC 然后將端點(diǎn)配置分發(fā)到相應(yīng)的端點(diǎn)。TSN Configuration Broker （TCB）：Qcc 不會(huì)進(jìn)一步指定協(xié)議以及 CUC 和端點(diǎn)之間的功能（因?yàn)檫@是專(zhuān)用的）,。當(dāng)工作在 OPC 基金會(huì) TSN 工作組內(nèi)針對(duì)基于 OPC UA Pub/Sub TSN 的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn) CUC 接口上時(shí),，所有 CUC 的共同功能已被確定和進(jìn)一步明確。TSN Configuration Broker （TCB） 一方面從端點(diǎn)提取出了不同的 IEEE Qcc 配置模型,，另一方面為流預(yù)留/實(shí)例提供了標(biāo)準(zhǔn)化的功能,。TCB 由駐留在端點(diǎn)的 TCB 客戶(hù)端和集中式 TCB 服務(wù)器組成。TCB 客戶(hù)端與服務(wù)器之間的 PTCB 協(xié)議非常輕便,。除了通常適用于所有 CUC 之外,，這是一種接收基本網(wǎng)絡(luò)配置的有效方式，特別適用于幾乎不需要應(yīng)用程序配置的資源受限設(shè)備（因此沒(méi)有可用的 OPC UA 客戶(hù)端或服務(wù)器）,。IEEE 802.1CB：用于為環(huán)型和網(wǎng)格拓?fù)涮峁o(wú)縫冗余。1CB 允許冗余規(guī)劃在每個(gè)數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上,，這樣可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)冗余解決方案更好的帶寬效率,。

　　IEEE 802.1Qbu & IEEE 802.3br（可選）在使用調(diào)度（Qbv）機(jī)制的情況下,，幀搶占可以用來(lái)最大化盡力而為業(yè)務(wù)的吞吐量。搶占不適合盡力而為以外的通信類(lèi)型,，因?yàn)樗鼤?huì)使這些通信類(lèi)型的任何保證無(wú)效,。然而在千兆的情況下，盡力而為的增益微不足道,。IEEE 802.1CS（可選）AVB 的流預(yù)留協(xié)議擴(kuò)展,。該項(xiàng)目剛剛發(fā)起。它定義了一個(gè)可供選擇的目前不兼容的配置路徑（也稱(chēng)為“完全分布式配置模型”）,，適用于 III 類(lèi)通信（和盡力而為）的應(yīng)用,，因此在工業(yè)應(yīng)用中的使用有限。綜上,，強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)是 .1AS（-Rev）,、Qbv、,。1CB 和具有完全集中式模型的 Qcc,，再加上 NETCONF over TLS。AVnu 聯(lián)盟正在定義實(shí)施這些標(biāo)準(zhǔn)的一致性和互用性準(zhǔn)則,。

　　3）第 3~6 層：對(duì)于 OPC UA 客戶(hù)端/服務(wù)器,，支持帶可選安全（TLS）的 TCP/IP 連接。對(duì)于 Pub/Sub 連接,，支持 UADP25 over UDP/IP 或直接在原始以太網(wǎng)上的 UADP,。安全在 UADP 層中進(jìn)行處理。UADP（即云協(xié)議）的其它傳輸選擇超出了本文的范圍,。NETCONF 也使用帶 TLS 的 TCP/IP,。對(duì)于設(shè)備上的固件升級(jí)和 Web 應(yīng)用程序，可選用 HTTP（S）,。

　　4）應(yīng)用層：OPC UA 在應(yīng)用層上采用包括支持客戶(hù)端/服務(wù)器和發(fā)布/訂閱通訊模型,。所有設(shè)備上的 OPC UA 服務(wù)器應(yīng)支持嵌入式服務(wù)器協(xié)議。對(duì)于資源有限的設(shè)備,，只能利用發(fā)布功能提供數(shù)據(jù)和 TCB 客戶(hù)端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置,。客戶(hù)端/服務(wù)器：用于設(shè)備配置,、瀏覽信息模型,、記錄診斷信息等的通訊模型。對(duì)于安全應(yīng)用程序,，設(shè)備配置應(yīng)提供數(shù)據(jù)完整性（簽名）和可選的機(jī)密性（加密）,。發(fā)布/訂閱（簡(jiǎn)稱(chēng)：Pub/Sub）：用于循環(huán)傳輸?shù)耐ㄓ嵞Ｐ汀Ｍㄟ^(guò)使用基于 OPC UA 消息的安全，可選簽名和/或加密,。具有靜態(tài)數(shù)據(jù)集偏移的標(biāo)頭協(xié)議可用于在終端站中高效地提取數(shù)據(jù)集,。

　　上圖是個(gè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度示例：調(diào)度中同步輸入幀的時(shí)空?qǐng)D，在主站內(nèi)端口的 Qbv 門(mén)控事件,，在 S5 左端口的 Qbv 門(mén)控事件,，它有一個(gè)主站（M）和七個(gè)從站（S1…S7）。在類(lèi)型 1 中,，所有從站都向主站發(fā)送相同大小的幀,。調(diào)度計(jì)算是這樣的，幀一個(gè)接一個(gè)不停地達(dá)到主站,，在那里第一個(gè)從站在循環(huán)開(kāi)始處發(fā)送它的幀,。關(guān)于主站內(nèi)端口的 Qbv 配置，它在那里接收幀（循環(huán)開(kāi)始于 90°）,。類(lèi)型 1 的門(mén)在循環(huán)開(kāi)始（t0）不久打開(kāi),，并保持打開(kāi)，直到接收到所有幀后關(guān)閉（t1）,。在這段時(shí)間里,，沒(méi)有其它門(mén)打開(kāi)。之后,，類(lèi)型 2-8 的門(mén)同時(shí)打開(kāi),。類(lèi)型 2 在所有剩余時(shí)間內(nèi)保持打開(kāi)，給予網(wǎng)絡(luò)控制通信最高優(yōu)先級(jí)（如果發(fā)生這種通信）,。接下來(lái),，類(lèi)型 4 的門(mén)關(guān)閉（t2），給予類(lèi)型 5 一些時(shí)間,，具有最高優(yōu)先級(jí)等等（t3,、 t4）。顯示了 S5 左端口的 Qbv 配置,。類(lèi)型 1 的門(mén)向朝向主站的三個(gè)幀（t0…t1）打開(kāi),，隨后打開(kāi)其它類(lèi)型的門(mén)。因此,，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,，類(lèi)型 4 至 6 和 8 的帶寬保證是相同的。

　　5）其它所需功能特性：設(shè)備角色,，第 5 部分介紹了協(xié)調(diào) OPC UA TSN 設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和操作所需的功能特性,。角色（幾乎）獨(dú)立于運(yùn)行的硬件。狀態(tài)機(jī)：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的終端站必須有統(tǒng)一的行為,，它根據(jù)狀態(tài)機(jī)定義（見(jiàn)第 IV 部分）,。這使得中心實(shí)例（即網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)）協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為可能。許多工業(yè)以太網(wǎng)解決方案實(shí)施的狀態(tài)機(jī)基于 CiA 的想法。拓?fù)錂z測(cè)：實(shí)時(shí)通信的調(diào)度需要詳細(xì)了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。拓?fù)淇梢栽谂渲霉ぞ咧羞M(jìn)行檢測(cè)（使用 LLDP）和導(dǎo)入,，或離線創(chuàng)建。CNC（第 5 部分）使用此信息來(lái)計(jì)算 Qbv 和 Qav 的配置,。直通交換：在交換式網(wǎng)絡(luò)上可實(shí)現(xiàn)的循環(huán)周期性能很大程度上取決于幀傳輸?shù)难舆t。特別是對(duì)長(zhǎng)的總線型或環(huán)型拓?fù)錁?gòu)成了挑戰(zhàn),。因此,，直通交換（一旦地址信息被解碼就轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)幀）構(gòu)成了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中 3 端口交換機(jī)不可或缺的一個(gè)功能特性。在使用千兆物理層時(shí),，轉(zhuǎn)發(fā)延遲包括遠(yuǎn)低于 1?s 的 PHYs 是必需的,，即 800ns。設(shè)備子協(xié)議：在工業(yè)通訊系統(tǒng)中,，每個(gè) OSI 層都需要確?；ゲ僮餍浴＿`反互操作性的最低層構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)互操作性的最高層,，獨(dú)立于任何更高層,。傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)僅共享相同的物理介質(zhì)（電纜、插頭）,，即層 1,，為了防止 OPC UA TSN 技術(shù)陷入相同的困境，其目標(biāo)是使用所有七個(gè) OSI 層（用于設(shè)備間通訊）共同實(shí)施,，此外還具有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備子協(xié)議和特定類(lèi)型的設(shè)備子協(xié)議,。設(shè)備描述文件：在 OPC UA 領(lǐng)域內(nèi)，一個(gè)設(shè)備由其服務(wù)器實(shí)例來(lái)表示,，其功能特性可以隨時(shí)在線瀏覽,。雖然在線瀏覽對(duì)一些工業(yè)用例就足夠了，它們具有很高的重復(fù)程度,，如連續(xù)機(jī)器制造,，但仍要求離線方法用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置和編程。因此,，設(shè)備的所有相關(guān)功能特性（OPC UA,、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)功能）都需要在文件中進(jìn)行描述，從而替代對(duì)設(shè)備的在線訪問(wèn),。

　　【2.7. OPC-UA-TSN 通訊的配置與啟動(dòng)】

　　幾乎所有現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng),，無(wú)論是否基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，都提供網(wǎng)絡(luò)管理的機(jī)制,。這些機(jī)制會(huì)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,，通過(guò)一系列狀態(tài)將其轉(zhuǎn)換為操作狀態(tài)；啟動(dòng)設(shè)備檢測(cè)，在運(yùn)行時(shí)處理和發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào),；或者執(zhí)行必要的程序來(lái)替換故障設(shè)備,。狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備識(shí)別等功能（確保設(shè)備可以在網(wǎng)絡(luò)上到達(dá)，匹配預(yù)期的廠商/型號(hào)等）,。它們也可用于執(zhí)行任何必要的配置/固件更新,，隨后通知設(shè)備傳輸有效的過(guò)程數(shù)據(jù)（如果設(shè)備上的應(yīng)用程序準(zhǔn)備好這樣做），并評(píng)估收到的過(guò)程數(shù)據(jù)（如果控制網(wǎng)絡(luò)的中央網(wǎng)絡(luò)實(shí)例決定這樣做）,。在各種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中,，許多現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)施將所有這些功能結(jié)合在一個(gè)設(shè)備中（即PLC）。這項(xiàng)工作的目標(biāo)明確,，就是將這些功能分離和解耦成所謂的設(shè)備角色,，這樣理論上每個(gè)角色都可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同設(shè)備上實(shí)施。多實(shí)例和設(shè)備角色冗余也應(yīng)解決,。如下圖所示,，不同角色及其通訊關(guān)系，啟動(dòng)時(shí)通過(guò)終端設(shè)備的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行漫游,。狀態(tài)本身是強(qiáng)制性的,。但是，如果地址和配置進(jìn)行本地存儲(chǔ),，那么大多數(shù)狀態(tài)可以快速通過(guò),。

　　【2.8. OPC-UA-TSN 通訊的角色管理】

　　對(duì)于機(jī)器網(wǎng)絡(luò)而言，需要一些網(wǎng)絡(luò)功能,，以達(dá)到啟動(dòng)和運(yùn)行期間在網(wǎng)絡(luò)中定義的狀態(tài),。這些功能可以分組，并分配給設(shè)備角色,。以下列出眾所周知的針對(duì) IT 和 OT 系統(tǒng)的設(shè)備角色以及針對(duì) OPC UA TSN 的新設(shè)備角色：1）當(dāng)前需要的備角色,，TSN 交換機(jī)：它們構(gòu)成了一個(gè) OPC UA TSN 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。多端口交換機(jī)用于從鳥(niǎo)瞰角度設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而帶兩個(gè)外部（和一個(gè)內(nèi)部）端口的交換機(jī)駐留在交換終端站,，便于在總線型拓?fù)渲羞M(jìn)行有效布線。交換機(jī)的狀態(tài)機(jī)添加狀態(tài)以防止網(wǎng)絡(luò)環(huán)路中的信息風(fēng)暴,。DHCP（服務(wù)器）：DHCP 是一種從池中分配 IP 地址并將其分配給未配置的設(shè)備的機(jī)制,。此外，大多數(shù) DHCP 服務(wù)器實(shí)施允許在第 2 層 MAC 地址和第 3 層 IP 地址之間進(jìn)行靜態(tài)綁定,。這些功能特性的組合可以使用臨時(shí) IP 地址啟動(dòng)未配置的設(shè)備（具有未知的 MAC 地址）,，并且在成功識(shí)別后（可能是驗(yàn)證）分配預(yù)先配置的地址。DNS（服務(wù)器）：DNS 是解決 IP 地址描述性名稱(chēng)（即主機(jī)名）的機(jī)制,。所有更高層協(xié)議和服務(wù),，包括工程和配置工具,，隨后都可以使用易于記憶的主機(jī)名。祖時(shí)鐘：該術(shù)語(yǔ)來(lái)自于針對(duì)精確時(shí)鐘同步的 IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn),，已被 IEEE 802.1AS 采用,。它指的是網(wǎng)絡(luò)中具有主站功能的最精確的時(shí)鐘設(shè)備。它可以通過(guò)最佳主時(shí)鐘算法（BMCA）自動(dòng)選擇為網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間主站,?；蛘咴?.1AS 中，也可以預(yù)定義時(shí)鐘層級(jí),。OPC UA GDS：OPC UA 的全局發(fā)現(xiàn)服務(wù)器（GDS）負(fù)責(zé) OPC UA 服務(wù)器的企業(yè)級(jí)管理,。它通過(guò)“功能”和地址列表促進(jìn)發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)建并分發(fā)針對(duì)安全連接的應(yīng)用證書(shū),。目錄服務(wù)（可選）：此類(lèi) IT 服務(wù)（例如微軟的活動(dòng)目錄）用于企業(yè)級(jí)資產(chǎn)、用戶(hù)和角色管理,，包括個(gè)人數(shù)據(jù),、訪問(wèn)權(quán)限（對(duì)文件、程序）,、證書(shū)管理等,。在 OT 環(huán)境中使用這些可以在組織效率方面快速見(jiàn)效。TSN CUC：集中式用戶(hù)配置（CUC）是一個(gè)在 IEEE 802.1Qcc 標(biāo)準(zhǔn)中定義的角色,，任務(wù)是配置終端節(jié)點(diǎn)（或其應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)）,。這包括網(wǎng)絡(luò)配置，用于與 CNC 通訊,。TCB：TCB 客戶(hù)端/服務(wù)器是 CUC-CNC 通訊功能加上終端站網(wǎng)絡(luò)配置的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施,。TCB 服務(wù)器收到來(lái)自 CUC 的要求，將要求轉(zhuǎn)發(fā)給 CNC,，它會(huì)調(diào)度數(shù)據(jù)流并將結(jié)果報(bào)告給 TCB 服務(wù)器,。最后，TCB 服務(wù)器會(huì)將如何使用調(diào)度的數(shù)據(jù)流的報(bào)告發(fā)回終端站,。TSN CNC：集中式網(wǎng)絡(luò)配置（CNC）有兩個(gè)主要任務(wù)：第一是計(jì)算網(wǎng)絡(luò)調(diào)度,，第二是將網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的參數(shù)分配給基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組件（以太網(wǎng)交換機(jī)）。對(duì)于后者支持互操作性,，協(xié)議的選擇很關(guān)鍵,。NETCONF 由于其廣泛的可用性、技術(shù)成熟度和操作配置的可能性已成為首選技術(shù),。2）新的設(shè)備角色,，以下列出網(wǎng)絡(luò)中受現(xiàn)今現(xiàn)場(chǎng)總線架構(gòu)啟發(fā)的邏輯功能。為了運(yùn)行 OPC UA TSN 網(wǎng)絡(luò),，實(shí)施這些角色并非嚴(yán)格強(qiáng)制,。但是,，沒(méi)有它們，啟動(dòng)和運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)將需要頻繁,、大量的手動(dòng)干預(yù),。所有設(shè)備角色都是跨廠商的，因此可以實(shí)現(xiàn)互操作,。應(yīng)用從站：這是具有最多實(shí)例的角色,。它主要通過(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)管理其操作模式和一些遠(yuǎn)程配置功能。例如 I/O,、驅(qū)動(dòng)器和閥,。應(yīng)用主站：傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線中的 PLC 或邊緣控制器的角色。從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看,，應(yīng)用從站和應(yīng)用主站沒(méi)有區(qū)別,。但是，就計(jì)算性能而言,，應(yīng)用功能和 TSN 功能可能差別很大,。配置服務(wù)器：這可以看作包含版本控制以及用于固件和配置的簽名二進(jìn)制文件的一個(gè)（分布式）數(shù)據(jù)庫(kù)。文件內(nèi)容是廠商特定的,，可以是駐留在設(shè)備上的任何東西,，從 FPGA 比特流、編譯的應(yīng)用程序代碼和配置文件,，到圖像,、數(shù)據(jù)表和維護(hù)視頻。網(wǎng)絡(luò)管理器該角色連接到工程工具,，并保存關(guān)于應(yīng)用程序分發(fā)的所有信息,。網(wǎng)絡(luò)管理器通過(guò)啟動(dòng)過(guò)程引導(dǎo)所有設(shè)備，并觸發(fā)所需動(dòng)作,，如地址分配和固件/配置更新,。網(wǎng)絡(luò)管理器：該角色連接到工程工具，并保存有關(guān)應(yīng)用程序分發(fā)的所有信息,。網(wǎng)絡(luò)管理器通過(guò)啟動(dòng)過(guò)程指導(dǎo)所有設(shè)備,，并觸發(fā)所需操作，如地址分配和固件/配置更新,。3）用戶(hù)角色,，除了設(shè)備角色（在授權(quán)執(zhí)行某些管理功能如升級(jí)設(shè)備固件的網(wǎng)絡(luò)上代表“用戶(hù)”）之外，一組針對(duì)人與網(wǎng)絡(luò)交互的預(yù)定義的用戶(hù)角色應(yīng)該是可用的,，如管理員,、用戶(hù)和維護(hù)。

　　【2.9. OPC-UA-TSN 通訊的安全性和證書(shū)】

　　1）安全性可能成為區(qū)別 OPC UA TSN 和傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵的功能特性,，因?yàn)樗鼰o(wú)法被簡(jiǎn)單地添加到系統(tǒng)中,。用于實(shí)施電子安全工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 62443,，與針對(duì)功能安全的 IEC 61508 和 IEC 61784-3 一樣現(xiàn)已被廣泛接受。標(biāo)準(zhǔn)要求使用適當(dāng)?shù)挠布蛙浖_(kāi)發(fā)過(guò)程,。此外,，它定義了五個(gè)安全防護(hù)目標(biāo)等級(jí)，從 0（無(wú)）到 4（防護(hù)具備高教育,、高動(dòng)機(jī)和高資源的攻擊者）,。對(duì)于每個(gè)等級(jí)，它定義了要求,，并提出了與特定的設(shè)備實(shí)施相關(guān)的問(wèn)題,。2）證書(shū)，是安全認(rèn)證的一種手段,。OPC UA 采用 X.509 證書(shū),。例如，為網(wǎng)絡(luò)管理器設(shè)備角色創(chuàng)建的新證書(shū)要求具備該角色的每個(gè)設(shè)備都要擁有實(shí)例證書(shū),，以便能夠配置和控制設(shè)備,。所有其它設(shè)備都配有公鑰網(wǎng)絡(luò)管理器證書(shū)，因此可以建立一條信任鏈,。此外，每個(gè)設(shè)備都附帶它自己的實(shí)例證書(shū),，它是從設(shè)備類(lèi)型證書(shū)派生而來(lái)的,，這個(gè)證書(shū)源自廠商證書(shū)。這樣就可以建立信任鏈,，每家廠商都可以創(chuàng)建其自己的設(shè)備類(lèi)型系列,。設(shè)備類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)管理器證書(shū)可以在認(rèn)證過(guò)程中獲得。在首次認(rèn)證后,，為每個(gè)設(shè)備創(chuàng)建和部署應(yīng)用認(rèn)證,，用于進(jìn)一步認(rèn)證過(guò)程。3）證書(shū)類(lèi)型：網(wǎng)絡(luò)管理器,、網(wǎng)絡(luò)管理器實(shí)例,、設(shè)備類(lèi)型、設(shè)備類(lèi)型實(shí)例,、應(yīng)用程序?qū)嵗?、（機(jī)器）配置。

　　【2.10. OPC-UA-TSN 通訊的用戶(hù)體驗(yàn)與市場(chǎng)展望】

　　1）時(shí)間同步：其準(zhǔn)確度通常通過(guò)各種環(huán)境條件下的外部 PPS 引腳（每秒脈沖）測(cè)量,。在 50 個(gè)設(shè)備的總線中使用 IEEE 802.1AS 進(jìn)行時(shí)間同步的結(jié)果,。每 10 個(gè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室條件下 PPS 精度標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)低于50ns,。2）實(shí)時(shí)性能：根據(jù)工程工具的能力,，對(duì) OPC UA TSN系統(tǒng)的大小和復(fù)雜性沒(méi)有真正的限制,。中期將會(huì)出現(xiàn)多達(dá) 10000 個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)。對(duì)于單個(gè)設(shè)備,，所實(shí)現(xiàn)的最小循環(huán)周期完全取決于所使用的硬件和軟件,。如果有一個(gè)強(qiáng)大的 PLC，其中 200 個(gè)可以在一根電線上運(yùn)行 50?s,。3）用戶(hù)體驗(yàn),，主要因素可以在設(shè)備或系統(tǒng)供應(yīng)商的工程工具中看到。通常在機(jī)械自動(dòng)化中,，客戶(hù)的工程工具來(lái)自于 PLC 供應(yīng)商,。但是，將 IT 和 OT 無(wú)縫融合到現(xiàn)場(chǎng)總線項(xiàng)目中可以實(shí)現(xiàn)比以往更高程度的自動(dòng)化配置,，獨(dú)立于廠商,，從而導(dǎo)致更少的人為干預(yù)。此外,，由于 OPC UA 和 TSN 并非緊密地綁定在一個(gè)特定廠商上,，因此周?chē)纳鷳B(tài)系統(tǒng)要比過(guò)去不同的現(xiàn)場(chǎng)總線大得多。

　　展望未來(lái),，OPC UA TSN 將在許多應(yīng)用中取代今天基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線,，由于：跨廠商、在其它領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,、融合網(wǎng)絡(luò),、大而靈活的拓?fù)洹⑼暾?IIoT 功能,、無(wú)與倫比的性能,、集成安全和現(xiàn)代數(shù)據(jù)建模。針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的相關(guān) OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)和 TSN 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成,，目前主要的芯片制造商正在制造適用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)的產(chǎn)品,，以便很快就能與今天產(chǎn)品的成本相匹配。因此 OPC UA TSN 未來(lái)將變得就像以前的 CAN 一樣普及,。