【1. TSN: Time Sensitive Network 總論】

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

　　TSN 是一項從視頻音頻數(shù)據(jù)領域延伸到汽車領域，并進一步推廣至工業(yè)領域的通訊技術,。最初 IEEE802.1D 與 IEEE802.1Q 無法滿足工業(yè)自動化需求,，因此不同組織開發(fā)了自己的非標工業(yè)以太網(wǎng),，形成今天各家世界級自動化控制廠家工業(yè)通訊協(xié)議（現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)）爭奪標準而混戰(zhàn)的江湖格局。這個工業(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)開始或已經(jīng)融合 TSN 技術,，以順應工業(yè)4.0數(shù)字化時代徹底互聯(lián)互通的重大趨勢。

　　2006 年 IEEE 組建了 AVB（Audio Video Bridging）任務組,，到 2012 年 AVB 終于開發(fā)出適合工業(yè)自動化應用的 IEEE 802.1,，也就是現(xiàn)在所稱的 TSN。

　　AVB 工作組涉及的標準包括：1）IEEE Std. 802.1AS-2011：通用精確時鐘協(xié)議,，在 Layer 2 的 IEEE1588 精確時鐘協(xié)議規(guī)范,；2）IEEE Std. 802.1Qav：時間敏感數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)以及隊列（FQTSS），特定 Credit-Based Shaper （CBS）,；3）IEEE Std. 802.1Qat：流預留協(xié)議,，時間敏感性數(shù)據(jù)流注冊與預留；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 任務組。

　　【1.2. TSN: Time Sensitive Network 為何備受關注,？】

　　工業(yè) 4.0 智能制造時代急需 IT 與 OT 融合實現(xiàn)整個數(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）各個廠家的總線配置太復雜了：不僅給 OT 端帶來了障礙,，且給 IT 信息采集與指令下行帶來了障礙,，因為每種總線有著不同的物理接口、傳輸機制,、對象字典,，即使采用以太網(wǎng)來標準各個總線，但是仍然會在互操作層出現(xiàn)問題,，這使得對于 IT 應用,，如大數(shù)據(jù)分析,、訂單排產(chǎn)、能源優(yōu)化等應用遇到了障礙,，需要每個廠商根據(jù)底層設備不同寫各種接口,、應用層配置工具，對于依靠規(guī)模效應來運營的 IT 而言復雜度過高,，缺乏經(jīng)濟性。2）周期性與非周期性數(shù)據(jù)的傳輸：對于 OT 而言,，其控制任務是周期性的,，因此采用的是周期性網(wǎng)絡，例如輪詢機制,，由主站對從站分配時間片的模式,，而 IT 網(wǎng)絡則是廣泛使用的標準 IEEE802.3 網(wǎng)絡，采用 CSMA/CD 沖突監(jiān)測防止碰撞的機制,，而且標準以太網(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）實時性的差異：對于微秒級的運動控制任務的 OT 而言，要求網(wǎng)絡必須要非常低的延時與抖動,，而對于 IT 網(wǎng)絡則往往對實時性沒有特別的要求,，而對數(shù)據(jù)負載有著要求。

　　TSN 的出現(xiàn),，有助于解決上述幾個障礙：1）通過單一網(wǎng)絡來解決復雜性問題,，與 OPC UA 融合來實現(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)絡中得到傳輸,。3）平衡實時性與數(shù)據(jù)容量大負載傳輸需求,。因此 TSN 被各大 OT 廠商共同關注，希望將其引入制造業(yè)以解決現(xiàn)實中的融合問題,，否則,，網(wǎng)絡將成為推動智能制造的第一個難點。

　　【1.3. TSN: Time Sensitive Network 技術要點概述】

　　IEEE802.3 開發(fā)并維護以太網(wǎng) PHY 和 MAC 標準,，IEEE802.1 開發(fā)并維護 Bridging（AKA Switching）標準,。通過 AVB，以太網(wǎng)進入了實時應用領域,，通過 TSN,，以太網(wǎng)進入硬實時應用。TSN 采用全局時間以及一個時間表,，讓報文穿越多個網(wǎng)絡組件,，通過定義一個時間表用于傳輸報文,，從而確保較低延時傳輸。

　　TSN 目標：1）針對交換網(wǎng)絡的報文延遲得到保障,；2）嚴格的非嚴苛數(shù)據(jù)與時間嚴苛型報文可以在一個網(wǎng)絡中傳輸而無需擔心數(shù)據(jù)碰撞,；3）更高層協(xié)議可以通過實施控制報文機制分享網(wǎng)絡基礎設施；4）在無需網(wǎng)絡或設備變動情況下將組件添加至實時控制系統(tǒng),；5）網(wǎng)絡錯誤可以通過在源頭更為精準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 MAC層的定義，即對數(shù)據(jù)幀進行處理的過程,。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,。

　　TSN 的核心任務：解決時鐘同步,、數(shù)據(jù)調(diào)度與系統(tǒng)配置三個問題。1）所有通信問題均基于時鐘,，確保時鐘同步精度是最為基礎的問題,，TSN 工作組開發(fā)基于 IEEE1588 的時鐘，并制定新的標準 IEEE802.1AS-Rev,。2）數(shù)據(jù)調(diào)度機制：為數(shù)據(jù)的傳輸制定相應的機制,，以確保實現(xiàn)高帶寬與低延時的網(wǎng)絡傳輸。3）系統(tǒng)配置方法與標準,，為了讓用戶易于配置網(wǎng)絡,，IEEE 定義了相應的 IEEE802.1Qcc 標準。

　　TSN 的參考網(wǎng)絡架構(gòu)：每個節(jié)點都有對應的同步時鐘以及數(shù)據(jù)隊列,，看上去像是個路由網(wǎng)絡,，但 TSN 僅占有 MAC 層的定義。Talker 的信息要抵達 Listener 需要經(jīng)過幾個橋接過程,，而在每個節(jié)點上都會有分布式時鐘進行時間的同步計算,，而隊列用于處理數(shù)據(jù)的優(yōu)先級、包括為了高動態(tài)數(shù)據(jù)的快速通道方式,、搶占式機制,。

　　【1.4. TSN: Time Sensitive Network 相關技術標準】

　　IEEE802.1 實時工作組，專門開發(fā)TSN的標準,，以及組織企業(yè)的測試等工作,。

　　1）IEEE802.1AS-Rev 時鐘同步架構(gòu)：實現(xiàn)高精度的時鐘同步。對于 TSN 而言,，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時”,，而是“最差狀態(tài)下的延時”，對于確定性網(wǎng)絡而言，最差的延時才是系統(tǒng)的延時定義,。

　　2）IEEE802.1AS-Rev 的分布式時鐘網(wǎng)絡：以太網(wǎng)第二層所定義的 1588 規(guī)范,，它的修訂包括了對鏈路聚合 802.1AX 的支持，包括 1 步時間戳標準化處理以及針對長鏈,、環(huán)的支持,，更好的響應能力，更快的主站交互,、降低 BMCA 收斂時間,；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,；對無線網(wǎng)絡采用時間測量,，提供更好的支持。

　　3）IEEE802.1Qbv 時間感知隊列：TSN 的核心在于時間觸發(fā)的通信原理,，在 TSN 網(wǎng)絡中有“Time-aware Shaper-TAS”概念，這是確定性報文序列的傳輸方式,，被標準化為 IEEE802.1Qbv,。通過時間感知整形器（Time Aware Shaper）概念，我們可通過 TSN 使能交換機來控制隊列報文,，以太網(wǎng)幀被標識并指派給基于優(yōu)先級的 VLAN Tag,，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊列報文的在預定時間窗口在出口執(zhí)行傳輸,。其它隊列將被鎖定在預定時間窗口里,，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。因此每個交換機的延遲是確定的,，而在 TSN 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)報文延時被得到保障,。

　　TAS 介紹了一個傳輸門概念：這個門有“開”、“關”兩個狀態(tài),。傳輸?shù)倪x擇過程：僅選擇那些數(shù)據(jù)隊列的門是“開”狀態(tài)的信息,。而這些門的狀態(tài)由網(wǎng)絡時間表進行定義。關閉到非時間表的門是另一種提供對時間嚴苛型報文進行帶寬與延時保障的方法,。TAS 保障時間嚴苛報文免受其它網(wǎng)絡信息的干擾,，它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲，如果當這些因素真的非常重要時,，我們還可以額外使用搶占機制,。在網(wǎng)絡進行配置時隊列就分為 Scheduled Traffic、Reserved Traffic,、Best-effort Traffic 三種,，對于 Schedule 而言則直接按照原定的配置時間通過，其它則按優(yōu)先級。Qbv 主要為那些時間嚴苛型應用而設計,，其必須確保非常低的抖動和延時,。Qbv 確保了實時數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實時數(shù)據(jù)的交換,。

　　4）IEEE802.1Qbu 與 IEEE802.3br 轉(zhuǎn)發(fā)與隊列機制：對于高帶寬的非時間嚴苛型應用而言,，Qbu 設計了搶占機制，當出現(xiàn)優(yōu)先級更高數(shù)據(jù)包傳輸時,，立即中斷當前傳輸,，被中斷的傳輸從中斷點處被重發(fā)。IEEE 802.1Qbu 與 IEEE 802.3br（IET 分散快速報文）一同工作于標準化的搶占機制上,。該標準能夠解決 IEEE802.1Qbv 所描述的 TAS 為避免傳輸抖動而在嚴苛型數(shù)據(jù)幀到來之前,，鎖存低優(yōu)先級序列的問題（在1最大干擾幀持續(xù)時間內(nèi)）。

　　在支持由 IEEE 802.1Qbu 定義的優(yōu)先級的鏈路上,，我們可以中斷標準以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸,，以允許高優(yōu)先級幀的傳輸，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行的傳輸?shù)耐ㄐ胚x項是有利的,，例如，以允許即時傳輸預定的消息并確保最小的通信延遲,，或者促成具有大量預定流量的網(wǎng)絡鏈路上的最大帶寬使用率,。對于 IEEE802.1Qbu 的搶占而言，正在進行的傳輸可以被中斷,，報文按等級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 設計了快速幀的 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 配合進行增強型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),。

　　5）IEEE802.1Qcc 系統(tǒng)配置：Qcc 用于為 TSN 進行基礎設施和交換終端節(jié)點進行即插即用能力的配置。采用集中配置模式,，由 1 或多個 CUC（集中用戶配置）和 1 個 CNC（集中網(wǎng)絡配置）構(gòu)成,。CUC 制定用戶周期性時間相關的需求并傳輸過程數(shù)據(jù)到 CNC，CNC 計算 TSN 配置以滿足需求,。CUC 用于 OPC UA Pub/Sub,；CNC 用于 OPC UA C/S，也會有其它用于應用協(xié)議,。如安全,。配置采用標準化的配置協(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,，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，對不同的 Qbv,、Qbu,、QCB 的配置。

　　6）IEEE802.1CB 冗余數(shù)據(jù)傳輸：為了實現(xiàn)冗余管理機制以實現(xiàn) HSR（高可用無縫冗余-IEC62439-3）和 PRP（并行冗余協(xié)議,，IEC62439 C4）,。為了增強可用性，報文被冗余拷貝在一個并行的網(wǎng)絡通道里?，F(xiàn)存的標準,，路徑控制與預留 IEEE802.1Qca，定義了如何設置此路徑,。冗余管理機制將這些冗余幀合并并產(chǎn)生一個獨立的信息流到接收端,。TSN 工作組已經(jīng)實現(xiàn)這一標準的最終版本。

　　7）TSN 相關標準及進程：IEEE TSN 工作組正在推動相關的標準的落定,，相關標準與 2017 年進程如下所示,。

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

　　對于傳統(tǒng)的工業(yè)實時以太網(wǎng)技術而言，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)絡轉(zhuǎn)至 IEEE802.1 的 TSN 網(wǎng)絡,，可以直接采用 TSN 網(wǎng)絡來實現(xiàn),，而無需修改原有協(xié)議棧。應用層可以采用 OPC UA 的機制,，并且支持 Pub/Sub 機制,。1）TSN 將為工業(yè)網(wǎng)絡開啟關鍵控制應用，例如機器人控制,，驅(qū)動器控制和視覺系統(tǒng),。這種連通性可以讓用戶和供貨商更容易從這些系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，并對這些系統(tǒng)提供預日常的防性維護和優(yōu)化,。2）支持快速生產(chǎn)重構(gòu),，降低工廠停工時間。3）在整個工廠診斷集成中提高正常運行時間,。

　　【1.6. TSN: Time Sensitive Network 的推動成員與測試平臺】

　　在 2016 年的 SPS 上各個廠商宣布了對 OPC UA TSN 的支持,，包括了 ABB、B&R,、Bosch,、Rexroth、CISCO、GE,、NI,、KUKA、Parker,、Phoenix,、Schneider、SEW,、TTTech 等主流自動化與 IT 廠商,。當前在 NI 有針對 OPC UA+TSN 的 Testbed，而來自于對 TSN 支持的各個廠商正在對其進行測試與互操作測試,。

　　TSN 測試臺特點：1）基于 IEEE 802.1 時間敏感網(wǎng)絡（TSN）的單獨網(wǎng)絡上結(jié)合各種臨界流,；2）展示使用標準的聚合性的以太網(wǎng)的實時性能和不同供應商產(chǎn)品的協(xié)同性；3）展現(xiàn) IIoT 在高性能和延遲敏感應用合作方面的能力,；4）提供智慧邊緣云控制系統(tǒng)與 IIoT 基礎設施及應用的集成要點,；5）機器人，多軸運動機器,，視覺,，IO和機器健康/診斷的混合重構(gòu)生產(chǎn)；6）M2M 層和 IIoT 層集成,。

　　TSN 設備測試內(nèi)容：1） 在不同的供應商之間建立TSN流,；2）顯示 TSN 保護來自于高帶寬流的臨界流能力；3）非 TSN 流進入 TSN 流的網(wǎng)關,；4）CUC 到 CNC APIs（TSN 流要求）的測試,；5）CNC 到網(wǎng)絡基礎設施（預定分布）的測試；6）TSN 上 OPC UA Pub-Sub 的數(shù)據(jù)一致性,。

　　TSN 預示著 IT 與 OT 的融合,，這將為未來的 OICT 融合、邊緣計算,、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 是針對嵌入式應用的 OPC 通訊標準的重大發(fā)展,，旨在為嵌入式設備在較小空間內(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結(jié)構(gòu),；3）帶有內(nèi)置的安全模型,，可以根據(jù) IEC62443 來實施安全系統(tǒng)。但是 OPC UA 目前不太適合用于現(xiàn)場級通訊控制,，限制了其一網(wǎng)到底的能力,。

　　OPC UA TSN,，就是時間敏感網(wǎng)絡 TSN 與 OPC UA 的融合，將 IT 和 OT 無縫融合到工業(yè)通訊項目中,，從傳感器到云端建立全面的通訊基礎結(jié)構(gòu),。TSN 能把 PROFINET 等實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線和 OPC UA 共享到同一個通訊設施上，識別底層 IO 設備,，所以實現(xiàn)了從現(xiàn)場層,、控制層、管理層直到云端的數(shù)據(jù)通訊,。OPC UA TSN 并不會與某特定廠商綁定,，從而減少出于非技術原因的人為干預，其適用性比過去各種不同的現(xiàn)場總線寬廣得多,。

　　【2.2. OPC-UA-TSN 對工業(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,，主要是按照自動化系統(tǒng)金字塔來組織的：在塔頂?shù)挠嬎銠C層，使用標準的 IT 協(xié)議（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）,。對于機器間和過程通訊（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,。在機器內(nèi)部（設備和傳感器層）,，具有硬實時能力（也被稱為實時以太網(wǎng)）的協(xié)議占據(jù)主導地位。雖然這些技術有著共同的要求,，但是它們的實施差別很大,。因此,，比較它們是一件復雜的事情,，并且很大程度上取決于預期的應用（過程控制、運動,、I/O,、集中式和分布式控制等）。而未來使用OPC UA（和 TSN）實現(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】

　　通常會分成低速與高速兩大類 Case 進行比較：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)有技術比較,，比較過程中用到的方程參數(shù)對于每個廠家來說眾說紛紜,，所以此處不贅述。比較的前提是：總線型拓撲,，輸出數(shù)據(jù) = 40% 的輸入數(shù)據(jù),，交叉通信用于 20% 的設備，常用術語如下,。

　　實際應用中,，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備的百分比,；3）利用不同的循環(huán)周期,；4）拓撲結(jié)構(gòu)（總線型、星型,、環(huán)型）,，以及設備之間的跳數(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用中,，轉(zhuǎn)發(fā)延遲短的設備至關重要，OPC UA TSN 循環(huán)周期的計算是基于基礎結(jié)構(gòu)與基于交換式以太網(wǎng)兩者的組合,，可實現(xiàn)的循環(huán)周期更低,，大約低了 18倍，若現(xiàn)今的現(xiàn)場總線技術機制不變,，相比具有千兆位電路的假想設備則低了近 2 倍,。

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

　　開發(fā) OPC UA TSN 的公司擁有多種 TSN 標準,，可選擇正確的功能特性,。一種新通訊技術，匹配傳統(tǒng)技術,，外推到整個工業(yè)自動化市場,，如果想要得到廣泛采用，其解決方案必須同時支持所有當前使用的工業(yè)通信類型,。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,，但在細微差別方面又有所不同：從每個循環(huán)擁有不同發(fā)送、傳播和接收周期的硬實時通信,；到有或無時間同步的周期性通信,；到多種來源的非周期性通信，例如其中的 TCP/IP 在有些情況下,，網(wǎng)絡控制,、診斷信息和用戶控制消息有不同的優(yōu)先級。一個融合的網(wǎng)絡需要支持所有這些工業(yè)通信類型,，即使不在特定應用中使用,，用于實施的形成機制的選擇需具備全球化標準,。TSN 保證了不同通信類型共存的可能性，同時保留實時通信的定時特性,。一些現(xiàn)有的實時網(wǎng)絡（例如 PROFINET,、EtherNet/IP）使用通信規(guī)劃和 QoS 來保證在設備運行良好條件下的行為。由于將 TSN 用作數(shù)據(jù)鏈路層,，因此這些技術可以更好地利用帶寬效率,，因為 TSN 無條件保護了高優(yōu)先級的通信。

　　【2.5. OPC-UA-TSN 測試平臺的設置】

　　百兆工業(yè)以太網(wǎng)技術已經(jīng)達到了非常高的成熟度,，這意味著幾乎所有的現(xiàn)有設備都能夠提供全面的網(wǎng)絡性能,。而對于千兆技術而言，事實并非如此,。因為千兆將交換網(wǎng)絡的性能提高了約 10 倍,。幀聚合、優(yōu)化標頭和超低直通延遲可以進一步提高約 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行優(yōu)化。許多原型設備已經(jīng)實施并測試,，例如在 IIC 試驗臺上：1）基于運行 Linux 的單端口工業(yè) PC,，2）模塊化 I/O 模塊的頭站，具有兩個外部網(wǎng)絡端口,，也運行 Linux OS,。測試設置的主要拓撲結(jié)構(gòu)與設備構(gòu)成如下，包含,；數(shù)字量 I/O 模塊,、工業(yè) PC、高清攝像頭,、標準工業(yè)面板,、工業(yè) TSN 交換機，200 個設備部署在四條總線中,，每條線 50 個設備,。

　　【2.6. OPC-UA-TSN 通訊技術標準概述】

　　下圖說明了 OPC UA TSN 所使用的協(xié)議、服務的概述,、以及它們?nèi)绾芜m應 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）,，對于過程自動化,，已經(jīng)成立了一個工作組來開發(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)行機構(gòu)設備,、以及 Zone 1 防爆危險區(qū)。

　　2）數(shù)據(jù)鏈路層：802.1 標準化了以太網(wǎng)交換機（稱之為“網(wǎng)橋”）,，802.3 標準化了以太網(wǎng)端點,。與工業(yè)通訊相關的標準：IEEE 802.1AS-Rev：IEEE 1588-2008 時鐘同步標準的協(xié)議是為解決導致 IEEE 802.1AS 中更大的以太網(wǎng)系統(tǒng)而開發(fā)和采用的?？上烧卟⒉患嫒?。在 TSN 工作組中，正在開發(fā) IEEE 802.1AS（,。1ASRev）的修訂版,。此修訂版解決了最高級冗余和多時鐘域（例如，同時分配工作時鐘（同步傳輸?shù)幕A）和掛鐘（例如,，記錄消息））的機制,。。1AS-Rev 計劃于 2018 年發(fā)布,；出于互操作性和接近最終方案的考慮,，建議機器、工廠和過程自動化廠商實施 .1AS（而不是 IEEE 1588）,。另外 802.1AS 是 AVnu 和 IEEE TSN 任務組推動的默認解決方案,。IEEE 802.1Qbv：用于實時保證的同步傳輸。它規(guī)定了傳輸窗口,，以保證有界延遲和較小抖動,。Qbv 也可以周期性地給予出口隊列優(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,，以保證某些通信類別擁有帶寬預留和有界延遲。主要的應用是音頻/視頻廣播,。IEEE 802.1Qcc：該標準提供了用于 TSN 配置的協(xié)議,、程序和管理對象的規(guī)范，主要用于已經(jīng)運行的系統(tǒng),，具有三種配置模型：完全集中式模型,，適用于所有 TSN 機制，在使用 Qbv 時是必備的,；完全分布式模型,，適用于無需改變調(diào)度（或不使用 Qbv 機制）時；集中式網(wǎng)絡/分布式用戶模型,。由于同步通信經(jīng)常用于工業(yè)網(wǎng)絡,，Qbv 機制的使用是必然的,，因此我們使用完全集中式的配置模型。該模型指定了 CUC（集中式用戶配置）和 CNC（集中式網(wǎng)絡配置）功能,。CUC 指定了關于循環(huán)周期和傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)的用戶要求,，并將其傳輸給 CNC。CNC 會計算 TSN 配置,，包括通訊調(diào)度必須通過使用標準的 YANG 模型滿足要求,。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（網(wǎng)橋）。CNC 將端點配置發(fā)送到 CUC,。RESTCONF 應用作 CUC 和 CNC 之間的通訊協(xié)議,。CUC 然后將端點配置分發(fā)到相應的端點。TSN Configuration Broker （TCB）：Qcc 不會進一步指定協(xié)議以及 CUC 和端點之間的功能（因為這是專用的）,。當工作在 OPC 基金會 TSN 工作組內(nèi)針對基于 OPC UA Pub/Sub TSN 的系統(tǒng)的標準 CUC 接口上時,，所有 CUC 的共同功能已被確定和進一步明確。TSN Configuration Broker （TCB） 一方面從端點提取出了不同的 IEEE Qcc 配置模型,，另一方面為流預留/實例提供了標準化的功能,。TCB 由駐留在端點的 TCB 客戶端和集中式 TCB 服務器組成。TCB 客戶端與服務器之間的 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)絡配置的有效方式，特別適用于幾乎不需要應用程序配置的資源受限設備（因此沒有可用的 OPC UA 客戶端或服務器）,。IEEE 802.1CB：用于為環(huán)型和網(wǎng)格拓撲提供無縫冗余,。1CB 允許冗余規(guī)劃在每個數(shù)據(jù)流的基礎上，這樣可以實現(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）機制的情況下,，幀搶占可以用來最大化盡力而為業(yè)務的吞吐量。搶占不適合盡力而為以外的通信類型,，因為它會使這些通信類型的任何保證無效,。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 的流預留協(xié)議擴展,。該項目剛剛發(fā)起。它定義了一個可供選擇的目前不兼容的配置路徑（也稱為“完全分布式配置模型”）,，適用于 III 類通信（和盡力而為）的應用,，因此在工業(yè)應用中的使用有限。綜上,，強制性標準是 .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)盟正在定義實施這些標準的一致性和互用性準則,。

　　3）第 3~6 層：對于 OPC UA 客戶端/服務器,，支持帶可選安全（TLS）的 TCP/IP 連接。對于 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,。對于設備上的固件升級和 Web 應用程序，可選用 HTTP（S）,。

　　4）應用層：OPC UA 在應用層上采用包括支持客戶端/服務器和發(fā)布/訂閱通訊模型,。所有設備上的 OPC UA 服務器應支持嵌入式服務器協(xié)議。對于資源有限的設備,，只能利用發(fā)布功能提供數(shù)據(jù)和 TCB 客戶端進行網(wǎng)絡配置,。客戶端/服務器：用于設備配置,、瀏覽信息模型,、記錄診斷信息等的通訊模型。對于安全應用程序,，設備配置應提供數(shù)據(jù)完整性（簽名）和可選的機密性（加密）,。發(fā)布/訂閱（簡稱：Pub/Sub）：用于循環(huán)傳輸?shù)耐ㄓ嵞Ｐ汀Ｍㄟ^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。

　　上圖是個網(wǎng)絡調(diào)度示例：調(diào)度中同步輸入幀的時空圖,，在主站內(nèi)端口的 Qbv 門控事件,，在 S5 左端口的 Qbv 門控事件，它有一個主站（M）和七個從站（S1…S7）,。在類型 1 中,，所有從站都向主站發(fā)送相同大小的幀。調(diào)度計算是這樣的,，幀一個接一個不停地達到主站,，在那里第一個從站在循環(huán)開始處發(fā)送它的幀。關于主站內(nèi)端口的 Qbv 配置,，它在那里接收幀（循環(huán)開始于 90°）,。類型 1 的門在循環(huán)開始（t0）不久打開，并保持打開，直到接收到所有幀后關閉（t1）,。在這段時間里,，沒有其它門打開。之后,，類型 2-8 的門同時打開,。類型 2 在所有剩余時間內(nèi)保持打開，給予網(wǎng)絡控制通信最高優(yōu)先級（如果發(fā)生這種通信）,。接下來,，類型 4 的門關閉（t2），給予類型 5 一些時間,，具有最高優(yōu)先級等等（t3,、 t4）。顯示了 S5 左端口的 Qbv 配置,。類型 1 的門向朝向主站的三個幀（t0…t1）打開,，隨后打開其它類型的門。因此,，在整個網(wǎng)絡中,，類型 4 至 6 和 8 的帶寬保證是相同的。

　　5）其它所需功能特性：設備角色,，第 5 部分介紹了協(xié)調(diào) OPC UA TSN 設備的網(wǎng)絡啟動和操作所需的功能特性,。角色（幾乎）獨立于運行的硬件。狀態(tài)機：工業(yè)網(wǎng)絡中的終端站必須有統(tǒng)一的行為,，它根據(jù)狀態(tài)機定義（見第 IV 部分）,。這使得中心實例（即網(wǎng)絡管理節(jié)點）協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡成為可能。許多工業(yè)以太網(wǎng)解決方案實施的狀態(tài)機基于 CiA 的想法,。拓撲檢測：實時通信的調(diào)度需要詳細了解網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),。拓撲可以在配置工具中進行檢測（使用 LLDP）和導入，或離線創(chuàng)建,。CNC（第 5 部分）使用此信息來計算 Qbv 和 Qav 的配置,。直通交換：在交換式網(wǎng)絡上可實現(xiàn)的循環(huán)周期性能很大程度上取決于幀傳輸?shù)难舆t。特別是對長的總線型或環(huán)型拓撲構(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)一個幀）構(gòu)成了現(xiàn)場設備中 3 端口交換機不可或缺的一個功能特性。在使用千兆物理層時,，轉(zhuǎn)發(fā)延遲包括遠低于 1?s 的 PHYs 是必需的,，即 800ns。設備子協(xié)議：在工業(yè)通訊系統(tǒng)中,，每個 OSI 層都需要確?；ゲ僮餍?。違反互操作性的最低層構(gòu)成了整個系統(tǒng)互操作性的最高層，獨立于任何更高層,。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 技術陷入相同的困境,，其目標是使用所有七個 OSI 層（用于設備間通訊）共同實施，此外還具有標準的設備子協(xié)議和特定類型的設備子協(xié)議,。設備描述文件：在 OPC UA 領域內(nèi),，一個設備由其服務器實例來表示,，其功能特性可以隨時在線瀏覽,。雖然在線瀏覽對一些工業(yè)用例就足夠了，它們具有很高的重復程度,，如連續(xù)機器制造,，但仍要求離線方法用于對設備進行配置和編程。因此,，設備的所有相關功能特性（OPC UA,、應用程序和網(wǎng)絡功能）都需要在文件中進行描述，從而替代對設備的在線訪問,。

　　【2.7. OPC-UA-TSN 通訊的配置與啟動】

　　幾乎所有現(xiàn)場總線系統(tǒng),，無論是否基于實時以太網(wǎng)，都提供網(wǎng)絡管理的機制,。這些機制會啟動網(wǎng)絡設備,，通過一系列狀態(tài)將其轉(zhuǎn)換為操作狀態(tài)；啟動設備檢測,，在運行時處理和發(fā)出錯誤信號,；或者執(zhí)行必要的程序來替換故障設備。狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括網(wǎng)絡設備識別等功能（確保設備可以在網(wǎng)絡上到達,，匹配預期的廠商/型號等）,。它們也可用于執(zhí)行任何必要的配置/固件更新，隨后通知設備傳輸有效的過程數(shù)據(jù)（如果設備上的應用程序準備好這樣做）,，并評估收到的過程數(shù)據(jù)（如果控制網(wǎng)絡的中央網(wǎng)絡實例決定這樣做）,。在各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，許多現(xiàn)有的網(wǎng)絡管理實施將所有這些功能結(jié)合在一個設備中（即PLC）,。這項工作的目標明確,，就是將這些功能分離和解耦成所謂的設備角色，這樣理論上每個角色都可以在網(wǎng)絡內(nèi)的不同設備上實施,。多實例和設備角色冗余也應解決,。如下圖所示,，不同角色及其通訊關系，啟動時通過終端設備的狀態(tài)機進行漫游,。狀態(tài)本身是強制性的,。但是，如果地址和配置進行本地存儲,，那么大多數(shù)狀態(tài)可以快速通過,。

　　【2.8. OPC-UA-TSN 通訊的角色管理】

　　對于機器網(wǎng)絡而言，需要一些網(wǎng)絡功能,，以達到啟動和運行期間在網(wǎng)絡中定義的狀態(tài),。這些功能可以分組，并分配給設備角色,。以下列出眾所周知的針對 IT 和 OT 系統(tǒng)的設備角色以及針對 OPC UA TSN 的新設備角色：1）當前需要的備角色,，TSN 交換機：它們構(gòu)成了一個 OPC UA TSN 網(wǎng)絡的網(wǎng)絡基礎設施。多端口交換機用于從鳥瞰角度設置網(wǎng)絡拓撲,，而帶兩個外部（和一個內(nèi)部）端口的交換機駐留在交換終端站,，便于在總線型拓撲中進行有效布線。交換機的狀態(tài)機添加狀態(tài)以防止網(wǎng)絡環(huán)路中的信息風暴,。DHCP（服務器）：DHCP 是一種從池中分配 IP 地址并將其分配給未配置的設備的機制,。此外，大多數(shù) DHCP 服務器實施允許在第 2 層 MAC 地址和第 3 層 IP 地址之間進行靜態(tài)綁定,。這些功能特性的組合可以使用臨時 IP 地址啟動未配置的設備（具有未知的 MAC 地址）,，并且在成功識別后（可能是驗證）分配預先配置的地址。DNS（服務器）：DNS 是解決 IP 地址描述性名稱（即主機名）的機制,。所有更高層協(xié)議和服務,，包括工程和配置工具，隨后都可以使用易于記憶的主機名,。祖時鐘：該術語來自于針對精確時鐘同步的 IEEE 1588 標準,，已被 IEEE 802.1AS 采用。它指的是網(wǎng)絡中具有主站功能的最精確的時鐘設備,。它可以通過最佳主時鐘算法（BMCA）自動選擇為網(wǎng)絡的時間主站,。或者在 .1AS 中,，也可以預定義時鐘層級,。OPC UA GDS：OPC UA 的全局發(fā)現(xiàn)服務器（GDS）負責 OPC UA 服務器的企業(yè)級管理。它通過“功能”和地址列表促進發(fā)現(xiàn),，創(chuàng)建并分發(fā)針對安全連接的應用證書,。目錄服務（可選）：此類 IT 服務（例如微軟的活動目錄）用于企業(yè)級資產(chǎn)、用戶和角色管理,，包括個人數(shù)據(jù),、訪問權限（對文件,、程序）、證書管理等,。在 OT 環(huán)境中使用這些可以在組織效率方面快速見效,。TSN CUC：集中式用戶配置（CUC）是一個在 IEEE 802.1Qcc 標準中定義的角色，任務是配置終端節(jié)點（或其應用程序網(wǎng)絡的用戶）,。這包括網(wǎng)絡配置,，用于與 CNC 通訊。TCB：TCB 客戶端/服務器是 CUC-CNC 通訊功能加上終端站網(wǎng)絡配置的標準化實施,。TCB 服務器收到來自 CUC 的要求,，將要求轉(zhuǎn)發(fā)給 CNC，它會調(diào)度數(shù)據(jù)流并將結(jié)果報告給 TCB 服務器,。最后,，TCB 服務器會將如何使用調(diào)度的數(shù)據(jù)流的報告發(fā)回終端站。TSN CNC：集中式網(wǎng)絡配置（CNC）有兩個主要任務：第一是計算網(wǎng)絡調(diào)度,，第二是將網(wǎng)絡調(diào)度的參數(shù)分配給基礎結(jié)構(gòu)組件（以太網(wǎng)交換機）,。對于后者支持互操作性,，協(xié)議的選擇很關鍵,。NETCONF 由于其廣泛的可用性、技術成熟度和操作配置的可能性已成為首選技術,。2）新的設備角色,，以下列出網(wǎng)絡中受現(xiàn)今現(xiàn)場總線架構(gòu)啟發(fā)的邏輯功能。為了運行 OPC UA TSN 網(wǎng)絡,，實施這些角色并非嚴格強制,。但是，沒有它們,，啟動和運行網(wǎng)絡將需要頻繁,、大量的手動干預。所有設備角色都是跨廠商的,，因此可以實現(xiàn)互操作,。應用從站：這是具有最多實例的角色。它主要通過狀態(tài)機來管理其操作模式和一些遠程配置功能,。例如 I/O,、驅(qū)動器和閥。應用主站：傳統(tǒng)現(xiàn)場總線中的 PLC 或邊緣控制器的角色,。從網(wǎng)絡基礎結(jié)構(gòu)的角度來看,，應用從站和應用主站沒有區(qū)別。但是,，就計算性能而言,，應用功能和 TSN 功能可能差別很大,。配置服務器：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制文件的一個（分布式）數(shù)據(jù)庫。文件內(nèi)容是廠商特定的,，可以是駐留在設備上的任何東西,，從 FPGA 比特流、編譯的應用程序代碼和配置文件,，到圖像,、數(shù)據(jù)表和維護視頻。網(wǎng)絡管理器該角色連接到工程工具,，并保存關于應用程序分發(fā)的所有信息,。網(wǎng)絡管理器通過啟動過程引導所有設備，并觸發(fā)所需動作,，如地址分配和固件/配置更新,。網(wǎng)絡管理器：該角色連接到工程工具，并保存有關應用程序分發(fā)的所有信息,。網(wǎng)絡管理器通過啟動過程指導所有設備,，并觸發(fā)所需操作，如地址分配和固件/配置更新,。3）用戶角色,，除了設備角色（在授權執(zhí)行某些管理功能如升級設備固件的網(wǎng)絡上代表“用戶”）之外，一組針對人與網(wǎng)絡交互的預定義的用戶角色應該是可用的,，如管理員,、用戶和維護。

　　【2.9. OPC-UA-TSN 通訊的安全性和證書】

　　1）安全性可能成為區(qū)別 OPC UA TSN 和傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的一個關鍵的功能特性,，因為它無法被簡單地添加到系統(tǒng)中,。用于實施電子安全工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)的國際標準 IEC 62443，與針對功能安全的 IEC 61508 和 IEC 61784-3 一樣現(xiàn)已被廣泛接受,。標準要求使用適當?shù)挠布蛙浖_發(fā)過程,。此外，它定義了五個安全防護目標等級,，從 0（無）到 4（防護具備高教育,、高動機和高資源的攻擊者）。對于每個等級,，它定義了要求,，并提出了與特定的設備實施相關的問題。2）證書,，是安全認證的一種手段,。OPC UA 采用 X.509 證書。例如,，為網(wǎng)絡管理器設備角色創(chuàng)建的新證書要求具備該角色的每個設備都要擁有實例證書,，以便能夠配置和控制設備,。所有其它設備都配有公鑰網(wǎng)絡管理器證書，因此可以建立一條信任鏈,。此外,，每個設備都附帶它自己的實例證書，它是從設備類型證書派生而來的,，這個證書源自廠商證書,。這樣就可以建立信任鏈，每家廠商都可以創(chuàng)建其自己的設備類型系列,。設備類型和網(wǎng)絡管理器證書可以在認證過程中獲得,。在首次認證后，為每個設備創(chuàng)建和部署應用認證,，用于進一步認證過程,。3）證書類型：網(wǎng)絡管理器、網(wǎng)絡管理器實例,、設備類型,、設備類型實例、應用程序?qū)嵗?、（機器）配置,。

　　【2.10. OPC-UA-TSN 通訊的用戶體驗與市場展望】

　　1）時間同步：其準確度通常通過各種環(huán)境條件下的外部 PPS 引腳（每秒脈沖）測量。在 50 個設備的總線中使用 IEEE 802.1AS 進行時間同步的結(jié)果,。每 10 個設備進行測量,。實驗室條件下 PPS 精度標準偏差遠低于50ns,。2）實時性能：根據(jù)工程工具的能力,，對 OPC UA TSN系統(tǒng)的大小和復雜性沒有真正的限制。中期將會出現(xiàn)多達 10000 個設備的系統(tǒng),。對于單個設備,，所實現(xiàn)的最小循環(huán)周期完全取決于所使用的硬件和軟件。如果有一個強大的 PLC,，其中 200 個可以在一根電線上運行 50?s,。3）用戶體驗，主要因素可以在設備或系統(tǒng)供應商的工程工具中看到,。通常在機械自動化中,，客戶的工程工具來自于 PLC 供應商。但是,，將 IT 和 OT 無縫融合到現(xiàn)場總線項目中可以實現(xiàn)比以往更高程度的自動化配置,，獨立于廠商，從而導致更少的人為干預,。此外,，由于 OPC UA 和 TSN 并非緊密地綁定在一個特定廠商上,，因此周圍的生態(tài)系統(tǒng)要比過去不同的現(xiàn)場總線大得多。

　　展望未來,，OPC UA TSN 將在許多應用中取代今天基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線,，由于：跨廠商、在其它領域廣泛應用,、融合網(wǎng)絡,、大而靈活的拓撲、完整的 IIoT 功能,、無與倫比的性能,、集成安全和現(xiàn)代數(shù)據(jù)建模。針對工業(yè)應用的相關 OPC UA 標準和 TSN 標準已經(jīng)完成,，目前主要的芯片制造商正在制造適用于現(xiàn)場設備互聯(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 未來將變得就像以前的 CAN 一樣普及,。