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前面我们讲了主流的各种工业以太网的市场份额与发展（工业网络市场份额占比大比较—王者究竟属于Profinet,Ethernet/ip还是Ethercat？），也从技术上对各种工业以太网之间的差别进行了分析（各种主流工业以太网比较（ EtherCAT, EtherNet/IP, ProfiNet, Modbus-TCP, Powerlink）），今天我们来讲TSN，从本文开始，本刊也将逐步进入大家所熟知的工业物联网（IIOT），后面还会有NODE-RED，西门子IOT2040实例，Mindsphere, Mendix, Thingworx等逐步登场，感兴趣的小伙伴可以持续关注~
在工业制造领域，需要有可以实时通信的技术来保障和实现设备与设备间的实时、确定和可靠的数据传输。
时间敏感网络（TSN-time sensetive networking）就是为了满足工业实时通讯而生的一套协议标准。作为IEEE802.1工作组中的一套协议标准，定义了以太网数据传输的时间敏感机制，确保了以太网能为关键数据的传输提供稳定保障又一致的服务级别。
“TSN包含多个独立的标准，这些标准只属于OSI通信的第二层。”
如上图所示，TSN作为二层的技术，以Profinet为例，PROFINET等作为应用的协议，可以将PROFINET技术架构在TSN之上，即PROFINET@TSN，这可以更好去解决运动控制、故障安全、时钟同步、闭环控制等实际应用上会遇到的问题。
但是其实，不光是西门子Profinet对TSN表示了支持，大家所熟悉的OPC UA, ETHERCAT，POWERLINK，CC-Link IE等均对TSN提供了支持~
大家可以看看下面：
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、B&R在2017年SPS发布了TSN产品；
7、SIEMENS在2018年汉诺威展发布了Profinet over TSN的产品；
8、2019年三菱发布了CC-Link IE TSN产品；
9、华为、TTTech、CISCO、MOXA、赫斯曼等厂商也发布了TSN交换机产品；
10、在模块领域，国讯芯微即将发布的边缘智能全栈模块NOM-R002将会率先支持TSN。
我们选取OPC UA, PROFINET, ETHERCAT为代表，详解TSN~
PROFINET：普遍适用
通过PROFINET，可提供两种互补型解决方案。PROFINET RT是一种工厂自动化解决方案，周期时间最长为1 ms。RT直接以标准以太网为基础。以太网的可能性（例如，服务质量（QoS，优先级））被用于产生实时流量优先级。这有所帮助，但QoS并不能完全解决资源和延迟问题。这就是限制软实时的原因。与网络中使用的其他协议（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的良好兼容性是该技术的明显优势。
Figure 4. PROFINET IRT.
对于硬实时，PROFINET提供同步实时 (IRT) 扩展。在此，部分以太网带宽通过标准以太网硬件的扩展专门为IRT流量保留。这可以通过IRT节点中的时钟的精确同步来实现。因此，可以在每个周期阻止通道（红色阶段）中的正常流量。只有红色阶段中的IRT帧到达网络。此外，网络参与者准确地在预先计算的时间发送IRT帧，从而在红色阶段实现效率的最大化。IRT帧通过网络，几乎无周跳。这样做的一个优点是它可以红色阶段的长度限制在最低限度；在红色阶段，所有其他流量都必须等待。红色相位最多可以占用以太网通道带宽的50%。
如前所述，全长以太网帧（1552字节）在线路上大约耗时124μs。如果PROFINET IRT占用全部50%的带宽，最快的周期时间为2×124μs=248μs，舍入后为250μs。只有这样，其他协议（如HTTP）才能以不变的形式与其共存。
由于PROFINET 2.3可用于IRT的优化，包括快速转发、动态帧封装和分段，因此可以实现低至31.25μs的更快周期时间。
EtherCAT：以太网现场总线
在EtherCAT的开发过程中，开始时还有其他要求。EtherCAT是基于物理以太网（即第1层）的现场总线。甚至第2层也针对现场总线应用和高吞吐量应用进行了优化。EtherCAT没有经典的以太网桥，使用求和帧电报，使数据传输特别高效。EtherCAT每个周期发送一帧，与普通以太网不同；在后者中，设备间通信涉及每台设备发送单独的帧。但是，此帧包含被寻址设备的所有数据。当EtherCAT帧由设备转发时，该特定设备的数据被实时插入到该帧中并从该帧中取出。通过这种方式，可以实现极短的周期时间，最小低于31.25μs。
EtherCAT还具有时间同步功能。为了将在PC上表现不太理想的以太网接口用作EtherCAT的主设备，人们付出了大量努力。
在EtherCAT下，以太网流量（如Web或TCP/IP流量）只能以背负方式分成小部分传输；不可能在线上直接共存。
其他
POWERLINK采用与EtherCAT相同的基本方法；其取得对以太网的完全控制权，并通过背负方式把IP应用传输到节点。但这是他们唯一的共同点。POWERLINK不使用求和帧协议，然而，它在实际应用中表现同样出色。
与IRT一样，SERCOS有预留带宽，但在其中使用的是求和帧协议。SERCOS允许其他协议共存。
CC-Link IE TSN本文就略过了~
未来利用TSN应用市场规模将远超工业以太网解决方案市场。相较于以前的工业以太网，其技术优势是可扩展性，而且它还更好的优化拓扑结构，因为现在可以针对各个不同的区段选择与之相适应的数据速率。
统一的网络基础设施还有助于相关人员完成建立和维护网络的任务，因为通过TSN，解决方案现在可以用于自动化以外的其它领域，如建筑、工厂自动化以及能源分配等。
未来，TSN的发展将会越来越广泛，这是毋庸置疑的。
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