特性通信与网络
公共网络基础:Avnu Alliance文档介绍了一个启用tsn的系统架构

2017年9月19日—随着围绕物联网标准化的意识持续增长，越来越多的人开始关注实现分布式测量和控制解决方案互操作性的必要性。

为了在网络层面促进这种互操作性，电气和电子工程师协会(IEEE)的时间敏感网络(TSN)任务组正在制定一套标准，将时间同步和低延迟通信机制添加到标准以太网中，为先进的制造和产品模型建立基础，在这些模型中，数据可以在控制系统的各层之间更可预测和灵活地共享。

Avnu Alliance，一个行业联盟驾驶开放，基于标准的确定性网络，看到了为工业市场提供了最佳实践文档的机会，可提供系统架构和实施要求，以创建支持TSN的系统和应用程序的支持广泛工业用例。通过会员捐款和合作，AVNU联盟产业部门成员已发布了适用于工业市场的TSN系统的运营理论（即运营理论）最佳实践文件。技术文件描述了对多种工业用例的要求，包括机器控制和过程自动化，并提供了支持这些应用程序可以构建的TSN的系统架构。该文档还解释了TSN和相关标准在架构中的作用，并描述了架构中每个组件的执行注意事项，包括结束站，桥梁和软件控制器。

随着TSN和相关标准的应用继续发展，该文件也将进化以增加新功能。

介绍和范围
标准以太网已经发展到能够支持下一代控制系统。IEEE 802、Internet工程任务组(IETF)和其他标准小组最近的工作扩展了在标准以太网网络上操作时间敏感系统的能力，支持各种应用和市场，包括专业音频/视频、汽车和工业。这些标准主要由IEEE 802.1 TSN任务组驱动，定义了使用标准以太网技术创建分布式、同步、实时系统的新机制，允许在同一网络上汇聚低延迟控制流量和最大努力流量。

为了实现共享tsn网络的互操作使用，Avnu选择并认证一组底层机制来满足给定市场的需求。Avnu的重点是创建一个公共网络基础，以便多个行业组织或供应商应用程序和协议可以共享一个启用tsn的网络，如图1所示。

^{数字：Avnu Alliance}

操作理论文档的目标读者是用于解决工业控制问题的产品的开发人员。由于该文档特别描述了桥接、端站和桥接端站的体系结构参考模型，因此产品开发人员获得了实现启用tsn的产品所需的知识。

工业用例和要求
本节概述了TSN的两种工业应用，指出虽然这些应用的具体要求不同，但它们在分布式传感、逻辑和驱动方面都有共同的需求。

工业自动化
图2中的图表概述了工业过程控制用例，描述了四个机器部分，该部分包括单个机器。在这个例子中，最终用户在全球拥有七个制造场所，每位网站有15台机器。不同的OEM将每个部分的机械设备分配到过程中，每个OEM专门从事IT控制的过程中的一部分。

机器的每个部分都是同步和协调的，以创建一个最终产品，启用TSN的交换机支持多个IEEE 1588时间同步配置文件之间的并发或转换，为现有产品和技术提供了一个迁移路径，以纳入更广泛的TSN价值主张。在路由器层面，IETF的DetNet计划将告知在独立的第三层网络之间如何进行确定性通信。

机器控制
制造用于制造、组装和测试的工业机械的公司正在不断升级他们的机器的能力。这些升级后的功能越来越依赖于机器内部和机器之间的自由流动数据，从机器到用户的企业，再到远程机器构建器的远程设施。这种信息流降低了机器定制的成本，增加了机器的可用性，并可以为最终用户提供更简单的集成到他们的设施和物流系统。它允许机器制造商在操作效率、支持服务和消耗品管理方面拥有更大的所有权。

为了满足现代机器中高速运动控制子系统的稳定性和可靠性要求，网络需要在驱动器/传感器和控制器之间以<100 μs的延迟一致地传递控制数据包。运动轴也需要协调，要求节点之间的时间同步小于1 μs。在没有TSN增强的情况下，通过标准共享以太网实现这些性能要求需要高水平的技术能力，并可能导致规范的网络架构。通过对标准以太网的TSN增强，与现有解决方案相比，机器制造商可以提供收敛性、性能和成本优化。

听——基本面
Avnu的工业系统TSN架构目前专注于创建启用TSN的系统的三类机制:时间同步、服务质量和网络配置。《运营理论》文件承认，随着工业物联网的不断发展和新的基础机制的引入，该系统架构将改变以理解这些机制。

实现精确的时间同步是分布式工业控制应用的关键，以促进事件协调和数据关联。与直接共享定时信号不同，系统中的控制器可以通过网络周期性地交换同步信息，调整它们的本地定时源以彼此匹配。使用IEEE 802.1AS-2011 (IEEE 1588简介)中定义的机制，工业控制器可以使用标准以太网建立并保持紧时间同步。

服务质量是时间敏感系统的适当操作所必需的，因为连接具有传感器和执行器的工业控制器的桥接网络必须确保高优先级流量可以预测地满足带宽和延迟要求，尤其是在相同优先级的情况下或最佳流量。使用IEEE 802.1QBV中定义的机制，桥接网络可以安排流量，使得能够保证高优先级通信，以及尽可能低的延迟，即使在存在最佳流量的情况下也是如此。

TSN系统需要基于应用程序需求的动态配置。使用IEEE 802.1Qcc中定义的网络配置增强，并借鉴SDN (Software defined Networking)的概念，启用tsn的工业系统中的桥和端站可以在不增加显著成本或复杂性的情况下进行配置，并利用集中式网络控制器中的智能。

结论
对于工业市场，TSN和相关标准支持简化各种工业应用中常见于各种工业应用中的分布式的同步控制系统的开发和部署的能力，包括机器控制，工厂自动化，发电和分配，石油和天然气勘探等。

物联网的真正潜力是一个基础的公共网络基础设施。有了开放标准，制造商就不再依赖于一家公司和他们的专利技术。Avnu联盟定义了互操作性的技术基础和认证。TSN允许工业领域的所有供应商在公共基础之上构建。

在未来，运营理论将包括支持更广泛的应用程序和市场的额外技术，因为Avnu Alliance成员继续为寻求加快高级网络实现的制造商开发新的方法，并且标准以太网继续发展。

Eric Gardiner是美国国家仪器公司Avnu联盟工业部门的总工程师。点击这里对于操作理论文件的副本。

本文最初发表于2017年9月号的《制造自动化》。