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IIoT催生的TSN(时间敏感网络)恰逢其时吗?

导读: 工业物联网(IIoT) 预示了一个由日益智能化且超级互连的设备和基础设施构成的世界,其中智能机器、交通运输系统和电网设备将具有各种嵌入式传感、处理、控制和分析功能。

  工业物联网(IIoT) 预示了一个由日益智能化且超级互连的设备和基础设施构成的世界,其中智能机器、交通运输系统和电网设备将具有各种嵌入式传感、处理、控制和分析功能。这些设备和基础设施连接在一起之后,就形成了一个智能系统群,使得企业内部以及云端的各种设备之间可以共享数据。

  这些系统将会产生庞大的数据,比如伦敦地铁轨道系统维多利亚线的状态监测解决方案每天产生32 TB 的数据。这些大模拟数据将通过分析和处理来驱动正确的业务决策,最终提高安全性、正常运行时间和运行效率。

IIoT催生的TSN(时间敏感网络)恰逢其时吗?

  尽管这些未经处理的原始数据大部分都不是很紧急,可以在网络层和子系统之间传输,不太需要考虑延迟或同步,但是时间要求严格的重要数据必须在严格的延迟和可靠性规定内进行传输和共享。这包括重要控制和故障检测数据,不管其他网络流量如何,这些数据都必须即时进行处理、共享和采取措施。

  今天的大部分网络基础设施并不具备处理此类时间敏感型数据的能力。许多工业系统和网络根据普渡模型的控制层次结构来进行设计,需要创建和优化多个可靠的总线层来满足特定任务的需求。每个总线层的延迟、带宽、服务质量各不相同,使得实现互操作性非常困难,即时传输重要数据也变得几乎不可能。此外,目前专用以太网网络的带宽有限,需要对硬件进行改良。

  为了支持工业物联网基础设施的新功能,设计人员和终端用户需要可靠、远程且安全地访问智能边缘设备。网络技术必须不断进步才能满足下一代工业系统的需求,并从根本上改进我们运行机器、电网和交通轨道系统的方式。

  TSN标准:现在正是时候?

  现有IT 网络由IEEE 802 标准进行定义,该标准规定了不同以太网层和功能的要求,并确保了设备之间的互操作性。今天,许多工业供应商、IT 厂商和芯片提供商加入IEEE 802 和最近刚成立的AVnu联盟,共同更新标准以太网协议,并为IIoT 应用的时间敏感型数据制定了低延迟数据传输标准。

  这个新标准称为时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,简称TSN),旨在解决现有网络的一些缺点。AVnu 联盟与Broadcom、Cisco、Intel和NI 等成员公司合作,将通过认证推动可互操作生态系统的建立,这与Wi-Fi 联盟认证产品和设备是否兼容IEEE 802.11 标准相似。

  “AVnu 和IIC 等机构正在致力于通过制定标准促进以太网功能的扩展。TSN的广阔市场扩张和广泛部署将会受益无数个行业和应用,而且对于实现由500 亿个互联设备组成的IoT 愿景至关重要。这些市场领导者的强强联合将确保对标准组件功能的长期支持。”—Paul Didier, AVnu 联盟理事会成员和思科IoT 解决方案架构师

  相比当今的标准和专用以太网协议,新的TSN 标准将会带来无数的好处,包括:

  带宽——机器视觉、3D 扫描和电力分析等高级传感应用产生的大量数据会造成网络带宽资源紧张。目前工业控制常用的专用以太网协议仅限于100Mb 的带宽和半双工通信。TSN 将会纳入各种标准以太网速率(包括目前正在使用的1 Gb、10Gb 和400 Gb )并支持全工通信。

  安全性——目前使用的大部分底层现场总线通过控制气隙和隐藏的方法来实现安全性。这一点受到汽车行业的影响,在汽车行业中,限定气隙的闭环CAN 网络负责传输所有控制和运行数据。但最近的安全漏洞使得人们不得不开始考虑将安全性全面扩展到重要的底层控制基础设施。TSN对重要的控制网络进行了保护并集成了最重要的IT 安全规定。分段、性能保护和时间可组合性为安全框架增加了多层保护。

  互操作性——通过使用标准的以太网组件,TSN可无缝集成现有棕色地带应用和标准的IT 网络来提高易用性。此外,TSN 继承了现有以太网的许多特性,比如HTTP 接口和web 服务,实现了IIoT 系统所需的远程诊断、可视化和修复功能。

  TSN 提供的另一个优势是:利用标准以太网芯片集就可以利用批量生产的商业硅芯片,从而降低了组件的成本,相比使用产量较小且基于ASIC 的芯片的专用以太网协议来说,这个优势尤为明显。

  延迟和同步——TSN 重点考虑了快速系统响应和闭环控制应用所需的低延迟通信。它可实现大约数十微秒的的确定性传输时间以及数十纳秒的节点间时间同步。为了确保可靠地提供符合严格时间要求的通信,TSN 提供了自动化配置来实现高可靠性数据路径,通过复制和合并数据包来提供无损路径冗余。

  IIoT将会按时到来

  随着IIoT 的不断普及,越来越多的数据和广泛分布的网络需要制定新的标准来共享和传输重要信息。正如在紧急情况下救护车或消防车比其他交通的优先级更高一样,TSN 标准确保了时间敏感的重要数据能够按时通过标准网络设施进行传输。欢迎进入工业物联网时代的快节奏生活。

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