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浅析:打破欧美垄断的中国首款 TSN 芯片的前世今生

发布时间:2022-09-17 浏览:64次
工业和信息化部工业互联网产业联盟近日公布最新“时间敏感网络(TSN)产业链名录计划”,其中东土科技刚刚发布的中国首颗自主设计的TSN芯片—KD6530成为首款进入该名录的TSN芯片。这标志着国产芯片正式进入TSN商用领域,拉开国产TSN大规模商用应用序幕,打破该领域长期被欧美企业垄断的格局。

时间敏感网络(TSN)是实现全球工业控制、汽车控制、飞机控制等工业网络通信协议及标准统一的国际标准技术,是中国工业互联网的支撑网络技术。随着5G物联网、工业互联网等新一代信息通信技术的发展,TSN具有的确定性和微秒级交互特性,引发无人驾驶、边缘计算、虚拟现实等科幻技术变现实。同时借助TSN打破智慧与机器的边界,推动传统离散工业进行数字化转型和智能制造升级。

根据全球市场研究公司最新报告,2026年全球TSN市场规模将达到10亿美元,2030年达到28亿美元。但由于中国相关行业起步晚,该领域以TSN芯片为代表的核心部件长期被欧美企业把持。为打破这一垄断,中国工信部在2021年推出“时间敏感网络(TSN)产业链名录计划”,旨在推动TSN的产业壮大和应用落地,加速中国TSN产业链成熟。

TSN是什么?


TSN(Time Sensitive Network)时间敏感型网络是一个最新的但却并非陌生的技术,那TSN究竟是什么样的网络呢?为何TSN会被认为是未来工业通讯的统一标准呢?TSN会替代现在的各类实时工业以太网吗?

面对这些问题,CE China的老石和B&R的老宋开始了一场刨根问底式的对话,下面让我们来对TSN有一个正面的了解。

1.TSN是时间敏感网络的意思,时间敏感是什么意思?其他网络对时间不敏感吗?有衡量指标吗?

答:说实话,最初在2016年贝加莱总部介绍TSN的时候,我觉得这似乎不像是一个工业自动化领域的技术,因为像PROFINET、POWERLINK、EtherCAT等工业网络已经可以达到比较高的实时性指标,而且好像也极少遇到什么当前100μS循环周期搞不定的案子,工业网络讲 “Determistic”,即确定性网络,因为控制是基于“等时同步”的,工业领域早已实现“时间敏感”。因此,就个人而言当时觉得这个词是IT的人不了解工业而开发出来的网络,因为TSN的最初描述是为以太网赋予“确定性”、“实时性”传输能力,这是因为标准以太网是没有这个能力的,但是,实时以太网有这个能力。

那么,问题的关键在哪里?TSN最关键的目的在于“同一”网络的数据传输,即,周期性的控制通信需求和非周期的数据在同一个网络中传输,才是TSN的核心诉求。

因为现在的IT与OT融合过程中会遇到非常大的问题,即,周期性数据和非周期性数据往往需要通过两个网络传输,因此,你会发现控制器各家都是两个网口,一个实时以太网,一个标准以太网,一般实时网络用语机器与系统控制,而标准网络用于管理级信息的传输。

通常,衡量网络的QoS(Qualityof Service)指标包括循环周期、延迟、抖动这几个指标,一般来说,硬实时会在百微秒这个级别的刷新,抖动控制在几十个nS这个级别,延迟在微秒级。没有特别的官方定义实时性,因为,应用场景不同。

2. TSN特点之一是实时性高,我们以往的现场总线、实时以太网不也有这个特点吗?相比这些TSN在实时性方面也有优势吗?

答:尽管TSN的关键诉求在于“同一”网络的传输,但经过研发人员的设计,其调度机制也允许获得较高的实时响应能力,目前贝加莱已经开发的千兆以太网的TSN测试下来抖动在50nS(抖动通常描述的是最差情况),可以达到的最快周期是在10μS级,因此,对于现有的工业控制而言,TSN的实时性是完全可以保障的。

和目前主流的实时以太网比TSN显然性能更高,据贝加莱总部的千兆测试数据显示高了18倍的整体性能(其测试是按照节点数、数据负载不断增加然后取性能的均值)。

3. TSN是如何实现时间敏感的呢?它是在标准以太网标准上做了哪些修改吗?

答:TSN本身是一系列的标准,它包含了时钟同步、数据调度与网络配置三个方面的关键标准,TSN仅指数据链路层的标准,这一点必须阐明,它可以采用IEEE802.3的以太网或IEEE802.3cg的标准网络来实现物理层,而数据链路层采用了桥接网络,以及不同的数据流调度的策略,也就是Shaper-整形器,比如CBS基于信用的整形器、Qbv-时间感知整形器TAS、CQF-周期性排队与转发、ATS-异步传输整形器。想了解这个就得了解以太网本身是怎么传输的,然后就明白TSN主要是在Transmit Selection这个地方进行了策略调度机制的设计。

4.TSN这两年在工业界越来越火,这个TSN源自哪里,是咱们工业界独有吗?其他行业也叫TSN吗?全球谁在主导这个标准啊?

答:TSN并非是源自工业界,TSN最早是在音视频传输领域,后来在汽车领域于2012年成立IEEE802.1Q工作,而到工业已经是2015年的事情了,成立了IEEE802.1 TSN工作组。

在汽车工业里他们一般称为AVB-Audio Video Bridge,是由IEEE802.1Qav、IEEE802.1AS和IEEE802.1Qat(已经作为IEEE802.1Q的基础标准)构成。

在航空航天领域也有大量时间敏感型网络应用,他们可以称为AS6802,而在工业领域,IEC和IEEE合作,成立了IEC60802工作组用于实现TSN网络的互操作性标准制定。

目前TSN的推动组织是Avnu,包括IIC、OPC UA基金会也加入了推动这项技术的工作,他们会和主要的Shaper厂商共同推动TSN技术的发展。

5. TSN今后是要成为标准以太网协议,而且比以前的标准以太网协议先进,那是否意味着今后民用商用工业用的以太网协议都会成为TSN?

答:TSN是一项VLAN技术,即Vitural Local Area Network,这显然定义了它是一个局域网,并且是一个虚拟的局域网,它不必一定成为商用和民用的所有通吃的标准,TSN域和非TSN域的区别在于VLANID,即,进入TSN网络会被交换机给打上VLAN标签,然后借助于TSN机制在该网络中传输,但离开了TSN网络的时候,这个VLAN标签会被去除,它也可以变为一个标准以太网帧被传输。因此,TSN交换机会和普通交换机一起工作没有问题。

因此,商业或民用网络并不是必须要变为TSN网络,这完全取决于应用本身的需求,尤其是经济性指标,因此,如果没有特殊的实时性需求的话,倒没有必要,目前TSN网络看来聚焦在工业级IoT应用比较多。

6. 为何这两年突然TSN就受到业界这么多人的关注?它能解决哪些现在解决不了的问题吗?

答:TSN火的原因就是大量的物联网应用需求产生的,因为,你必须考虑周期性和非周期性数据的同一网络传输问题,带宽的需求较之以往更大。

你可以看到这个图中,描述了几个场景:

(1)音视频同步:其实,如果你看中央电视台,你看到播音员的口型和语音会出现不同步—这也属于质量问题,因为音频和视频没有同步,或者像大剧院里的音箱,你想想如果他们不能实现同步,就会出现重复的声音,也属于数据传输质量的问题。

(2)ADAS,相对于传统的汽车而言,ADAS会需要多个激光雷达(比如前后三个),包括安全系统,这些更多的传感器都会带来带宽的需求较之以往更大。

(3)AR/VR、机器视觉:这些技术在工业场景更多的使用都会让带宽的需求变大。

因此,TSN是有实际的需求的,连接变得更为广泛,则需要更大的网络容量传输能力。

7. 既然具有时间敏感特点的以太网络有这么多优点,那么为何在早先的标准以太网推出时没有考虑做成时间敏感呢?为何现在就要加上时间敏感?是原先没有想到吗,还是原来的技术实现不了,或者是成本太高等其他原因?

答:90年代大众来中国投资建汽车厂的时候,中国的高速公路才刚开始,包括现在很多老的小区都没有足够的停车位,谁会料到今天汽车如此普及呢?

同样道理,在你不需要这项技术的时候,你是不会真正有动力去开发这样的技术的,因为如果没有人用,这些研发投入就失去意义了,因此,任何技术的流行都会需要时间,而且,就目前而言,TSN都还没有到它真正爆发的时候,因为,对互联的需求也就最近几年才刚开始,大量的工厂实际上还处于单机生产的阶段。因此,TSN现在已经处于未雨绸缪的阶段,因为大数据应用仅在局部开始,而并非进入爆发期。

当然,你说的没错,要实现TSN这样的网络的确需要非常大的技术投入,因为它的复杂性是超过现有的网络的,就像时钟同步就比IEEE1588有可靠性方面的需求,调度机制也更多样灵活,这些都是需要芯片处理包括千兆以太网处理芯片、传输电缆、交换芯片等,这些都是成本,而只有面临巨大的市场机会,芯片厂商才会有动力去投入研发。现在大量的芯片厂商投入其中也是因为看到其广阔的未来,这些投入会让TSN变得更为易用而低成本,TSN潜在的规模使得它较之以往的网络更具竞争力。

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