时间敏感网络(TSN)简介
♦TSN的源头
TSN它是一项从视频音频数据领域延伸到汽车领域，并进一步推广至工业领域的技术。Bridging最初由IEEE802.1D来定义，当LAN加入这一规范后成为了IEEE802.1Q，这并不能满足确定性与鲁棒性的工业如工厂自动化的需求，因此，不同的组织就开发了自己的非标准的确定性的以太网变种，2006年，IEEE开始组建了AVB(AduioVideo Bridging)任务组，2012年，AVB的成员扩展其应用到确定性以太网需求的网络，这就是IEEE 802.1现在称为TSN。
♦TSN在视频/音频传输应用
在足球赛事中往往需要大量的摄像机位来捕捉赛场的全局，在顶级的赛事如世界杯一场比赛包括主看台、球门后、门线、边线、顶部等多达30甚至60个机位，用于最为有效的为不能现场看球的球迷们传播最为精彩的比赛场景，包括各个视角如赛场顶部、两侧看台、主看台、球门线，当然也包括对球星如梅西、C罗这样的球员的全程关注，而这些都是高清的数据，并且要通过网络传输到处理中心，对于带宽的要求显然是很大的，而另一方面，为了最大限度的提供实时性，需要这些图像、音频必须实现高实时的传输与处理，可以想象其带宽和实时性的需求。
♦TSN在自动驾驶中应用
更为智能的汽车而言，传统的CAN总线已经不够用了，因为我们需要更大的带宽来传输更为复杂的信号，以及在汽车与周边进行交互的时候所需要的道路、交通信息，尤为重要的是—快速响应能力对于安全非常重要，对于高速运行的汽车而言，延迟意味着生命，低延时是必然的需求。
♦TSN工业机器人的应用
工业机器人是一种可编程的机械设备，用于代替人以高精度执行危险或重复性任务。根据操作环境，工业机器人可分为固定（机械臂）、移动（自主导引车）和协作（拾取和放置机器人）。机器人技术的一个关键挑战是缺乏标准的通信协议。机器人制造商必须支持许多定制协议，这可能导致集成时间和成本增加。由于现代机器人将人工智能 （AI）、机器视觉和预测性维护集成到一个系统中，因此需要传感器和执行器来实时流式传输高带宽数据。一种常见的解决方案是使用特定通道进行实时控制（例如EtherCAT和PROFINET），并使用单独的通道进行更高带宽的通信（TCP / UDP）。对于生成高带宽流量（100 MB/s 到 1 GB/s）的应用程序，使用两个单独的通信通道效率低下。TSN为高带宽流量和实时控制流量提供共享通信通道。
♦TSN机器对机器的应用
机器对机器 （M2M） 通信 M2M 通信（两台机器无需人工交互即可进行通信）通过使数据能够在不同的控制和分析应用程序之间共享，从而重塑制造业，从而获得卓越的运营效率。TSN通过连接以前未连接的专有控制器来增强M2M通信。这是通过通过启用TSN的交换机连接的TSN机器网络（符合TSN标准的端点）实现的。M2M通信可以通过蜂窝点对点连接实现设备/设备的远程管理，操作。通过中央配置机制，IEEE 802.1Qcc允许管理不同的组件，并为它们之间的通信定义标准UNI。M2M通信的另一个例子是PLC与其他控制器，传送带和其他控制设备（在同一网络层）通信，以调节或监控产品的生产。
♦TSN 和实时计算
在机械臂和运动控制器等工业应用中同时面临时间同步（协调事件）和及时性（及时事件）挑战的开发人员可以将 TSN 与英特尔®架构上的实时功能结合使用，以同步设备网络，以改善工业系统的及时行为。与现有的实时以太网协议相比，将 TSN 与英特尔®架构上的实时功能相结合，可以使客户精确控制时间敏感的周期。以提供工业系统所需的确定性水平，以增强时间同步（例如，音频和视频帧对齐或机械臂一致移动）以及及时性（及时，可预测的行为）。
♦TSN时间敏感网络
为了标准化工业网络之间的及时通信，TSN定义了一组标准，用于如何通过以太网传输时间敏感数据。传统上，信息技术（IT）控制制造设施中的计算机和数据相关网络流量，而运营技术（OT）控制工业控制系统操作的网络流量。OT和IT通常是具有不同目标和要求的独立网络。OT建立和维护具有物理影响的控制流程，例如制造车间和生产环境，但IT创建，传输，存储和保护数据。
TSN使这些OT和IT基础设施的融合能够在网络上共享，使时间敏感的流量（保证交付）与尽力而为的流量（“非保证”交付）共存。满足这些要求的当前许多解决方案都基于控制层次结构，在该层次结构中，创建和优化多个刚性总线层以满足特定任务的要求。每一层都有不同级别的延迟、带宽和服务质量 （QoS），这使得互操作性具有挑战性，灵活的数据连接更改几乎是不可能的。随着工业系统之间相互依赖性的提高，TSN可以在实现自动化组件之间的精确协作方面发挥重要作用，并为工厂提供可互操作和可扩展的解决方案。
TSN满足各种需求，如可靠性，有限低延迟，时间同步和资源管理。这些功能是通过TSN标准（例如，IEEE 802.1AS，IEEE 802.1Qbv，“计划流量增强”等）实现的，客户可以根据自己的需求确定要实施的标准。
英特尔的TSN产品 英特尔提供一系列 TSN 产品，包括分立式和集成式以太网控制器以及 FPGA。为了向客户介绍 TSN，英特尔在各个站点建立了测试平台（使用英特尔以太网控制器 I210 和英特尔®® FPGA），以展示 IEEE 802.1Qbv 等 TSN 标准的实施。英特尔还与由开放联盟（如 Avnu 联盟*、工业互联网联盟 （IIC）* 和国际电工委员会 （IEC）* ）等开放联盟管理的生态系统合作，定义这些标准，以解决工业生态系统的痛点。
在英特尔 FPGA 上实施用于工业系统的 TSN 的原因包括：
基于英特尔® FPGA 的设计可重新编程：FPGA 可以重新编程以适应不断发展的标准，使客户能够提高效率并扩展其当前解决方案的功能。 整合和加速工作负载：网络流量的增长给数据包的传输和扩展带来了挑战，需要在系统中提供一组新的计算功能。为了提高系统性能，开发人员可以通过将 CPU 工作卸载到英特尔® FPGA 来优化其系统。
灵活的 I/O：英特尔 FPGA 允许在一台设备上实施 TSN 以及其他工业以太网协议。 实现功能安全和保障：由于TSN连接以前未连接的系统，功能安全和安保应被考虑。英特尔® FPGA、工具和 IP 已通过 IEC61508 安全标准认证。
采用TSN 采用TSN是一个渐进的过程，因为更新工厂的基础设施通常既复杂又昂贵。英特尔提供一套产品（如网络适配器、FPGA 和下一代产品），可帮助客户采用 TSN。实施TSN的决定可能取决于项目是绿地还是棕地。 术语“棕地”是指具有现有基础设施的项目。在这种情况下，可以将英特尔以太网控制器 I210 插入客户的基板设计中，使终端设备符合 IEEE 802.1AS 标准;这使客户能够经济高效地评估TSN。为了在网络中连接符合 TSN 标准的设备，客户还可以使用英特尔 FPGA 的桥接（交换机）功能。客户还可以通过与开发代理功能（将TSN网络连接到非TSN网络）的供应商合作来评估棕地项目的TSN。计划保留其原始制造基础设施和应用程序的客户（例如，PROFINET* 用户）可以使用此代理功能。但是，这可能会增加运营费用方面的开销。棕地项目在工厂技术实施机会方面与绿地项目有很大不同。FPGA 进一步提供了灵活性，可用作新建项目中的端点或交换机。此外，各种现成的基于英特尔® FPGA 的产品（可通过英特尔的合作伙伴获得）为速度、实施 TSN 标准和网络软件包提供了多种选择。随着这些标准的发展，英特尔 FPGA 可以快速重新配置，以确保设备支持最新的 TSN 功能，从而使客户能够充分受益于 TSN 功能。
市场研究表明，随着TSN提高工厂运营效率，它将成为未来十年实时连接的主导技术。TSN可以支持1 Gb/s或5 Gb/s等高速传输速率，这是传统工业以太网（通常定义为100 Mb/s）的关键优势。
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