芯耀
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以太网是世界上最流行的通信媒介，用于在设备之间传输数据。由于以太网的速度、可承受的成本和多功能性，它在许多行业都很盛行。
多年来，以太网标准一直在不断发展。在20世纪70年代，第一个版本的以太网只实现了10Mbps的速度。然后，快速以太网在1995年上市，速度为100 Mbps。如今，千兆位以太网已经问世。另外，随着以太网在大多数行业中变得无处不在，以太网组件也变得更加实惠和容易实现。最后，大多数网络协议支持以太网作为其通信媒介。因此，以太网网络可以采用各种各样的协议来实现其应用。
即使多年来以太网的速度一直在提高，但还有一个关键的性能因素。确定性（Determinism）。一个确定性的网络以一种精确的方式交换数据，并有一个确定的延迟。由于以太网通信是基于尽力而为的原则，以太网网络中的数据交换缺乏确定性。到目前为止，以太网中的确定性数据交换只有通过专有的解决方案才能实现，但时间敏感网络（TSN）旨在改变这种情况。TSN是一项即将推出的新技术，其重点是通过设计使以太网具有确定性。
什么是TSN？
TSN指的是一套IEEE 802标准，它使以太网在默认情况下具有确定性。TSN是一项即将到来的新技术，位于ISO/OSI模型的第二层。它增加了一些定义，以保证以太网网络的确定性和吞吐量。以下是构成TSN的一些IEEE标准。
增强的同步行为（IEEE 802.1AS）暂停（抢占）长帧（IEEE 802.1-2018)计划流量的增强（IEEE 802.1Q-2018)路径控制和带宽保留（IEEE 802.1Q-2018)无缝冗余（IEEE 802.1CB）流保留（IEEE 802.1Q-2018）TSN是从业界对音频/视频传输的使用以及对更多设备和同步通信的需求发展而来的。网络上的设备比以往任何时候都多，分享和分析的信息也更多。因此，以太网必须表现得更好才有意义。
用于工业自动化的TSN
许多行业需要确定性的以太网，而工业自动化就是其中之一。自动化行业一直在寻求解决方案，以实现快速、确定和强大的通信。目前，有几种专门的解决方案可用于这一目的，如PROFINET IRT、Sercos III和Varan。TSN可以帮助整个行业实现实时以太网的标准化。
当前的工业趋势，如工业4.0和工业物联网，导致不断增长的融合网络中的网络流量增加。这种网络需要灵活性和可扩展性，以支持小型设备和大数据服务器系统，同时确保时间关键型通信的有限延迟。TSN打算涵盖所有这些要求。它将为确定性和非确定性通信的并发使用提供标准化的机制。
通过TSN的PROFINETPROFINET over TSN是为控制器到设备的通信而设计的。它可以处理多达1024个设备，实现31.25μs的周期时间。OPC UA也可以利用当前和未来的TSN标准。然而，PI致力于将OPC UA用于控制器到控制器或控制器/设备到云的通信。右图说明了一个例子，即通过TSN的PROFINET和基于IP的协议如OPC UA的互补和协调的相互作用。在过程自动化、工厂自动化和运动控制中，PROFINET over TSN被PLC、远程传感器、远程I/O、运动控制器和驱动器以及计算机化数字控制器所使用。
TSN是一种很有前途的技术，吸引了很多人的注意。TSN为PROFINET提供了巨大的潜力。它旨在将广泛的IT网络与自动化网络的稳健性和确定性相结合。简而言之：通过标准IT网络实现硬实时。这个TSN动画视频向您展示了如何在标准以太网上实现实时通信，以及这如何满足工业4.0的要求。
TSN是由IEEE指定的一套机制，用于改善以太网的确定性。这些TSN修正案被PROFINET所使用：
时间同步 802.1 AS
增强预定流量802.1 Qbv
帧抢占 802.1 Qbu
穿插快速流量 802.3 br
可靠性的帧复制和消除 802.1 CB
固定和媒体访问控制连接发现 802.1 AB
时间敏感流：一个具有给定服务质量的帧流，从一个单一的源头及时交付，按照专用路线通过网络到达一个或多个目的地。基于流的传输的传输延迟必须被限制。由来回传输组成的通信关系被设置为两个独立的流。
TSN域：一批共同管理的工业自动化设备。一组站（终端站或桥），它们的端口，以及使用TSN标准传输时间敏感流的附加个体局域网。对这些设备进行分组是一项管理决定。不支持TSN标准的设备不能成为TSN域的一部分。然而，非TSN设备的流量可以通过TSN域。
1.- 流-通过网络的路线
当网络中的两个节点希望通过PROFINET在TSN上进行通信时，就会定义流。流描述了通过网络从 "说话者 "到 "听话者 "的路径。右边的图显示了一个流的图形例子。流必须在路由上的所有交换机中注册。一个流的特点是有一个目的MAC地址和一个VLAN标签作为优先级。
2.- 时间同步化-精确的时钟
时间同步是实现确定性的关键。TSN域中的所有设备都在一个共同的时间基础上进行同步。一个 "工作时钟 "是TSN域内预定流量和等时应用的控制时间参考。另外，一个 "通用时钟 "作为系统和全厂的参考，用于按时间顺序记录事件等任务。
3.- 预定的流量-根据时间表的通信
PROFINET IRT对所有等时通信进行调度。它用节点之间的所有传输和转发时间创建一个定义的时间表。IRT机制起作用，但在融合网络中，Scheduling可以变得非常复杂。因此，TSN上的PROFINET不采用Scheduling。相反，它利用了时间感知整形器的概念。
TAS: 时间感知整形器
下边的图说明了时间感知整形器的概念。时间安排为帧的传输创建了一个重复的时间槽模式（网络周期时间）。为了确保可用性，高优先级的帧有一个持续活动的队列。另外，保护性的防护带可以防止帧进入下一个周期的时隙。
4.- 帧抢占-RT中断TCP/IP
帧抢占与保护带一起起着关键作用。所有的实时帧都在尽力而为的TCP/IP帧之前排序。如图所示，尽力而为的流量不会延迟实时数据交换。此外，TCP/IP帧被分割和重新组合，以最大限度地利用带宽。
5.- 无缝媒体冗余
冗余确保在设备或链路故障的情况下继续传输。网络设计者可以采用冗余流在设备之间建立冗余的网络路径。冗余流的存在是为了确保在设备或链路故障后，时间关键的通信仍能无缝地继续。
网络管理引擎
TSN域的配置将遵循即插即用的概念，并将利用熟悉的PROFINET工程工具。TSN域的特性（流路径、VLAN等）由网络管理引擎（NME）设置并持续维护。NME将是具有TSN功能的PROFINET控制器的一部分。它将负责拓扑结构的获取、路径规划和网络配置。首先，用户在工程工具中设置一个特定的基于策略的网络配置。然后，NME使用这些规则来创建和连续塑造TSN域。
