時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

徐驍麟 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

1 引言

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是一系列技術(shù)的總稱，這些技術(shù)用來在傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建具備時(shí)間敏感特性的新型網(wǎng)絡(luò)，提供具有確定性時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸能力。傳統(tǒng)以太網(wǎng)之所以缺乏確定性，主要原因在于其本質(zhì)上是一個(gè)共享傳輸介質(zhì)，當(dāng)來自不同數(shù)據(jù)源的流量在同一個(gè)交換設(shè)備或路由設(shè)備上匯聚轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，必須在目標(biāo)端口對(duì)應(yīng)的隊(duì)列中進(jìn)行排隊(duì)，等待時(shí)長(zhǎng)決定于隊(duì)列長(zhǎng)度，而隊(duì)列長(zhǎng)度又決定于網(wǎng)絡(luò)中流量的變化。如果網(wǎng)絡(luò)中流量過大，則會(huì)出現(xiàn)擁塞，排隊(duì)時(shí)間便無法預(yù)測(cè)，確定性也就無法保證。

網(wǎng)絡(luò)具有確定性傳輸時(shí)延這一特征具有強(qiáng)大的吸引力。對(duì)于一些對(duì)時(shí)間因素特別敏感的應(yīng)用來說，例如控制信號(hào)傳輸，確定性意味著整個(gè)系統(tǒng)的可行與可靠，也決定了系統(tǒng)的安全可控。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)通過集成多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)修改，試圖基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)保證對(duì)非時(shí)間敏感數(shù)據(jù)傳輸?shù)募嫒?。這些機(jī)制涉及時(shí)間同步、流量控制、路徑控制、管理機(jī)制等多個(gè)方面，可以說在不同層面上保證了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)拇_定性時(shí)延。

近年來，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展逐步引起工業(yè)界的廣泛關(guān)注，多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織都在加速推動(dòng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，諸多工業(yè)企業(yè)也對(duì)在工廠內(nèi)部引入時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)表現(xiàn)出極大的興趣，一些大型企業(yè)已先行進(jìn)行了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)床的建設(shè)，開展對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)論證工作。

2 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵及主要特性

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的誕生源于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)概念的提出。在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)概念范圍內(nèi)，許多應(yīng)用場(chǎng)景都將確定性時(shí)延作為基本需求，例如車輛的駕駛系統(tǒng)、工廠的控制系統(tǒng)等。在這些領(lǐng)域內(nèi)，時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)延的可接受范圍遠(yuǎn)低于1ms。為了達(dá)到這個(gè)傳輸要求，以EtherCAT、Profinet等為代表的一些實(shí)時(shí)通信技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。這些技術(shù)都基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，但同時(shí)又具有一些專有機(jī)制，使得相互之間并不能兼容運(yùn)行，也就制約了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。在這種背景下，IEEE802工作組提出了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的概念，意圖構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過標(biāo)準(zhǔn)化使其在各個(gè)領(lǐng)域都能夠同構(gòu)運(yùn)行，提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。這為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的發(fā)展打開了一扇嶄新的大門。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)到底是指什么呢？簡(jiǎn)單來說，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)上提供確定性信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是中心化管控的，通過時(shí)間感知的調(diào)度機(jī)制為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)傳輸保障。具體來說，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是一種二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。作為一個(gè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)依靠以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的包頭信息，其數(shù)據(jù)幀負(fù)載可以是任何信息，而不受限于上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這意味著，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)可以被應(yīng)用在任意采用以太網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境中和應(yīng)用里。

正如其名所指，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的主要方面就是“時(shí)間”。其最根本的目標(biāo)就是要提供一種方法來確保信息在一個(gè)確定的、可預(yù)測(cè)的時(shí)間范圍內(nèi)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。IEEE802工作組對(duì)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的描述是：能夠提供具有有界低延時(shí)、低抖動(dòng)、極低數(shù)據(jù)丟失率的數(shù)據(jù)傳輸能力。其主要特性包括：

●時(shí)間同步：在運(yùn)行應(yīng)用和控制應(yīng)用的設(shè)備上維持端到端的同步時(shí)間（最壞情況在±500ns范圍內(nèi)）。時(shí)間同步是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

●有界低延時(shí)：通過多種調(diào)度和管理機(jī)制提供有界低延時(shí)，最終達(dá)到0擁塞丟失率。

●低抖動(dòng)：通過時(shí)間同步和數(shù)據(jù)流調(diào)度機(jī)制減少數(shù)據(jù)傳輸過程的抖動(dòng)。

●高可用：通過數(shù)據(jù)幀復(fù)制、主從時(shí)間源等機(jī)制提供網(wǎng)絡(luò)的高可用性。

●匯聚網(wǎng)絡(luò)：時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)支持需求迥異的多種負(fù)載的同時(shí)傳輸。

●兼容性：通過標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的應(yīng)用，兼容不同應(yīng)用場(chǎng)景和既有協(xié)議。

在上述特性支持下，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)能夠確保：

●交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延得到保證。

●關(guān)鍵負(fù)載（時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流）和非關(guān)鍵負(fù)載（非時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流）能夠在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中混合傳輸，非關(guān)鍵負(fù)載的并行傳輸不會(huì)影響到關(guān)鍵負(fù)載的傳輸時(shí)延。

●多個(gè)上層協(xié)議的實(shí)時(shí)負(fù)載能夠在網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)傳輸。

●網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤能夠被快速分析和修復(fù)。

3 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵機(jī)制與技術(shù)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上提供了確定性傳輸能力，其面向的不只是個(gè)別應(yīng)用，而是面向不同場(chǎng)景下的多種類型應(yīng)用，也就是要同時(shí)解決特征迥異的多類應(yīng)用的確定性傳輸問題。因此，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)不是只由一種獨(dú)立的技術(shù)來支撐，而是由一系列相關(guān)聯(lián)的技術(shù)共同構(gòu)成。近幾年，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同推動(dòng)下，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的核心機(jī)制已基本成型，本文將對(duì)其中最重要的關(guān)鍵機(jī)制進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。

3.1 優(yōu)先級(jí)時(shí)間感知調(diào)度

當(dāng)前，還沒有一種基于服務(wù)類優(yōu)先級(jí)的調(diào)度機(jī)制能夠有效保證時(shí)間敏感數(shù)據(jù)負(fù)載的有界端到端延時(shí)。由于排隊(duì)的影響，如果一個(gè)具有低優(yōu)先級(jí)的以太網(wǎng)幀已經(jīng)在傳輸過程中，那么它將會(huì)推遲其他以太網(wǎng)幀的傳輸，即使這些以太網(wǎng)幀具有最高優(yōu)先級(jí)。而這種情況在傳輸路徑的每一次交換或路由時(shí)都可能發(fā)生。針對(duì)此問題，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)提出了一個(gè)重要組件，即時(shí)間感知調(diào)度器。通過對(duì)測(cè)算傳輸時(shí)間來優(yōu)化以太網(wǎng)幀的傳輸優(yōu)先級(jí)，并以此來保證數(shù)據(jù)在有效時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)和送達(dá)。

時(shí)間感知調(diào)度的基本思想是，利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)將傳輸時(shí)間劃分成相同長(zhǎng)度的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片稱為一個(gè)周期。一個(gè)周期又可劃分為多個(gè)時(shí)間槽，在每個(gè)周期內(nèi)允許為具有實(shí)時(shí)需求的數(shù)據(jù)包提供獨(dú)立的時(shí)間槽。在時(shí)間感知調(diào)度器作用下，一個(gè)以“Best-effort”模式傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)以太網(wǎng)負(fù)載可以被暫時(shí)中斷，并在預(yù)留時(shí)間槽內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)具有高優(yōu)先級(jí)的時(shí)間敏感數(shù)據(jù)負(fù)載。因此，時(shí)間感知調(diào)度就賦予了周期性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)，使其能夠在非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)負(fù)載中穿插傳輸。

3.2 保護(hù)帶與幀搶占

傳統(tǒng)的“Best-effort”傳輸模式具有非常差的可預(yù)測(cè)能力，它很難預(yù)見到一個(gè)“Best-effort”數(shù)據(jù)包會(huì)在什么時(shí)候進(jìn)行傳輸，這樣就會(huì)導(dǎo)致潛在的傳輸沖突。例如，一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)包在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)過晚地進(jìn)行傳輸，即使有時(shí)間感知調(diào)度機(jī)制，它也會(huì)占用下一個(gè)時(shí)間片內(nèi)用于傳輸時(shí)間敏感數(shù)據(jù)的第一個(gè)時(shí)間槽，從而使原定將在這個(gè)時(shí)間槽內(nèi)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感數(shù)據(jù)不得不向后推遲，導(dǎo)致違背了端到端延遲的有界性。

為了避免這種潛在沖突，時(shí)間敏感調(diào)度器引入了一個(gè)稱為“保護(hù)帶”的機(jī)制，在時(shí)間片劃分基礎(chǔ)上，提供進(jìn)一步的傳輸隔離。這些保護(hù)帶設(shè)置在一個(gè)非時(shí)間敏感時(shí)間槽的尾部，占用一部分該槽的時(shí)間，保護(hù)帶長(zhǎng)度是該網(wǎng)絡(luò)中最大尺寸以太網(wǎng)幀的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)長(zhǎng)。這樣就給傳統(tǒng)以太網(wǎng)幀的傳輸區(qū)間設(shè)置了一個(gè)限制，阻止了可能侵入下一個(gè)時(shí)間敏感時(shí)間槽的數(shù)據(jù)幀的傳輸。簡(jiǎn)單來說，如果一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)幀的計(jì)劃傳輸時(shí)間在保護(hù)帶區(qū)間內(nèi)，那么這個(gè)幀的傳輸將被推遲。

保護(hù)帶在一定程度上解決了數(shù)據(jù)幀傳輸沖突問題，但是也引入了無效時(shí)間的新問題，這些保護(hù)帶占用的時(shí)間將不會(huì)傳輸任何數(shù)據(jù)，造成網(wǎng)絡(luò)利用率的下降。為了解決這個(gè)新問題，“幀搶占”的機(jī)制被引入到時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中。幀搶占機(jī)制將數(shù)據(jù)幀劃分成多個(gè)固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀片，從而允許在一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)幀傳輸過程中對(duì)其進(jìn)行中斷，在傳輸完時(shí)間敏感數(shù)據(jù)幀后再繼續(xù)傳輸被搶占數(shù)據(jù)幀的剩余幀片。這樣保護(hù)帶的長(zhǎng)度就不用設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)中最大尺寸以太網(wǎng)幀的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)長(zhǎng)了，而可以縮短為一個(gè)固定長(zhǎng)度幀片的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)長(zhǎng)，從而大幅提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。由于幀搶占機(jī)制對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀傳輸流程進(jìn)行了較大改變，因此只有在網(wǎng)絡(luò)鏈路兩端的設(shè)備同時(shí)支持該機(jī)制時(shí)，機(jī)制才能生效。

3.3 同步傳輸周期與時(shí)間同步

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，時(shí)間感知調(diào)度器只利用本地配置來制定調(diào)度決策，這些配置信息包括周期長(zhǎng)度和時(shí)間槽等。因此，需要全局范圍內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間能夠更加密切的協(xié)作，使得數(shù)據(jù)幀能夠在從一個(gè)交換設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)出后能到達(dá)下一個(gè)交換設(shè)備的正確時(shí)間槽。只有這樣，才能保證數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)路徑上各個(gè)設(shè)備間暢通傳輸，在限定的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)目的地而不需要排隊(duì)等待。這就意味著，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備必須對(duì)時(shí)間有一致的理解，所有設(shè)備必須知道一個(gè)周期從何時(shí)開始，亦或一個(gè)周期內(nèi)的哪個(gè)時(shí)間槽正處于活躍狀態(tài)。顯然，為了達(dá)到這個(gè)目的，需要在時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)引入時(shí)間同步協(xié)議。

常見的時(shí)間同步協(xié)議，例如IEEE 1588或IEEE 802.1AS等，都可以用于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。這些協(xié)議允許在網(wǎng)絡(luò)中分布的各個(gè)時(shí)鐘精確同步到誤差在1μs以內(nèi)，基于硬件的實(shí)現(xiàn)可以將同步誤差進(jìn)一步縮小到幾個(gè)納秒的范圍。與IT領(lǐng)域的NTP協(xié)議不同，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步機(jī)制不是與外部原子鐘進(jìn)行廣域同步，而是將網(wǎng)絡(luò)中所有時(shí)鐘與一個(gè)選定的時(shí)鐘源進(jìn)行精確同步。換句話說，在時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，重要的是保證網(wǎng)絡(luò)中所有時(shí)鐘之間的時(shí)間同步，而不是保證網(wǎng)絡(luò)中所有時(shí)鐘與自然界的時(shí)間同步。需要注意的是，雖然時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)不限定具體使用的時(shí)間同步協(xié)議，但是要求時(shí)間同步的質(zhì)量必須足夠高，以保證網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都能在正確的時(shí)間點(diǎn)開始和結(jié)束時(shí)間周期和時(shí)間槽。

3.4 流量整形

在一些諸如流程自動(dòng)化等常見應(yīng)用場(chǎng)景中，常常使用周期控制流程來完成自動(dòng)化工作。這些流程會(huì)產(chǎn)生大量基于事件的數(shù)據(jù)傳輸，例如狀態(tài)轉(zhuǎn)換的告知、預(yù)定義界限的超越等。相應(yīng)的，在這些場(chǎng)景下，往往很難保持對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的精確預(yù)測(cè)。但是即便如此，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)仍然要滿足傳輸?shù)挠薪缪舆t，以保證在接收到事件信息后能夠及時(shí)完成控制流程。但是，上述提到的時(shí)間感知調(diào)度器依賴于精確的傳輸時(shí)間，因此，并不完全適合處理這種類型的負(fù)載。為了解決這個(gè)問題，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間感知調(diào)度器基礎(chǔ)上引入了另外的優(yōu)先權(quán)機(jī)制，稱為流量整形。

流量整形機(jī)制的作用原理是，首先在一個(gè)預(yù)定義的觀察時(shí)間窗口內(nèi)為時(shí)間敏感數(shù)據(jù)傳輸預(yù)留一部分帶寬，接著待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)負(fù)載由流量整形器進(jìn)行整形，被調(diào)整為能夠滿足時(shí)間敏感數(shù)據(jù)傳輸延遲限制的形式和形狀，最后將這種新形式的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)出去。換句話說，經(jīng)過流量整形器的調(diào)整后，由事件引起的突發(fā)數(shù)據(jù)負(fù)載將變成波動(dòng)較小的穩(wěn)定負(fù)載，以一種更為平滑的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。與時(shí)間感知調(diào)度機(jī)制相比，流量整形機(jī)制在面對(duì)低精確性和高波動(dòng)場(chǎng)景下的負(fù)載傳輸方面具有較高的靈活性。

當(dāng)前已經(jīng)發(fā)布和正在研發(fā)的流量整形器包括基于信用的整形、循環(huán)隊(duì)列和轉(zhuǎn)發(fā)整形、異步整形等，這些整形器都可以根據(jù)具體情況靈活采用，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)并沒有對(duì)流量整形器的應(yīng)用做強(qiáng)制規(guī)定。

3.5 冗余路徑機(jī)制

在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤配置或故障的網(wǎng)絡(luò)組件，這些設(shè)備或線纜可能干擾正常的數(shù)據(jù)傳輸，破壞時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。為了防止這種情況下的數(shù)據(jù)丟失，IEEE正在開發(fā)一種冗余協(xié)議，利用與HSR或PRP協(xié)議類似的無縫冗余機(jī)制，在時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中引入了靜態(tài)冗余流程，通過始終處于激活狀態(tài)的冗余傳輸路徑來確保在一條傳輸路徑出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)時(shí)切換到另一條可行路徑上。

為了實(shí)現(xiàn)這種無縫冗余機(jī)制，需要傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)幀會(huì)在冗余傳輸路徑開始的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制，然后通過多條路徑同時(shí)傳輸。一般地，幀復(fù)制的動(dòng)作會(huì)直接在發(fā)送端設(shè)備上執(zhí)行，但如果終端設(shè)備不支持冗余網(wǎng)絡(luò)的連接，那么幀復(fù)制會(huì)在傳輸路徑上的第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上執(zhí)行。當(dāng)數(shù)據(jù)抵達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，第一份抵達(dá)的冗余數(shù)據(jù)的包會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)至應(yīng)用層，而在第一個(gè)冗余包之后接收到的同一份數(shù)據(jù)的冗余包會(huì)被識(shí)別出來并簡(jiǎn)單丟棄，這樣就保證了冗余數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制對(duì)上層協(xié)議棧的透明。

冗余路徑機(jī)制并不受限于對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)流只能有兩條冗余路徑，它能夠支持多條冗余路徑的同時(shí)傳輸。在這種情況下，必須保證每一條路徑都滿足應(yīng)用需求的有界延遲。由于該機(jī)制使得路徑變得更加復(fù)雜，因此也需要一個(gè)相對(duì)便捷的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制對(duì)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行有效管理。

4 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

當(dāng)前，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制工作正在IEEE802.1工作組的推動(dòng)下快速推進(jìn)，已經(jīng)發(fā)布多項(xiàng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，若干標(biāo)準(zhǔn)草案也在不斷更新。

4.1 基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE802.1工作組早期發(fā)布的一些標(biāo)準(zhǔn)，與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)有一定的關(guān)聯(lián)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)依賴于這些標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也可能需要這些標(biāo)準(zhǔn)支撐。包括802.1Q-2014、802.1AB-2016、802.1AS-2011、802.1AX-2014、802.1BA-2011等。

4.2 已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.1工作組已經(jīng)發(fā)布了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的6項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。包括802.1Qbu-2016、802.1Qbv-2015、802.1Qca-2015、802.1Qch-2017、802.1Qci-2017、802.1CB-2017等，涉及幀搶占及流量整形等技術(shù)。

4.3 研制中標(biāo)準(zhǔn)

正在研制中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較多，基本覆蓋了前文所述的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，包括P802.1AS_Rev、P802.1AXRev、P802.1QCC、P802.1Qcj、P802.1Qcp、P802.1Qcr、P802.1Qcw、 P802.1Qcx、 P802.1ABcu、 P802.1CM、P802.1CS等，隨著標(biāo)準(zhǔn)研制工作的進(jìn)展，可以預(yù)見標(biāo)準(zhǔn)草案數(shù)量將會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。

5 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了越來越高的要求，制造工藝的提升、控制流程的精細(xì)化都需要一個(gè)能夠快速實(shí)時(shí)通信的網(wǎng)絡(luò)來支撐，傳統(tǒng)以太網(wǎng)難以滿足多種工業(yè)場(chǎng)景的需求，而時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中大有用武之地。

5.1 工廠自動(dòng)化

在一個(gè)離散的工業(yè)工廠中，每條生產(chǎn)線上都可能有多個(gè)機(jī)器人在操作，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)能夠極大地提高這種操作的靈活性。當(dāng)前，這些機(jī)器人是由本地控制，相互之間只具有有限的同步，來自工廠層以外的數(shù)據(jù)訪問也受到限制。每當(dāng)需要進(jìn)行互聯(lián)互通，要么通過專有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，要么通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)?？上攵?，如果移除本地控制功能，或者在通信網(wǎng)絡(luò)中混入非關(guān)鍵負(fù)載，那么就會(huì)損害關(guān)鍵負(fù)載通信的質(zhì)量。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的引入能夠避免上述問題的發(fā)生。將這些機(jī)器人通過時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)連通，同時(shí)同步到一個(gè)全局時(shí)鐘上，即使有非關(guān)鍵負(fù)載混入網(wǎng)絡(luò)，也能夠保證控制信號(hào)等關(guān)鍵負(fù)載的通信質(zhì)量。這也就意味著，可以將控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成，也可以將在機(jī)器人中散布的諸多控制功能集中到一個(gè)具有更強(qiáng)大計(jì)算能力的控制云中。更重要的是，從機(jī)器人采集的海量數(shù)據(jù)將不再需要通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備而直接被上層網(wǎng)絡(luò)感知到，既增強(qiáng)了服務(wù)能力，又降低了基建支出。

5.2 電力行業(yè)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)能夠給電力行業(yè)帶來更精確的優(yōu)化、更便宜的發(fā)電以及更低的維護(hù)成本。發(fā)電站的規(guī)模十分龐大，構(gòu)成也非常復(fù)雜，不時(shí)會(huì)有新的應(yīng)用加入到發(fā)電站基礎(chǔ)設(shè)施中。這些多種不同類型的系統(tǒng)必須共同協(xié)作，才能高效發(fā)電。然而，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間往往具有差異較大的通信平臺(tái)，這些平臺(tái)只會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。在有實(shí)時(shí)通信需求的地方，這些系統(tǒng)就要特別保持與上層網(wǎng)絡(luò)的隔離。

當(dāng)把時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到發(fā)電廠后，將其作為不同系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信平臺(tái)，發(fā)電廠的架構(gòu)就能得到大幅簡(jiǎn)化。通過時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于需要確定性實(shí)時(shí)通信的系統(tǒng)來說，可以將這些系統(tǒng)集成到一起，統(tǒng)一調(diào)度它們的時(shí)間敏感負(fù)載，而對(duì)于其他高層的管理和安全協(xié)議等，則可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)傳輸，相互之間不會(huì)發(fā)生沖突。同時(shí)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)還具備一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即網(wǎng)絡(luò)故障可以被快速準(zhǔn)確定位，并在組件級(jí)進(jìn)行修復(fù)?？梢?，各個(gè)系統(tǒng)的更緊密集成能夠更高效地提高生產(chǎn)效率。

6 結(jié)束語

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)上提供確定性信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。當(dāng)前，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還處在發(fā)展初期，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究也在逐步推進(jìn)。我們應(yīng)密切關(guān)注國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的研制工作，適時(shí)推動(dòng)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的制定。同時(shí)，加強(qiáng)與各工業(yè)企業(yè)的交流，共同探討時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，建設(shè)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床及試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境，為相關(guān)技術(shù)的研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)的制定提供有利的條件。