2020时间敏感网络(TSN)产业报告.docx

2020时间敏感网络(TSN)产业 报告 目 录 一、 背景介绍 . 1 （一）工业网络演进概述 . 1 （二）时间敏感网络发展现状 . 4 1. 技术现状 . 4 2. 产业现状 . 6 （三）时间敏感网络技术优势 . 11 1. 互联互通 . 11 2. 全业务高质量承载 . 12 3. 智慧运维 . 12 （四）时间敏感网络产业驱动力 . 13 二、 技术体系 . 15 （一）标准体系 . 15 （二）网络架构 . 19 1. 在工业互联网网络中的位置 . 19 2. 时间敏感网络部署架构 . 20 （三）时间敏感网络关键特性 . 22 1. 时间同步 . 22 2. 流量调度 . 22 3. 网络管理 . 23 三、 与其他 新 技术 的融 合创新 . 26 （一） TSN+OPC UA . 26 （二） TSN+边缘计算 . 29 （三） TSN+5G . 31 四、 应用场景 . 35 （一） TSN 在制造业工业网络中的应用 . 35 （二） TSN 在车载以太网络中的应用 . 37 五、 发展趋 势 展望 . 38 （一）供给侧产业发展趋势 . 38 （二）需求侧产业发展趋势 . 39 （三）商业模式分析 . 40 一、背景介绍 （一）工业网络演进概述 工业网络基于工业控制系统发展而来， 20世纪 90年代兴起现场总线技术，通过标准化的通信接口解决了工业控制系统内部执行器、传感器以及变送器等设备的互联问题，实现了各类工业数据信号的共总线传输。 然而随着工业应用对于承载需求的进一步提升，现场总线低速率，兼容性差、系统彼此间互联互通互操作性差的问题逐渐凸显，具有更高传输效率、更大带宽、更好兼容性的基于以太网的工业控制网络应运而生，为进一步实现系统间的互通提供了基础。工业以太网技术遵从 TCP/IP框架，具有接口简单、协议开放、可靠性高、传输速率快、互通便捷等突出优势，进入 21世纪以来逐步成为工业网络的主流技术，并基于以太网架构建立完整的通信技术服务模型，构建工业应用层协议。 工业总线和工业控制网络技术不断推进各领域工业企业信息化建设进程，但值得注意的是 由于各领域仅关注解决自身生产问题（如过程控制、运动控制、车载网络等 ） ，各类工业总线和工业以太网往往诞生于不同领域，并往往按照特定领域的适应性来制定相关标准，因此就形成了以 IEC 61158为代表的工业总线系列标准和以 IEC 61784-2为代表的工业以太网系列标准。每一个工业以太协议背后基本都有一个工业集成商巨头在主导着该协议的生态圈构建，网络设备与协议绑定，各公司基于各 1 自协议对工业控制网络进行持续优化升级，但彼此之间相对封闭，互不兼容。如表 1所示： 表 1 目前主流以太协议 协议名称 运作组织 代表厂家 EtherNet/IP ODVA 罗克韦尔自动化公 司（美国） PROFINET PROFIBUS 国际组织 （ PROFIBUS International， PI） 西门子 Modbus-TCP Modbus-IDA 施耐德 Ethernet PWOERLINK Ethernet POWERLINK 标 准 组 织 （ Ethernet POWERLINK Standardization Group，简称 EPSG） ABB EtherCAT EtherCAT 协会 德 国 倍 福 （ Beckhoff） 公司 CC-LINK CC-Link 协会 日本三菱 随着工业企业数字化、信息化、智能化进程不断升级，工业网络逐步发展为由工业控制网络和工业信息网络两个层次组成，前者主要负责工业控制系统内部以及系统之间的互联互 通，承载工业控制信号及系统相关的监控、诊断、管理、操作等相关业务；后者主要支撑原始数据转换为信息应用于业务系统或实现控制反馈的数据互通。工业互联网的诞生是为了满足产业界通过智能化、精细化管理提升生产效率、降低运营成本的诉求，作为一个完整的通信信息系统，对于承载相关业务网络的互操作性、兼容性以及传输质量有更高要求。 工业互联网网络需要具备在全生产系统，乃至全产业链范 围实现人、机、物全要素的网络互联，以及设计、研发、生产、管理、销售、办公全环节的数据互通的能力。随着工业企业数 字化及信息化的进一步深化升级，工 业领域相关控制及信息系 统的业务类型不断增加、复杂性不断提升，工业控制网络与工 业信息网络也呈现融合趋势，具备支持多业务、多协议、多厂商设备和数据的互联互通、共网承载以及高质量传输能力已经成为工业互联网网络技术必然的演进方向。 时间敏感网络技术用以太网物理接口承接工业内有线连接， 基于通用标准构建工业以太网数据链路层传输；作为底层的通 用架构，为实现传统 OT 与 IT 网络的融合提供了技术基础，不仅并为打破以封闭协议为维度由某一厂商主导的产业模式提供 可能，提高了工业设备的连接 性和通用性，并且为包括大数据 分析以及智能的、连接的系统和机器在内的新的业务提供了更 快的发展路径，使得工业互联网网络技术和产业生态变得更为 开放和富有活力。 （二）时间敏感网络发展现状 1. 技术现状 时间敏感网络 （ TSN ） 技术相应基础共性标准主要由 IEEE802.1 TSN 工作组研究制定。 图 1 时间敏感网络标准关键路标 2006 年 ， IEEE802.1 工作组成 立 AVB （ Audio Video Bridging）音频视频桥接任务组，并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。有效地解决了数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。来自工业部门的一些参与者立刻看到了其保证带宽和有界延迟的潜在能力。 2012 年， AVB 任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，覆盖音频视频以外的更多领域：工业、汽车、制造、运输和过程控制，以及航空航天、移动通信网络 等，并成立了工业互联网的实时性工作组，称为 IEEE802.1 TSN。 2015 年， Interworking TG 与 TSN TG 合并成为新的 TSN 任务组。 IEEE802.1 TSN 任务组关注具体技术及其算法。 近年来，随着时间敏感网络技术在各个应用领域受到更为广泛和高度的关注， IEEE 也针对该项技术在垂直行业的应用开展了研究和标准的研制，并有多个工作组同步开展工作，包括已经完成的 802.1CM 项目定义了 TSN 应用于移动前传网络的标准； 2017 年由 IEC 和 IEEE 联合立项了 P60802 工作组，目标是定义 TSN 应用于工业自动化网络的方案类标准 ； 2019 年新立项的 IEEE 802.1DF 工作组，目标是定义 TSN 应用于服务提供网络的方案类标准； 2019 年新立项的 IEEE 802.1DG 工作组，目标是定义 TSN 应用于车载网络的方案类标准等。 2017 年起， IEC 开始投入时间敏感网络（ TSN）技 术 在工业领域的应用研究， IEC SC65C / MT9 与 IEEE802 成立 60802 工作 组，开 始 制 定 用 于工业 自 动 化 的 时 间敏感 网 络 （ TSN IA） 行规国际标准。 2019 年开始 ， IEC EE（ IEC System of Conformity Assessment Schemes for Electrotechnical Equipment and Components） 工作组致力于进行 时 间敏感网络一致 性 测试服 务 （ TSN Conformance Test Service） ，目 前 主要包括进 行 一致性测试过程的定义（包括： 与其他组织的连 接 和协作 ） ，测试实验室认定结果的 定 义（例如： 确认测试在不同的测试实验室使用不同的硬 件 /软件生成相同并 且可重复的结果）以及测试计划的创建等工作。 成立于 1986 年的 Internet 工程任 务组 （ IETF Internet Engineering Task Force） ，是推动 Internet 标准规范制定的最主要的国际标准化协会组织。 2015 年 IETF 成立了确定性网络 （ Detnet） 工作组，与负责第 2 层操作的 IEEE802.1 时间敏感网络（ TSN） 工作组合作，为第 2 层和第 3 层定义通用架构，致 力于在第 2 层桥接段和第 3 层路由段上建立确定性数据路径。 这些 路 径可 以提 供延 迟 、丢 包和 数据 包 延迟 变化 （抖 动 ）以 及 高可靠性的界限。可以认为 DetNet 是广义的时间敏感网络技术 。 目前 IETF DetNet 工作组已经完 成 整体架构、数据平面说明、数据流信息模型以及 YANG 模型等 交 付成果。 2. 产业现状 近年来，时间敏感网络（ TSN）技术作为新一代以太网技术， 因其符合标准的以太网架构，具有精准的流量调度能力，可以 保证多种业务流量的共网高质量传输，兼具技术及成本优势， 得以在音视频传输、工业、移动承载、车载网络等多个领域成 为网络承载技术的重要演进方向之一，从而得到产业界的广泛 关注。 时间敏感网络技术基于 IEEE802.1 协议实现，推动供应商开发遵从时间敏感网络标准的产品，可按需为需求侧提供更为灵活、可靠的时间敏感网络解决方案。这意味着产业界各类企业或机构有机会参与到相关技术研究中，基于统一标准的进行技术实施，并提供更为广泛的产品来支持时间敏感网络，从而建立起时间敏感网络产业生态。 目前，时间敏感网络技术已经成为包括芯片厂商、通信设备厂商、自动化厂商、相关行业组织以及各类研究机构在内的产业链各个组成环节关注的热点。如图 2 所示： 图 2 时间敏感网络产业现状示意 行业组织方面： 除了工业以太网相关协会组织（ 如 EtherCAT、 CC_Link、 Profinet 等 ） ，都开始致力于开展描述现有工业网络与时间敏感网络融合部署的模型的研究工作；产业内众多独立第三方组织也开始积极组织参与时间敏感网络标准的测试床建设、产品测试认证以及方案孵化推广等各项工作。 a) AVNU 组织为 TSN 网元提供时间精确性和低延迟特性提供认证服务，以保证其合规性和互操作性要求。该项工作目前已经完成了运营理念的论证，并已经在 2017 年开始了设备的相关认证工作； b) 工业互联网联盟 （ IIC） 整合了相关组织和技术资源，为组织成员提供测试平台并致力推进 TSN 标准在各垂直行业的应用； c) LNI4.0 也以每季度一次的频度定期组织进行 TSN 网络设备的对接实验； d) 为了推进 OPC-UA 与 TSN 的发展，由 B&R 和 TTTech 公司于 2016 年组织以多家公司自发联合形成了 “ 塑造者 ” 阵营 （ Shaper Group）。 2018 年， Rockwell 自动化加入该集团，