TSN网络控制系统应用场景有哪些？

我来对TSN 网络控制系统应用场景进行简单梳理。

1.工业控制

工业互联网网络总体发展趋势就是工厂内网组网扁平化，IP 化及无 线化。网络扁平化就是要改变现在的分层结构，使智能设备之间横向互 联，另外整个工厂智能控制系统扁平化。IP 化就是用工业以太网取代现场总线，用标准的工业以太网协议取代私有以太网协议，OT 层设备全 部实现IP化。为了使信息流和控制流彻底分离，使网络的逻辑组网更加 灵活，SDN（软件定义的网络）技术也将在工业互联网中得到广泛的应 用。下图是未来的工业互联网内网组网模式。

基于 SDN的工业异构网络架构，SDN控制器进行逻辑 抽象和集中管理，将不同应用的服务质量（QoS）映射到网络基础设施 上，从而形成支持 TSN 分时操作的工业 SDN 统一管控架构。 目前，在工业领域，包括贝加莱、三菱、西门子、施耐德、罗克韦 尔等主流厂商已经推出其基于 TSN 的产品。贝加莱推出新的 TSN 交换 机、PLC，而三菱则采用了 TSN 技术的伺服驱动器。未来，TSN 将成为 工业控制现场的主流总线。

TSN 时间敏感网络能够保持控制类、实时运维类等时间敏感数据的 优先传输，从而实现实时性和确定性。同时其大带宽高精度调度又可以 保证各类业务流量共网混合传输，可以更好地将工厂内部现场存量工业 以太网，物联网及新型工业应用连接起来，根据业务需要实现各种流量模型下的高质量承载和互联互通。同时 TSN 基于 SDN 的管理架构将极 大提升工厂网络的智能化灵活组网的能力，以满足工业互联网时代的多 业务海量数据共网传输的要求。

TSN 的意义对于工业而言并非仅仅是实时性，而在于通过 TSN 实 现了从控制到整个工厂的连接。TSN 是 IEEE 的标准，更具有“中立 性”，因而得到了广泛的支持。未来，TSN 将会成为工业通信的共同选 择。

2.智能网联汽车

在软件定义汽车的大背景下，无论是自动驾驶还是智能座舱领域， 电子电气架构集中化，软件硬件解耦，软件 SOA 已然成为行业发展趋 势。随着传感器数据的增加，各大模块直接的数据交互，传统的车载技 术已经无法满足智能网联汽车的要求，车载以太网具有大带宽、低延时、 低电磁干扰、低成本等优点，成为智能网联汽车应用的关键选择。

车载以太网网络架构主要包括网关、交换机、域控制器、连接器、 双绞线缆等，各个域控制器均通过车载以太网总线连接网关的交换机， 车载以太网交换机用于实现各个域控制器之间的信息交互，网关将通讯 协议转换后的执行请求通过交换机转发给域控制器，实现各个域控制器 之间信号的高效交互。

控制器将地址学习和路由等常见 SDN 功能，与 TSN 流预留等附加 功能相结合进行全网调度。 SDN 控 制器实现应用程序通过使 用 OpenFlow 或 NETCONF 的来控制网络行为。当消息从数据平面到达时， 控制器更新其网络状态，即主机地址和网络拓扑。网络应用程序可以对 传入的消息和状态更改做出反应，并根据需要将更新推送到数据平面。 因此，网络应用程序可以利用控制器提供的抽象网络视图，以及通信矩阵和安全策略给出的有关车载网络的详细知识。

数据平面通过将 SDN 转发管道与 TSN 实时控制集成在一起的交换 机连接 TSN 端点。每个交换机包含一个流表、一个流预留(SR)表、和门 控表（GCL）。TSN 入口应用过滤器和时间检查控制帧到达。当帧通过 入口控制时，SDN交换结构在流表中执行查找。如果不存在匹配的转发 规则，则默认丢弃该报文。然而，大多数控制器都会安装一个规则来接 收这些数据包。当找到匹配的条目时，将执行预定义的操作并将数据包 转发到指定的端口，然后端口的 TSN 出口控制会调整出站流量。

3.电力厂站

传统电力通信网络的局限性

传统电力通信网架构存在一定的局限性，可总结为以下几点： 1）交换方式：电力通信网在信息安全方面高度重视，所以采用的 是基于专网模式的点对点通信通道，业务在传输时对相应的通道具有唯 一使用权，这种方式能够确保部分要求高可靠性的业务的安全传输，但 是也造成了一定的网络资源浪费以及网络灵活性低等问题。 2）物理拓扑结构：目前电力通信网主要是依据 P2P 的模式来进行 规划。这种方式没有对整个网络的资源进行综合考量和规划，导致网络 难以实现更好的信息化建设。这就造成传统电力通信网络“不可控”和 “不可知”问题。

通信资源集中管控的必要性

随着能源互联网、电力物联网等的兴起，传感、边缘计算、大数据 处理等技术蓬勃发展，电力通信网中电力设备呈现多样化，不同设备对 通信需求各具差异。例如，FTU 设备，经常安装在配电室内，需实现数 据采集，与远端子站通信等功能，对通信带宽要求较低，但却需要较高的可靠性支持；DTU设备，常部署于户外或环网柜，需完成开关设施功 率、位置、电量等信息的采集和处理，对实时性要求较高；IED 设备， 主要安装与变电站，需实现故障诊断等功能，对实时性可靠性均要求较 高。

由此可见，日益复杂多样的电力通信网设备对通信系统的要求也越 来越高，配电网中的电力设备，型号各异，协议与制式互不兼容，且拥 有独立的通信接口。对电力物联网资源管控、统一部署带来巨大挑战。 此外，传统控制系统采用人为的方式按需逐个配置电力设备，随着新型 电力业务切换频率加快，需频繁更新部署方案时，会造成庞大的人力资 源浪费，且故障率上升，设备运行得不到实时监测，配网安全无法保障， 系统管控与维护存在很大的局限性。因此，亟待解决通信资源高效、统 一管控的问题，以促进电力通信网络管控智能化发展。

在智能变电站中，其主要特点是通信平台网络化、全站信息数字化 和信息平台共享化。智能变电站提供数据的传输平台网络化、共享化的 同时，也给智能变电站的运行安全带来了一定的隐患，如会导致网络拥 塞、网络风暴、时延抖动加剧等问题的出现，不仅影响数据传输的实时 性和可靠性，甚至还会给智能变电站的间隔层和过程层内的组网设备造 成破坏，从而给智能变电站带来安全事故。

智能变电站网络的集中控制能力有利于从宏观的角度调配智能变电 站传输带宽等网络资源，提高智能变电站网络资源的利用效率，与新一 代智能变电站扁平化网络设计相符，TSN 控制器可直接借助自身网络操 作系统实现对全站通信网络流量的监控，展现全站通信网络实时状态， 在变电场景引入 TSN 控制技术有望提升变电站通信网络以下性能：（1） 保证重要信息传输的确定性和可靠性。（2）实现变电站通信网络的智 能运维管理，提升网络的运行可靠性。（3）支撑变电站通信网逐步升 级到融合网络，支持设备灵活扩展、满足设备即插即用；支持智能传感 器、视频终端等异构信息安全无缝的接入；实现多业务数据的安全、可 靠、实时、高效的共网传输。

4.航空航天

航空航天业专用协议包括 AFDX、ARINC等，这些协议带宽较低且 供应商稀少，而又由于多网络的平行传输，因此没有一个特定的协议能 够适用于一架飞机的所有子系统，组网成本高昂，系统布线也很复杂。 航空航天网络需要一个通用的网络架构，布线简单、供应商多、组网成 本相对较低，同时满足确定性传输、低延时、低抖动、冗余机制和高带 宽的要求。TSN 控制系统的应用解决火箭系统及其他航天器的大容量带 宽需求。

关于 TSN 在航空航天领域的应用，2019 年，国际自动机工程师学 会负责航电系统网络规范制定的 SAE AS-1A 工作组开始寻求与 IEEE 802.1 TSN 工作组联合，共同制定 TSN 在航空航天领域应用的规范 AS6675,标志着航空航天领域可能成为未来 TSN 重要的应用场景。2020 年 1 月 , 美 国 国 家 航 空 航 天 局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA)负责的星载网络项目也启动了时间敏感网络的研 究工作。J.C.Pierre 等人 2I 从支持终端数、数据速率、配置和管理难易 程度和低时延等方面分析了 TSN 应用在卫星内部对服务质量(Quality of Service，QoS)的支持，并且参考 SAVOIR(Space AVionics Open Interface Architecture)架构给出了一种基于以太网的星内网络拓扑连接图。

卫星网络是由分布在不同轨道高度的卫星、各类空间飞行器以及地 面信关站等设备共同构成的层次化、立体化的复杂网络，这给卫星通信 网络带来了一系列的挑战。卫星网络的规模庞大、结构复杂，对网络管 理与资源配置提出了严峻的挑战。此外，由于天地一体化网络系统由天、 空、地不同类型的多种网络构成，彼此间相互独立、复杂异构，因此， 天地一体化网络存在着明显的异构性，在跨域互操作性方面有着。

国内外对天地一体化网络展开了多层次、多角度的研究。多家国外 公司均推出了自己的天地一体化网络架构，其中有的已经在部署阶段。 最具代表性的是 SpaceX 的 Starlink 计划，打造低轨宽带卫星互联网巨型 星座，截至 2020 年 5 月 5 日在轨运行卫星已有 420 颗;亚马逊的 Kuiper 计划明确提出用软件定义的系统架构实现高速、低延迟的卫星宽带服务。 在学术界，欧盟委员会于 2015 年通过 Horizon-2020 框架发起 VITAL 项 目，该项目将 NFV 引入卫星-地面结合的网络，用 SDN 实现联合资源管 理；同年，欧盟也发起了 SANSA 项目，研究利用卫星提供地面网络高效弹性的无线回传链路;2017 年，Horizon-2020 也支持了 Sat5G 项目，用 于支持研究卫星网络与新一代 5G 通信网络的融合。

我国也十分重视卫星互联网的发展。“天地一体化信息网络”已被 列入“十三五”规划的 100 个重大工程项目。中国航天科技和中国航天 科工两大集团都启动了各自的低轨通信项目“鸿雁星座”和“虹云工 程”，两大工程的首颗试验卫星均在 2018 年 12 月发射升空。目前正依 托卫星互联网项目构建更大规模的自主低轨卫星网络。