工业以太网与传统以太网区别（工业以太网通信）

Analog Devices 携手合作，实现更大程度的普及。

OPC UA 通过其地址空间形成通用应用程序接口，而TSN 为标准以太网添加实时功能并实现千兆位数据速度。因此，通过发布/订阅(pub/sub) 模型将这两种技术结合起来是有意义的，但在工业4.0 的背景下，工业通信还有其他可能性。在本次采访中，ADI 公司确定性以太网技术小组的系统应用工程师Volker Goller 提供了一些背景信息。

问：在OPC UA TSN系统中，OPC UA和TSN分别承担哪些任务和功能？

答：为了澄清OPC UA 的作用，我想引用OPC 基金会副总裁Stefan Hoppe 的话：“OPC UA 不是一个协议，它是一个信息模型。”他的意思是OPC UA首先是一个信息模型。当然，它仍然是一个连接客户端和服务器的协议，但OPC UA的优势在于地址空间，这使得OPC UA成为通用的应用接口。 OPC UA 非常灵活，允许将现有用户界面（工业以太网协议配置文件）映射到OPC UA。因此，工业以太网协议中的几乎每个配置文件现在都在OPC UA 地址空间中具有表示形式，或者正在开发中以实现其表示形式。 OPC UA 尚未指定这些配置文件（I/O、驱动器、安全性等），但这可能会改变。在工业4.0的框架下，OPC UA被认为是未来非常有前途的通用语言。

相比之下，TSN 是IEEE-802.1 以太网的扩展，具有一整套新功能，旨在使以太网更具确定性和实时性。因为预计未来会有很多厂商生产支持TSN的硬件，也可以看作是实时通信的民主化。几乎每个协议都可以通过TSN 获得实时能力。

在此背景下，发布/订阅工作组成立，旨在借助TSN 为OPC UA 指定实时传输协议。这将使OPC UA 成为工业以太网协议的实时替代方案。它将在传统PLC 之上受到热烈欢迎，因为来自不同制造商的控制器将能够与OPC UA 实时交互。 TSN还可以为OPC UA提供有保证的网络带宽，因此其鲁棒性将比目前可实现的更高。

然而，发布/订阅并不是使OPC UA 具有实时能力的唯一方法。业界还在努力开发DDS 的OPC UA 模型，DDS 是一种广泛使用且经过验证的实时协议。这将使具有DDS/TSN功能的分布式系统能够运行，并使用OPC UA作为应用程序接口。

结果如何还有待观察。

问：未来哪些任务和功能将留给传统工业以太网系统和现场总线？

答：传统的工业以太网协议不会消失。将来，有些仍会以不同的形式存在（作为OPC UA 中的配置文件或配置文件系列），有些将基于TSN。传统的现场总线将被以太网取代。

问：除了配置文件级别的OPC UA TSN 之外，传统工业以太网系统在OPC UA TSN 系统中还可以执行哪些任务和功能？

答：需要再次澄清的是，TSN 不会自动实现OPC UA。它们是两种完全独立的技术。 OPC UA可以在控制器网络（控制器到控制器）中发挥重要作用。带有TSN 的pub/sub 在这方面具有优势；它是否也能在现场层面发挥作用还有待证明，因为OPC UA 不是一个小堆栈，至少如果您希望充分利用它的优势的话。

问：传统工业以太网系统的用户组织如何应对TSN挑战？

答：我想说，所有用户组织都在响应TSN 带来的机会。 TSN 预计将提供更多硬件选项，特别是基础设施组件，并实现更高的速度，即1 Gbps 或更高。最终，我们将看到Profinet TSN，以及基于TSN 的EtherNet/IP 和OPC UA Pub/Sub。

问：TSN 能否支持实时并将周期时间缩短至31.25s，甚至未来可能更低？

答：在100 Mbps 下，为了实现低于250 s 的周期时间，现有工业以太网协议必须对标准以太网进行重大修改。 IEEE 对于非标准方法（例如EtherCAT 甚至Sercos 所基于的集总帧协议）并不是很友好。这些扩展不太可能被纳入TSN 标准。

对于您的问题，至少只要标准TCP/IP 应用程序的真正并行操作必须有效，TSN 就会达到IEEE 定义的100 Mbps—— 250s 限制。对于更短的周期时间，通往1 Gbps 的道路是开放的。

问：TSN 如何解决或预期解决安全问题？

答：安全一般采用黑色通道原则。安全性是在实际通信协议之上定义的。然而，通信通道的可靠性是安全考虑因素之一。 TSN 并不比当今的系统更不可靠。

问：OPC UA 协议也可以通过传统的工业以太网系统传输，例如时隙或隧道。那么为什么还需要TSN 呢？

答案：TSN 为标准以太网添加了确定性和实时性能。在许多情况下，不同的协议共存于同一电缆中。 TSN 支持实时和尽力TCP/IP 在单根电缆中的稳健共存。

问：TSN与传统工业以太网系统相比有哪些优势？

答：TSN 并不是一种新的工业以太网协议。它是标准以太网的统一扩展，增加了实时功能。我们已经阐明了它的优点：硬件可用性、统一基础设施和与速度无关的定义。

问：成本在这里扮演什么角色？

答：可扩展、标准化的硬件和基础设施有望降低成本并统一专业知识。

问：实现1 Gbps 或更高数据速率的愿望发挥了什么作用？

答：1 Gbps（及以上）是当今网络的逻辑发展。它会取代100 Mbps 吗？它不会完全取代它，但是

1 Gbps 支持新的应用程序，并可以克服当今数据密集型应用程序中的性能瓶颈。

TSN并不是一种新的工业以太网协议，而是标准以太网的统一扩展，增加了实时功能。

采访由德国MarktTechnik 的Andreas Knoll 进行。

关于作者

Volker E. Goller 是Analog Devices 的系统应用工程师。他在各种工业应用领域拥有30 多年的经验，从复杂的运动控制和嵌入式传感器到时间敏感的网络技术。作为商业软件开发商，Volker 为无线和有线应用开发了各种通信协议和堆栈，同时积极参与行业领先组织新通信标准的开发。