一、引言

在工业4.0的背景下，制造业对确定性和低延迟网络的需求显著增加。时间敏感网络（TSN）是一组IEEE 802.1标准，旨在通过时间同步的数据包传输来提供高精度、低延迟的网络连接。TSN通过在整个网络中实现准确的计时、流量调度和资源分配，成为使软件定义制造（SDM）等概念成为现实的关键技术。另一方面，INtime实时操作系统（RTOS）通过集成和抽象化TSN及Intel TCC技术，为开发人员提供了管理、配置、部署以及应对融合IT/OT时间敏感网络复杂性的工具，这将推动工业数字化转型从数据转向信息，加速TSN采用并放大IoT在工业边缘的价值。

二、方案概览

1、TSN技术

时间敏感网络（TSN）是基于以太网的一组标准，旨在支持确定性网络的数据传输。TSN的关键功能包括：

• 时间同步：通过精确时间协议（PTP），TSN能够在整个网络中实现纳秒级的时间同步，从而确保数据包在预定的时间窗口内传输。
• 流量调度：TSN支持对不同类型流量进行优先级排序和调度，确保关键数据能够以最低延迟传输。
• 资源分配：通过动态资源分配，TSN能够高效管理网络带宽，确保每个节点都能获得所需的网络资源。

这些功能使TSN成为工业4.0应用的理想选择，尤其是在需要高精度、低延迟的实时控制系统中。TSN不仅支持多种流量类别，还能够在一个网络中实现多个协议的互操作，从而简化了网络架构，提高了网络的灵活性和可扩展性。

2、INtime实时操作系统（RTOS）

INtime 实时操作系统则是一款以微秒为单位的硬实时、事件驱动型操作系统。针对 x86 架构进行优化，INtime实时操作系统可在现成的硬件上运行，无需开发板支持包（BSP）。INtime支持广泛的硬件、操作系统以及嵌入式虚拟化组合，使开发人员能够灵活地将异构工作负载整合至单一平台。同时通过与IEEE 1588精确时间协议（PTP）和英特尔时间协调计算（IntelTCC）技术的结合，INtime RTOS可确保在启用TSN的自动化、汽车和其他时间关键型基础设施中实现严格的确定性，为可扩展的TSN部署奠定基础。

三、TSN挑战与INtime改进

1、实施TSN面临的挑战

IEEE 致力于通过通用实时以太网标准——时间敏感网络（TSN）——将操作端点和 IT 基础设施进行融合，这一努力已经超过10年了。TSN提升了网络的确定性、同步性和可靠性；降低了成本；并整合了自动化公司广泛使用的基于以太网的现场总线网络。然而，迄今为止，TSN仅被少数组织用作对传统现场总线的部分替代，更未成为行业普遍接受的融合网络标准。

自IEEE TSN任务组成立以来，针对基础TSN数据链路标准的多个扩展版本相继出现，使其适用于与PROFINET、CC-Link IE、OPC UA FX等高层协议一起使用。一方面，这些新版本证明了TSN作为下一代实时融合网络解决方案的可行性。另一方面，它们也造成了混淆，主要是因为TSN标准允许高层协议规定低层协议的配置和运行方式。

为了实现TSN十多年来行业所期待的大规模应用，用户必须能够无需理解其细微差别即可访问它，而无需成为 TSN 专家。基于此今天OT环境需从硬件为中心的环境转变为由确定性虚拟 PLC（vPLC）驱动的动态、软件定义的生态系统，这就要求与TSN一起工作的终端和应用程序开发者需要一个IT/OT网络抽象层。

2、INtime带来的改进

从头开始构建专为实时性能而设计的模块化组件是首选方法。

INtime实时操作系统的嵌入式虚拟化功能，它能够将计算、内存和通信资源分配给特定的进程。对于TSN应用而言，这意味着实时操作系统（RTOS）可以为不同流或不同类别的多协议流量提供不同级别的确定性。换句话说，INtime能够被配置为‘虚拟网络交换机’，根据需求灵活分配虚拟网络资源。不同连接接口与应用程序进行交互——甚至跨越多个节点上的多个虚拟端点。

由于TSN（时间敏感网络）本质上是一种涉及多个节点的技术，因此作为虚拟交换机的功能至关重要。RTOS支持TSN相关的流量整形、配置、可靠性及时间同步子标准，其中包括常用于为TSN网络设备提供统一定时的精确时间协议(PTP)，与此相配合，它允许在INtime分区中运行的应用程序使用外部定时源作为调度本地实时进程的参考。通过INtime的非对称多处理（AMP）架构和基于全局对象（GOBS）的进程间通信（IPC）机制，可以在独立分区中运行的工作负载之间协调实时任务。

另外INtime 实时操作系统（RTOS）内置的通信系统旨在管理确定性的流量，并且可以直接使用。INtime支持TSN协议栈，包含适用于大多数实时以太网协议的高性能以太网（HPE）接口，包含适用于以太网控制器（包括 Intel® i210、i225 等）的驱动程序，并允许创建具有专用资源的明确分区操作环境，这些资源有助于在多核处理器上开发实时应用程序。

3、应用案例

INtime RTOS利用IEEE 1588 PTP和Intel TCC功能来同步其TSN堆栈，并确保实时工作负载与TSN网络接口所需的确定性得以满足，同时通过与基于TSN的以太网交换机结合使用，以保证实时制造用例的低延迟、低抖动和服务质量 （QoS）。制造商只需要“连接”实时系统，TSN会处理其余的工作——即使网络承载“混合”流量（即控制流量和非实时数据）。

如下示例，INtime的广泛 TSN协议支持使得异构的应用层协议能够在同一基础设施上汇聚，甚至可以在同一应用中实现。

四、未来展望

像其他网络技术一样，TSN是一种应用使能技术。通过提供网络确定性、同步、互操作性、可靠性和成本效益等方面的改进，TSN促进了新用例的创建和现有用例的增强，这在自动化行业中几十年来的发展中所未曾经历。此外，它为软件定义的未来奠定了基础，通过在实时以太网上远程部署、管理和维护工作负载，将OT（运营技术）的总拥有成本（TCO）大幅降低。

然而，若不降低接入门槛，TSN将难以实现统一与普及，进而阻碍真正的IT/OT融合的实现。INtime RTOS是一款快速启动的TSN解决方案，支持多种工业应用协议、不同的网络配置，并简化了TSN端点的部署复杂性。其架构可扩展以支持确定性 Wi-Fi、5G over TSN 以及与软件定义网络（SDN）的集成，同时也为未来的TSN安装做好了准备。

虹科INtime解决方案：https://www.intelnect.com/intime-rtos/

虹科TSN解决方案：https://www.intelnect.com/hongke-tsn-hsr-prp-solutions/