随着基于以太网网络的不断发展，两个行业组织最近宣布计划将以太网提升到另一个水平——将该技术扩展到对时间敏感的运营型无线通信应用环境中。

近日，以太网联盟表示，它在竭力将更快速更简单的通信引入到通常出现在建筑和工业自动化环境的运营技术（OT）网络中。以太网联盟旗下有众多的通信厂商，包括博通、思科、戴尔、瞻博、英特尔以及诸多大学和行业成员。

该行业组织聚焦的一项技术最近成为标准的IEEE规范：802.3cg，该规范定义了在许多情况下使用的单对双绞线以太网（SPE），而不是众多的现场总线电缆，比如RS 485双绞线、RG 6同轴电缆和仪表电缆等。

基于双绞线的以太网

OT网络过去与基于以太网的IT网络隔离开来，“虽然这些网络如今在高效运营，但使用过时的不同的网络协议。它们速度慢，通常只有31.2kb/s，而且需要转换网关才能将必要的数据转换成以太网。SPE是专门为解决OT网络的挑战和拓扑结构而设计的，”以太网联盟主席、思科的杰出工程师Peter Jones如是说。

他说：“2020年2月发布的IEEE 802.3cg规范是我们一直为OT网络所制定的标准。”该联盟希望帮助运用这项标准以提升OT网络的价值，并改善业务成果。最终目标是，面向整个企业的单协议网络同时满足IT和OT的需求。“这两个网络的融合是实现工业4.0目标的关键。”

在制定“cg”标准期间，IEEE 802.3cg特别工作组密切关注OT网络的需求。许多专有的实现都有共同元素。大多数与RS-485电气兼容，有两种主要的拓扑结构，共享公共的物理层：双绞线电缆。SPE小组委员会主席、泛达公司（Panduit）的高级首席工程师Bob Voss表示，SPE充分利用这些共同元素来创建一种采用以太网及其所有优点的方法，无需“重新发明轮子”。

“SPE让用户可以以他们熟知的最有效的方式来构建OT网络所服务的设施； SPE旨在支持经过验证的拓扑结构，甚至使用相似的物理层。许多SPE专家认为，如果电缆状况良好，可以重用当前OT网络的物理层元素。”

过去，将以太网应用于OT网络需要调整网络，以便与常规的BASE-T以太网协同运行。这很有效，但是带来了障碍，因而限制了采用。Voss表示，SPE消除了这些障碍。

Voss说：“此外，目前专有OT协议存在的问题之一是迫在眉睫的技能缺口。支持这些重要网络的部落知识留存在已到退休年龄员工的头脑中。这带来了巨大的业务连续性风险。而且，由于公司企业希望利用更智能的建筑物来打造更愉悦、更高效的工作场所，因此需要OT网络拥有更高级的功能，而以太网是关键的赋能因素。”

基于无线的时间敏感网络

在不受电缆束缚的世界，方兴未艾的5G和802.11已引起人们对通过无线扩展以太网的时间敏感网络（TSN）技术产生了兴趣。

融合无线和以太网TSN的动力来自Avnu联盟，该联盟表示其成员包括超过95%的以太网硅片供应商以及汽车行业和视听系统供应商。其成员包括思科、英特尔、博士、博世和极进网络。Avnu联盟定义了互操作性需求，并且是TSN的证书颁发机构（为可互操作产品授予证书）。该联盟对产品并不进行实际的物理测试，这项工作由多家注册的测试机构来处理。比如说，新罕布什尔大学互操作性实验室就是一家注册的测试机构。

Avnu联盟无线TSN工作组组长兼英特尔首席工程师Dave Cavalcanti表示，TSN是IEEE 802.1 TSN工作组开发的一组标准，该工作组定义了一套新的机制，用于为与其他类型的尽力而为应用共享的局域网（LAN）中的时间敏感数据提供时间同步和时效性（确定性的数据传输）。

TSN标准为基于802的局域网定义了新功能，比如流量整形、帧抢占、流量调度、入口限速和无缝冗余。当网络的所有部分都以相同的参考时间运行时，可以根据时间感知表来协调流量，这种方法可以为注重时间的流量更有效地控制延迟。Cavalcanti表示，这些新功能为管理以太网上的流量提供了一个全新的控制层。

据Cavalcanti声称，在过去三、五年，IEEE 802.1 TSN标准已得到长足的发展，在工业市场更是如此。

使用TSN的无线通信不仅实现了移动性，还很灵活，降低了布线成本。 Cavalcanti说：“比如说，无线TSN功能使制造商能够轻松地重新配置工业自动化和控制系统，并优化移动机器人和自动导引车的路线安排和利用。”工业自动化系统和移动机器人之所以是两个重要的使用场景，是由于无线对于任务和路线的移动性、灵活性以及可重新配置性至关重要。

Cavalcanti说：“电力电网系统是无线TSN的另一个值得关注的使用场景，因为这种系统的覆盖范围大不相同，有的是本地环境（比如变电站），有的是广域环境（分布和传输）。工业控制系统还能得益于无线连接，但是它们需要最高级的确定性和可靠性，而且完全依赖基于无线链路的时间感知（IEEE 802.1Qbv）调度。”

实施无线TSN扩展存在着一些挑战。

说到无线TSN扩展，干扰通常是要考虑的首要问题。Cavalcanti表示，容易受到恶意干扰也常常是一大问题。“虽然需要考虑每种特定无线部署和应用中威胁的大小，但重要的是，让工具能够减小无线TSN域中的干扰（无论是否有害）造成的潜在影响。由于TSN基于以太网和无线标准（IEEE 802.11/Wi-Fi和5G），因此网络可以充分利用针对以太网、802.11和3GPP系统开发的安全最佳实践和标准。”

还可以利用精确定时机制，为TSN添加另一层安全机制，便于及早发现IEEE 802.1Qci规范中定义的网络泄密。802.1Qci功能可识别时间敏感的数据流，并使用定时和调度信息来接受或丢弃数据包。正确的数据包须在正确的端口上在正确的时间窗口内到达才可以被接受。Cavalcanti表示，这项功能还需要扩展到无线网络上。

Cavalcanti说：“最后，并不是每一项无线技术目前都能（或都会）支持TSN功能。比如说，考虑到Wi-Fi和5G中目前和即将出现的无线功能，需要大范围高速移动的使用场合对于无线TSN级的性能而言尚未被认为是切实可行的。”

TSN是利用底层数据通信技术（比如以太网、802.11/ Wi-Fi和最终的5G）的网络层。正因为如此，可以将TSN视为跨异构连接技术运行的统一层，还有可能整合异构连接技术。Cavalcanti表示，TSN的作用就是确保端到端数据分发，并辅以确定性。“每种单独的连接技术都可以实现各自的功能来帮助实现TSN目标，但是TSN的应用范围比任何特定的连接技术都来得广泛。”

尽管业界其他组织有了发展势头，并取得了进展，但仍需要做更多的工作才能将无线TSN功能推向市场。Cavalcanti表示，比如说，仍然需要开发专门针对无线的TSN配置接口、参数和测试程序。“这就是为什么我们在Avnu联盟内部组建了无线TSN工作组。WTSN工作组的工作表明，及早开始讨论面向有线和无线技术的一致性TSN接口、互操作性测试以及认证工作等话题，并且保持步调一致很重要。”

本文作者Michael Cooney是Network World的高级编辑，撰写IT文章的经验超过了25年。

编译：沈建苗

原文网址 https://www.networkworld.com/article/3570159/industry-groups-prep-ethernet-for-operational-wireless-networks.html

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