自1973年以太網協議推出以來，該技術已經發展到支持每一個可以想象到的連接應用。在這些應用中，以太網被設計成一個非確定性的基于數據包的網絡，但這也意味著以太網不能滿足那些需要時間關鍵性、故障安全操作的應用需求。

為了滿足對時間敏感的應用對嚴格控制延遲和抖動的需求，TSN任務組對現有的IEEE 802.1標準進行擴展，旨在解決時間同步、延遲和可靠性問題，這使得具有時間敏感、故障安全要求的應用能夠使用與其他基于以太網的服務相同的基礎設施。

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TSN并非單一標準，而是多個標準的組合。圖1顯示了TSN的4個主要組成部分，主要用于解決以太網在時間同步、可靠性、延遲和資源管理方面的挑戰。下文中，我們將從以太網的缺陷出發，講述TSN標準如何解決這些挑戰。

圖1 TSN標準的構成

01

時間同步

Time synchronization

以太網并非一個時間同步的網絡，在這方面的擴展是精確時間協議(PTP)。在IEEE 1588-2008中定義了PTP 2.0版本，而在IEEE 1588-2019中更新了向后兼容的2.1版本。在TSN中，使用了一種被稱為廣義PTP(gPTP)的PTP改編，它被定義在標準IEEE 802.1AS中。兩者都使用分層的主從結構，在物理網絡中分配時鐘同步和校正信息。

PTP是基于網絡進行同步，其設備使用通過局域網（LAN）發送的同步信息來同步其時間基準，所連接的時鐘進行通信，并選出一個主時鐘作為最終參考，并使用來自主時鐘的信息同步它們的時間。

圖2廣義精確時間協議

圖2顯示了一個支持gPTP的以太網網絡。PTP v2引入了“ 透明時鐘” 的概念，它使轉播PTP消息的設備能夠支持他們自己的時鐘，并發送通過該設備來調整延遲的后續消息。這就是所謂的兩步同步。gPTP進一步發展了這一概念，要求所有網絡節點都支持透明時鐘。在gPTP中，主站首先發送一個同步信息，然后發送一個后續信息，指出同步信息發送的精確時間。PTP v2支持不需要后續信息的單步同步，而gPTP 則需要兩步同步。

在每個設備上，接收端口被認為是一個時鐘從屬端口，而所有其他出口端口則作為網絡中其他節點的時鐘主機。每個主端口傳播同步信息，同時也發送一個后續信息，指出從主站到節點的路徑延遲，加上通過橋的延遲。有了同步消息和延遲信息，每個節點可以補償和糾正它們的時鐘，確保可靠的時間同步。

02

延遲

Latency

將傳統的以太網用于時間敏感的應用時，主要的挑戰之一是延遲。絕對延遲是一個問題，但延遲的可變性和不可預測性是更值得關注的。如果網絡中的延遲和抖動能夠被控制在一定范圍內，或者說被限制，那么就有可能支持時間敏感的應用。

在TSN中，擴展現有標準的目的不是消除延遲和抖動，而是盡可能地減少延遲，保證延遲和抖動性能的最大極限。在這方面來說，時間感知調度和搶占式轉發是很有幫助的，兩者的結合意味著支持時間敏感應用的以太網幀將以盡可能低的延遲傳輸。

2.1 時間感知調度

在傳統的以太網中，幀是完整地發送的。換句話說，當交換機開始發送一個幀時，其他幀將不得不等待，直到它完成。對于一個最大長度為1518字節的10Gbps的以太網幀，需要1.23微秒的時間來發送該幀。這聽起來可能不多，但當延遲通常以納秒為單位時，1微秒是一個很大的數字。大多數使用以太網的應用對時間不敏感，可以承受這種等待，但對時間敏感的應用卻無法承受這種延遲。

TSN在IEEE 802.1Qbv中引入了時間感知調度器的概念，通過確保高優先級的幀在傳輸中總是被優先考慮來解決這個問題。時間感知調度器是基于時分多址的概念，其中時間被劃分為長度相等的離散時間間隔，稱為周期。它依靠gPTP時間同步來確保以太網TSN網絡中的所有節點都是時間同步的。在每個周期內，可以為數據傳輸分配一定數量的時隙。在每個端口，時間感知調度器決定哪一個以太網幀要被傳輸，如圖3所示。

圖3時間感知調度

它使用服務類別(CoS)信息，例如VLAN標記中的優先級代碼點(PCP)，來對在CoS隊列中傳輸的幀進行優先級排序。對于每個CoS隊列，都有一個具有時間感知能力的門，它控制是否可以發送CoS隊列中的下一幀。門可以打開或關閉傳輸，這允許調度器控制在下一個時隙中將傳輸哪個CoS優先級。通過這種機制，可以對更高優先級的幀進行優先級傳輸。

2.2 優先轉發

通過時間感知調度，只有當沒有其他更高的優先級的幀被安排傳輸時，才會傳輸盡力而為幀。然而，當一個盡力幀正在傳輸時，一個更高優先級的幀可能到達。這個幀可能支持一個對時間敏感的應用，它不能容忍延遲。

通過802.1Qbu中定義的搶占式轉發，較低優先級的以太網幀的傳輸可以被中斷，以便較高優先級的以太網幀可以被加速。如圖4所示，這實際上意味著支持時間敏感應用的較高優先級的快速以太網幀經歷了非常小的延遲，而犧牲了其他對時間不敏感的應用。

圖4 優先轉發

03

可靠性

Reliability

包括以太網在內的互聯網協議被設計為能夠容忍網絡中的變化。然而，對于重新建立網絡路徑的機制，如生成樹協議，可能需要大量的時間來收斂到新的網絡狀態。因此，需要可靠地傳送以太網幀而不出現明顯的延遲，以支持時間敏感的應用。一個必須支持時間敏感應用的網絡還需要對有缺陷的分布式應用有一定的容忍度。

TSN在IEEE 802-1CB中引入了幀復制和可靠性消除（FRER）機制。為了解決通信故障問題， TSN還引入了每流過濾和警戒（PSFP）機制，該機制首先在IEEE 802.1Qci中定義，并在IEEE p802.1Qcr中成熟。

3.1 幀復制和可靠性消除(FRER)

顧名思義，FRER允許每個傳輸的以太網節點復制以太網幀，以提供通往目的地的多條路徑，如圖5所示。

圖5 幀復制和可靠性消除

每個復制的幀都有一個序列號。這允許接收節點使用序列號來消除在同一入口端口收到的重復數據。通過使用復制和消除， 以太網幀很有可能在不引入任何額外延遲的情況下到達其目的地。

3.2 每流過濾和警戒(PSFP)

PSFP的目標是確保單個節點的故障不會傳播到整個網絡。TSN為IEEE802.1Qci 提供了擴展，它規定了限制數據流可使用的帶寬或時間資源的對象和功能。這意味著，如果一個數據流的以太網幀進入交換機并超過分配的資源，它將被放棄。

04

資源管理

Resource Management

TSN使用專用時隙來傳輸幀，但這些時隙的保留和網絡上傳輸的協調需要進行端到端的配置。這意味著需要引入新的配置和資源管理機制來支持這些改進。在IEEE802.1Qcc中，為配置和資源管理定義了三種不同的模式；完全集中式、分布式和混合模式。

4.1 完全集中的模式

完全集中的模式提出了資源分配的集中控制，類似于軟件定義網絡（SDN）。以太網幀的發送者，稱為 " talker"，與集中式用戶配置（CUC）實例進行通信，為它們想要傳輸的基于以太網的通信流提供要求。這個流的接收者，稱為 "listener" ，通知CUC它們想接收這個流，如圖6所示。

圖6 TSN的配置

CUC將這些要求和配置參數傳達給集中網絡配置（CNC）實例，該實例負責配置網絡節點，這些節點將支持流通過網絡的路徑。這包括計算和選擇用于通信的時隙，需要與路徑中的所有節點同步。TSN沒有規定配置和網絡管理的協議，但允許使用現有的解決方案來實現，如Netconf和Yang。

4.2 去中心化和混合模式

去中心化模型不依靠集中控制來設置路徑，而是依靠網絡中節點之間的信息交換。在TSN中，IEEE 802.1Qcc中定義了流保留協議（SRP）的修改版，端點使用該協議來宣傳他們的要求，并用于交換信息，以便在保留時隙和路徑上實現同步。在混合模式中，集中式和非集中式的機制都被結合起來。終端仍然使用SRP來公布他們的需求，這消除了對CUC實例的需要。然而，網絡節點可以使用SRP或CNC實例來協調預訂。