傳統網絡朝著為用戶提供互聯服務、擴大業務帶寬、保證服務質量的方向發展。直到現在，基于網絡的服務主要以人為中心，幾十毫秒的延遲并不是什么大問題。然而，隨著機器對機器 （M2M） 和物聯網 （IoT） 等應用的出現，網絡服務面臨著新的挑戰，在車聯網、工業互聯網等場景下，即使最輕微的延遲也會導致服務中斷。TSN（時間敏感網絡）技術是IEEE 802.1標準化的一種基于以太網的網絡技術，為需要超低延遲和高精度特性的應用提供服務。

背 景

以太網技術不僅被證明非常成功，更是一種存在于整個IT世界的通信方法。然而，到目前為止，還不存在對IEEE標準以太網的實時支持。當流量集中在某個特定節點上時，現有以太網可能會遇到數十毫秒或更長時間的流量延遲。已經成為企業網絡的全球標準的以太網，還沒有滿足確定性的要求。

由第四次工業革命引發的工業自動化，如實時監控和高精度遠程控制，需要高可用性和極低延遲（小于 1ms）的通信服務，雖然 IEEE 802.3 以太網是一種廣泛部署的低成本技術，但它并不滿足極低延遲和零丟失的確定性要求。為了實現確定性性能，大多數工廠選擇繼續使用現場總線技術和以太網的專有增強功能（例如 EtherCat、PROFINET 或 SERCOS III）。

因此，目前的工業網絡并不統一，呈現出了不同的形態。這些單個產品的使用面臨著低安全性和互操作性的限制，這也是目前工業互聯網網絡集成和向第四次工業革命過渡的障礙。

然而，TSN的出現改變了局面。本文將討論TSN是什么，它如何實現確定性通信，以及它的應用和局限性。

TSN概述

TSN的定義

TSN是基于AVB開發的一套標準，旨在為網絡上共存的各種時間敏感數據流提供零擁塞損失和有限延遲，具有延遲有限、數據包轉發可靠、與以太網共存等優點。

TSN 通過引入新的流概念擴展了 IEEE 802 最佳網絡模型，可增強流實時能力。換句話說，它可以被視為一種保證以太網網絡中節點間數據到達時間的技術集。

TSN的優勢

有限延遲和零擁塞損失

擁塞損失是網絡節點中輸出緩沖區的統計溢出，是盡力而為網絡中丟包的主要原因。為了解決這個問題，TSN通過將優先級的概念嫁接到一種類似于傳統時分復用（TDM）的方法上進行傳輸。根據優先級為數據包分配可用的傳輸時間，因此保證了到達時間，即使出現瓶頸，也可以在不影響預定優先級的情況下進行傳輸。因此，TSN在任何情形下都可以保證最壞情況的到達時間，這是傳統以太網無法具備的明顯優勢。

可靠的數據包傳遞

除擁塞丟失外，丟包的最主要原因之一是設備故障。TSN 網絡可以在傳輸過程中發送數據副本，并在目的地對重復數據進行刪除。這樣一來，所有的數據包都被復制并傳輸到目的地，所以不會因為單個設備故障而丟失單個數據包。這一特性與準時到達的優勢相結合，使 TSN功能更加強大。

與以太網共存，降低網絡成本和復雜性

TSN可以與傳統的以太網方法共存。此外，非 TSN 流量可以使用 TSN 流未使用的任何約定帶寬。由于它是在傳統以太網的基礎上實現的，因此無需更換設備，可以直接進行集成和管理。這對于 TSN 的應用來說是一個巨大的優勢。

TSN如何實現確定性的數據傳輸？

確定性通信意味著保證和可靠。然而，標準以太網是概率性的，網絡操作依賴于節點（或設備）“不會同時傳輸”的假設。當兩個節點試圖同時傳輸時，就發生了“沖突”，這使得數據無法在正確的時間內完成傳輸。

確定性通信是一個始終傳遞相同值或到達相同狀態的網絡。根據維基百科，確定性系統意味著“系統未來狀態的發展過程中沒有任何隨機性”。如果我們將其應用于網絡上，確定性通信可以理解為始終在同一時間準確傳輸事件的網絡。

簡而言之，確定性意味著可以保證數據傳輸時序在一定的誤差范圍內。那么，TSN又是如何實現確定性的數據傳輸？

時間同步（IEEE 802.1AS-REV）

參與 TSN 網絡的所有設備都與全局時間同步，由 IEEE 802.1AS 標準 intel18處理。它確保在任何時間點，端點節點或交換機讀取的本地計算機時間大致相同。

TSN/AVB 的時鐘同步協議被標準化為 IEEE 802.1AS，與 IEEE 1588 標準有很大的重疊。IEEE 1588 精確時間協議 （PTP） 標準用于在網絡上的設備和交換機之間分配準確的時間參考。它還允許基于外部參考（例如全球定位系統 （GPS） ）進行時間同步。

例如，假設有一個 TSN/AVB 網絡，由五個連接的終端站（標簽 1-5）和三個網橋（標簽 AC）組成，如左圖所示。左圖中的網絡使用右圖中所示的具有時間同步的生成樹連接。從這個例子可以看出，網橋 A 充當主時鐘，為所有其他網橋和端點提供本地時間。

時間同步前的TSN/AVB網絡（左圖）；使用生成樹協議選擇主時鐘后（右圖）

預定流量（IEEE 802.1Qbv）

TSN 使用 IEEE 802.1Qbv 的時間感知整形器來實現確定性交付的流量優先級。時間感知整形器將時間劃分為周期，然后通過將周期劃分為時隙來分配周期。每個時隙可以分配八個以太網優先級中的一個或多個。

下圖顯示了原理圖的周期、時隙和優先級。參與網絡的節點同意 TSN 通信將這些周期劃分為時隙。

具有時間感知功能的整形器結構

TSN 定義了三種類型的流量：關鍵流量、預留流量和盡力而為的流量。

關鍵流量：關鍵流量示例包括需要有限延遲和零擁塞丟失的工業自動化和控制流量。

盡力而為流量：盡力而為流量由通用以太網流量組成，沒有特定的服務質量（QoS）要求。

預留流量：預留流量類型包括在具有指定帶寬預留的不同時隙中分配的幀。

綜上所述，對于確定性通信，時間整形器將時間劃分為周期并分配給每個時隙，時隙可以根據其優先級傳輸數據。

逐流過濾和監管 （IEEE 802.1Qci） &循環排隊和轉發 （IEEE 802.1Qch）

802.1Qci 使用流標識為每個流提供過濾和策略功能。通過將標頭字段的組合映射到確定類的內部優先級值 （IPV） 來標識流。MAC 源地址、目標地址、VLAN 和 IP 報頭字段的各種組合可用于識別流。流過濾器可以通過流門將流量導向特定的儀表和輸出隊列，并檢測和阻止特定的錯誤情況。

此分類流進入循環隊列。IEEE 802.1Qch 根據傳入流量的類別收集數據包，一次傳送一個數據包。這種循環隊列和隊列清空過程提供了一個已定義的（但不是最佳的）延遲上限，并確保幀在有限延遲內發送。

幀搶占（IEEE 802.3br、IEEE 802.1Qbu）

現有的以太網一次只傳輸一個數據包，不能根據不同的緊急度或優先級傳輸。另外，由于大數據包比小數據包的開銷少，所以在現有的以太網中，大包的傳輸是很常見的。大包傳輸時間長，不符合時間敏感流量的要求。

解決這個問題的一種方法是停止發送數據包，轉而發送更緊急的數據包，這就是 802.3br 和 802.1Qbu 所做的事情。緊急數據包標記為“Express”，可搶占數據包標記為“Preemptable”。Preemptable數據包在 Express 數據包正在傳輸時暫停自身的傳輸，并在 Express 數據包傳輸完成時從中斷的位置恢復傳輸。

如下圖所示，Express 數據包通過搶占實現所需的有限延遲。

這樣，“快車道”就可以用于高優先級的流量，在確定性通信中發揮重要作用。

幀復制和消除可靠性（IEEE 802.1CB）

對于關鍵基礎設施來說，停機時間是不可接受的。TSN 使用冗余來避免這種停機。有兩種類型的冗余，稱為動態復制和靜態復制。某些應用程序可能無法接受動態復制，因為動態復制需要一些時間才能從設備故障中恢復。所以TSN 主要使用靜態復制。

下圖顯示了動態冗余。如果一側發生故障，它會識別并通過選擇替代路由重新傳輸。這個過程很快，但恢復仍然需要時間。

動態復制

下圖顯示了幀復制和消除可靠性 （FRER） 使用的靜態冗余。數據包被復制，創建兩個（或更多）相同的數據包流。這些流可以是單播流或多播流，在接收端站或其附近檢測并刪除復制數據包。FRER 使用這種靜態冗余方法使恢復時間為零。

靜態復制

挑 戰

時間同步對于實現 TSN 的確定性傳輸至關重要。目前IEEE 1588-2008 標準用于時間同步，而該標準存在著一定的漏洞。由于時間信息是通過以太網傳輸的，因此容易受到數據包篡改、拒絕服務 （DoS） 和延遲攻擊等內部威脅。針對 IEEE 1588 的時間同步攻擊 （TSA） 可能會導致計時錯誤或同步丟失，這可能會使監控、保護和控制應用程序發生災難性故障。

另外，對于高優先級的保留流量，如何提供加密保護、身份驗證和并使所有消息保持完整性是一項需要解決的挑戰。最后，關于如何構建 TSN 的標準尚未最終確定，缺乏 TSN 配置標準將是未來采用 TSN 的最大制約因素。不過，支持TSN集中配置的IEEE 802.1Qcc目前正在起草中。

總 結

標準以太網一直以來扮演著數據傳輸的角色，但它不能保證實時性和可擴展性。本文介紹了 TSN 的產生、背景、優勢、底層技術和局限性。TSN以確定性通信為武器，正在逐步拓展應用領域。雖然還有一些挑戰需要解決，但總的來說，TSN的未來是光明的。