時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)綜述——最系統(tǒng)最全面的TSN技術(shù)解讀

0 引言

　　隨著信息技術(shù)（informationtechnology,IT）與運(yùn)營技術(shù)（operation technology,OT）的不斷融合，對于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求變得迫切。智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，都使得這一融合變得更為緊迫。而IT與OT對于通信的不同需求也導(dǎo)致了在很長一段時間，融合這兩個領(lǐng)域出現(xiàn)了很大的障礙：互聯(lián)網(wǎng)與信息化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)需要更大的帶寬，而對于工業(yè)而言，實(shí)時性與確定性則是問題的關(guān)鍵。這些數(shù)據(jù)通常無法在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸。因此，尋找一個統(tǒng)一的解決方案已成為產(chǎn)業(yè)融合的必然需求。

　　時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（timesensitive network，TSN）是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動的全新工業(yè)通信技術(shù)。時間敏感型網(wǎng)絡(luò)允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，使得標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢，并通過廠商獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，已成為廣泛聚焦的關(guān)鍵技術(shù)。目前，IEEE、IEC等組織均在制定基于TSN的工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的底層互操作性標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[1]。

1 實(shí)時通信技術(shù)的發(fā)展及需求

1.1總線時代

　　早在20世紀(jì)70年代，隨著可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的產(chǎn)生，為了分布式控制所需的總線也誕生。至今，總線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近50年，各始創(chuàng)公司開發(fā)了多種總線，其在介質(zhì)、信號電平、校驗(yàn)方式、物理接口、波特率等多個指標(biāo)方面都有不同。20世紀(jì)90年代，隨著競爭的加劇，各公司在IEC爭取主導(dǎo)地位，產(chǎn)生了“總線之爭”。IEC因此產(chǎn)生了多達(dá)18個總線標(biāo)準(zhǔn)，對訪問造成很大障礙。

1.2 實(shí)時以太網(wǎng)階段

　　進(jìn)入21世紀(jì)，隨著標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)成本的下降，總線開始進(jìn)入基于以太網(wǎng)的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)時代。2001年，貝加萊推出了工業(yè)應(yīng)用的Ethernet POWERLINK；2003年，在Profibus基礎(chǔ)上，Siemens開發(fā)了PROFINET，Rockwell、 ABB開發(fā)了基于DeviceNet應(yīng)用層協(xié)議的Ethernet/IP，Beckhoff開發(fā)了EtherCAT，Rexroth開發(fā)了基于SERCOS的SERCOSIII。這些網(wǎng)絡(luò)均采用了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介質(zhì)，即在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，而在應(yīng)用層仍然保持原有的應(yīng)用層，旨在保護(hù)用戶的軟件資產(chǎn)投入。

1.3 在智能時代的網(wǎng)絡(luò)融合需求

　　2014年以后，隨著工業(yè)4.0的提出，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的需求逐漸變得迫切，對于連接的需求產(chǎn)生了變化。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通常不支持交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)（考慮到延時，通常采用HUB的透傳方式），其輪詢機(jī)制（如Profinet、POWERLINK、Ethernet/IP）或集束幀技術(shù)（如EtherCAT、SERCOSIII）使得標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和實(shí)時以太網(wǎng)無法在同一網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。但是，對于邊緣計(jì)算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的全局優(yōu)化而言，制造現(xiàn)場控制所需的實(shí)時性數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理與優(yōu)化層所需的非實(shí)時性數(shù)據(jù)要通過統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并能夠下發(fā)到各個控制器執(zhí)行；而一些全局優(yōu)化的工作并不需要通過層級的控制器，而是希望直接到邊緣側(cè)或者云端。這使得同一網(wǎng)絡(luò)的需求變得迫切。另外，對于制造業(yè)的終端用戶而言，生產(chǎn)系統(tǒng)往往由來自不同企業(yè)的設(shè)備與系統(tǒng)構(gòu)成，必須有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議規(guī)范。因此，獨(dú)立于廠商的總線在智能時代變得更為必要。

　　工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展過程如圖1所示[2]。

　　圖1 工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展過程

2 TSN的簡要發(fā)展

　　TSN本身并非是一項(xiàng)全新的技術(shù)。IEEE于2002年發(fā)布了IEEE 1588[3]精確時鐘同步協(xié)議。2005年，IEEE 802.1成立了IEEE 802.1AVB工作組，開始制定基于以太網(wǎng)架構(gòu)的音頻/視頻傳輸協(xié)議集，用于解決數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的實(shí)時性、低延時以及流量整形的標(biāo)準(zhǔn)，同時又確保與以太網(wǎng)的兼容性。AVB引起了汽車工業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)組織及企業(yè)的關(guān)注。其成立了TSN工作組，進(jìn)而開發(fā)了時鐘同步、流量調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置系列標(biāo)準(zhǔn)集。在這個過程中，由AVnu、IIC、OPC UA基金會等組織共同積極推進(jìn)TSN技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)（包括B&R、TTTech、SEW、Schneider等）著手為工業(yè)領(lǐng)域的嚴(yán)格時間任務(wù)制定整形器，成立了整形器工作組，并于2016年9月在維也納召開了第一次整形器工作組會議。然后，有更多的企業(yè)和組織（包括德國工業(yè)4.0組織LNI、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC、中國的邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟AII等）加入TSN技術(shù)的研究，并構(gòu)建了多個測試床。2019年，IEC與IEEE合作成立IEC 60802工作組，并在日本召開了第一次工作組會議，以便工業(yè)領(lǐng)域的TSN開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)底層的互操作。同時，在OPC UA基金會也成立了(field level communication,FLC)工作組，將TSN技術(shù)與OPC UA規(guī)范融合，以提供適用于智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的高帶寬、低延時、語義互操作的工業(yè)通信架構(gòu)。

　　圖2簡要說明了IEEE組織TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布過程[4]。其中，IEEE802.1Qat[5]是早期的網(wǎng)絡(luò)配置方法，而IEEE 802.1Qcc[6]則是其增強(qiáng)版，于2018年底發(fā)布。

　　圖2 TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布過程

3 TSN基本概念

　　TSN由一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成。其主要分為時鐘同步、數(shù)據(jù)流調(diào)度策略（即整形器）以及TSN網(wǎng)絡(luò)與用戶配置三個部分相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 VLAN技術(shù)

　　按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通常分為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、確定性以太網(wǎng)。TSN實(shí)現(xiàn)了混合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力，滿足標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的分布式對等架構(gòu)、確定性網(wǎng)絡(luò)所采用的輪詢/集束幀技術(shù)各自的存在的要求，并使得網(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢功能。TSN基于IEEE 802.1Q[7]的虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network，VLAN）和優(yōu)先級標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.1Q支持服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)。QoS是一種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用于為網(wǎng)絡(luò)通信提供更好的服務(wù)。它是一種網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，用于解決網(wǎng)絡(luò)延時與擁塞的問題。最初的Internet并未設(shè)計(jì)QoS機(jī)制。為滿足用戶不同應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量需求，需要網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)用戶需求進(jìn)行配置與資源調(diào)度。IEEE 802.1Q標(biāo)準(zhǔn)是一種包含了QoS機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)，能夠提供網(wǎng)絡(luò)性能的可預(yù)知性，并有效分配網(wǎng)絡(luò)帶寬，以便合理利用資源。

3.1.1 TSN

　　TSN是IEEE 802.1Q標(biāo)準(zhǔn)的VLAN。該標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀中插入4個字節(jié)用于定義其特征。TSN的標(biāo)簽位定義[8]如圖3所示。

　　圖3 TSN的標(biāo)簽位定義

　?、贅?biāo)簽協(xié)議識別:網(wǎng)絡(luò)類型識別，代表這是一個TSN網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)記0X8100。

　?、趦?yōu)先級代碼（prioritycode point，PCP）由3位代碼構(gòu)成。

　　③丟棄標(biāo)志位：對于網(wǎng)絡(luò)低QoS要求的數(shù)據(jù)，可以丟棄，以確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的QoS。

　?、躒LANIdentifier（VID）：VLAN網(wǎng)絡(luò)的識別號，12位表示可支持的子網(wǎng)數(shù)量，2的12次方即4 096，VID＝0 用于識別幀優(yōu)先級,4 095(FFF)作為預(yù)留值。所以，VID最多可以表示4 094個子網(wǎng)。這表明TSN是為了大型的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的。

3.1.2 優(yōu)先級的定義

　　TSN有一個服務(wù)等級(class of service,CoS)的概念。對TSN網(wǎng)絡(luò)而言，不同優(yōu)先級的服務(wù)對應(yīng)圖3中的PCP碼。3位PCP碼定義了0（最低）～7(最高）這8個優(yōu)先級，傳輸類型分別對應(yīng)

　　基礎(chǔ)、最大努力、卓越努力、嚴(yán)苛應(yīng)用、延時和抖動小于100 ms的視頻、延時和抖動小于10 ms的音頻、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)控制。其會對網(wǎng)絡(luò)場景進(jìn)行不同的匹配，是后續(xù)調(diào)度、配置設(shè)計(jì)中會考慮到的數(shù)據(jù)流調(diào)度因素。

3.2 TSN在ISO/OSI模型中的位置

　　TSN在IEEE 802.1Q僅指ISO/OSI參考模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)。TSN在七層架構(gòu)中的位置[9]如圖4所示。

　　圖4 TSN在七層架構(gòu)中的位置

3.3 精確時鐘同步與延時計(jì)算

　　對于通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域而言，所有的任務(wù)都是基于時間基準(zhǔn)的。因此，精確時鐘同步是基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)。TSN首先要解決網(wǎng)絡(luò)中的時鐘同步與延時計(jì)算問題，以確保整個網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)調(diào)度具有高度一致性。

3.3.1 時鐘同步機(jī)制

　　TSN標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.1AS[10]和為工業(yè)所開發(fā)的升級版IEEE 802.1AS-rev[11]構(gòu)成。

　　IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時鐘同步協(xié)議發(fā)展的，稱為gPTP-廣義時鐘同步協(xié)議。gPTP是一個分布式主從結(jié)構(gòu)，它對所有g(shù)PTP網(wǎng)絡(luò)中的時鐘與主時鐘進(jìn)行同步。首先由最佳主時鐘算法（best clock master algrothms，BCMA）建立主次關(guān)系，分別稱為主時鐘（clock master,CM）和從時鐘(clock slave,CS)。每個gPTP節(jié)點(diǎn)會運(yùn)行一個gPTP Engine。IEEE1588所采用的PTP是由網(wǎng)絡(luò)的L3和L4層的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過IPv4或IPv6的多播或單播進(jìn)行分發(fā)時鐘信息。而gPTP則是嵌入在MAC層硬件中，只在L2工作，直接對數(shù)據(jù)幀插入時間信息，并隨著數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點(diǎn)。

　　gPTP應(yīng)用快速生成樹協(xié)議（papid spanning tree protocol，RSTP）。這是一種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃，網(wǎng)絡(luò)配置后生成一個最優(yōu)路徑。其由TSN橋接節(jié)點(diǎn)計(jì)算并以表格形式分發(fā)給每個終端節(jié)點(diǎn)存儲。當(dāng)一個TSN節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它會先檢查這個表格，計(jì)算最短路徑，整個網(wǎng)絡(luò)以最短路徑傳送至需要接收的節(jié)點(diǎn)。IEEE 802.1AS的時鐘結(jié)構(gòu)[2]如圖5所示。

　　圖5 IEEE802.1AS的時鐘結(jié)構(gòu)

　　圖5中，最左下方的802.1AS端點(diǎn)從上游CM接收時間信息。該時間信息包括從GM到上游CM的累計(jì)時間。對于全雙工以太網(wǎng)LAN，計(jì)算本地CS和直接CM對等體之間的路徑延時測量并用于校正接收時間。在調(diào)整（校正）接收時間后，本地時鐘應(yīng)與gPTP域的GM時鐘同步。SN網(wǎng)絡(luò)也支持交叉通信，每個節(jié)點(diǎn)都會有RSTP所給出的路徑表。

　　802.1AS的核心在于時間戳機(jī)制（Timestamping）。PTP消息在進(jìn)出具備802.1AS功能的端口時，會根據(jù)協(xié)議觸發(fā)對本地實(shí)時時鐘（real time clock,RTC）采樣，并將自己的RTC值與來自該端口相對應(yīng)的CM信息進(jìn)行比較；利用路徑延時測算和補(bǔ)償技術(shù)，將RTC時鐘值匹配到PTP域的時間。當(dāng)PTP同步機(jī)制覆蓋整個AVB局域網(wǎng)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備間就可以通過周期性的PTP消息的交換,精確地實(shí)現(xiàn)時鐘調(diào)整和頻率匹配算法。最終，所有的PTP節(jié)點(diǎn)都將同步到相同的“掛鐘”（Wall Clock）時間，即主節(jié)點(diǎn)時間。在最大7跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，理論上PTP能夠保證時鐘同步誤差在1 μs以內(nèi)。

　　IEEE 802.1AS-rev則是一種多主時鐘體系，主要優(yōu)勢是支持新的連接類型（如WiFi）、改善冗余路徑的支持能力、增強(qiáng)了時間感知網(wǎng)絡(luò)的主時鐘切換時間等性能。當(dāng)有一個GrandMaster宕機(jī)時，其可確保快速切換到一個新的主時鐘，以便實(shí)現(xiàn)高可用性系統(tǒng)。對于車載系統(tǒng)而言，采用IEEE 802.1AS即可；而對于工業(yè)領(lǐng)域則考慮高可用性，采用AS-Rev版本。

3.3.2 TSN網(wǎng)絡(luò)中的延時測量方法

　　對于網(wǎng)絡(luò)時鐘而言，其時鐘同步精度主要取決于駐留時間（residence time）和鏈路延時（link latency）。

　　在gPTP中，時間同步的過程與IEEEStd 1588-2008采用相同的方式：主時鐘發(fā)送同步時間信息給所有直接與其連接的時間感知系統(tǒng)。這些時間感知系統(tǒng)在收到這個同步時間信息后必須通過加上信息從主時鐘傳播到本節(jié)點(diǎn)的傳輸時間來修正同步時間信息。如果這個時間感知系統(tǒng)是一個時間感知網(wǎng)橋，則它必須向與它連接的其他時間感知系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)修正后的同步時間信息（包含額外的轉(zhuǎn)發(fā)過程的延時）。

　　數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時[12]如圖6所示。這些延時可以被精確計(jì)算。

　　圖6 數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時

　　為了保證上述過程正常工作，整個過程中有兩個時間間隔必須精確已知：①轉(zhuǎn)發(fā)延時（駐留時間）；②同步時間信息在兩個時間感知系統(tǒng)之間的傳輸路徑的延時。駐留時間是在時間感知網(wǎng)橋內(nèi)部測量的，比較簡單；而傳輸路徑上的延時則取決于諸多因素，包括介質(zhì)相關(guān)屬性和路徑長度等。

　　對于每一類型的局域網(wǎng)或傳輸路徑，有不同的方法來測量傳播時間。但這些方法都基于同一原理：測量從一個設(shè)備發(fā)送某個消息的時間以及另一個設(shè)備接收到此消息的時間，然后以相反方向發(fā)送另一個消息，并執(zhí)行相同的測量。

　　在這個過程中，可以計(jì)算Pdelay：

　　（1）

　　

　　其比率r為：

　　

　?。?）

　　網(wǎng)絡(luò)的延時測量原理[13-14]如圖7所示。

　?。╝） 1步法

　　（b） 2步法

　　圖7 網(wǎng)絡(luò)的延時測量原理圖

　　Fig.7Schematic diagram of network delay measurement

　　由圖7可知，網(wǎng)絡(luò)的延時測量有1步法和2步法兩種。因?yàn)樵谶@個網(wǎng)絡(luò)中可能有一個節(jié)點(diǎn)無法提供準(zhǔn)確的時鐘。對于時間感知型節(jié)點(diǎn)而言，由于時間信息是隨著數(shù)據(jù)載荷發(fā)送的，因此每個節(jié)點(diǎn)都會帶有時間信息。而對于有一些非時間感知網(wǎng)絡(luò)，則需要在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后再向另一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個發(fā)送的時間信息。因此，IEEE 802.1AS-Rev增強(qiáng)了對1步法的支持，使得實(shí)時性得以提高。

3.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸過程

　　對于TSN而言，其數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制是關(guān)鍵。TSN中數(shù)據(jù)的傳輸過程[15]如圖8所示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過接收端口，進(jìn)行幀濾波、流量計(jì)量、幀排隊(duì)。在傳輸選擇部分,TSN的調(diào)度機(jī)制將發(fā)揮作用。IEEE 802.1Q工作組定義了不同的整形器(Shaper)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這些調(diào)度。它是一種傳輸選擇算法（transmission selection algorithm，TSA）。每種算法對應(yīng)一種調(diào)度機(jī)制，適用于不同的應(yīng)用場景。

　　TSN網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸過程如圖8所示。

　　圖8 TSN中數(shù)據(jù)的傳輸過程

3.5 流預(yù)留協(xié)議

　　從圖8可以看到，網(wǎng)絡(luò)存在濾波數(shù)據(jù)庫、傳輸端口狀態(tài)監(jiān)測、隊(duì)列管理。這些都用于解決網(wǎng)絡(luò)資源分配與調(diào)度問題。而IEEE 802.1Qat所采用的流預(yù)留協(xié)議（stream reservation protocol，SRP）機(jī)制是一個對TSN進(jìn)行配置的標(biāo)準(zhǔn)。其在2010年SRP標(biāo)準(zhǔn)化成為IEEE802.1Qat，并入IEEE 802.1Q-2011標(biāo)準(zhǔn)中。SRP定義了OSI模型第2層的流概念。

　　SRP的工作在于建立AVB域、注冊流路徑、制定AVB轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則、計(jì)算延時最差情況、為AVB流分配帶寬。SRP在于讓網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)言者（Talker）用合適的網(wǎng)絡(luò)資源將數(shù)據(jù)發(fā)送給聽者（Listener）,并在網(wǎng)絡(luò)中傳播這些信息。而在終端節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)橋則維護(hù)一個發(fā)言者對一個或多個聽者注冊的相同數(shù)據(jù)流的路徑帶寬等資源的需求記錄。SRP是在原有IEEE 802.1Qak-MRP多注冊協(xié)議之上的一個實(shí)現(xiàn)。SRP標(biāo)準(zhǔn)則提供了一個新的多協(xié)議注冊協(xié)議（multiple multicast registration protocol，MMRP）來管理相關(guān)流帶寬服務(wù)的屬性，MSRP、MVRP、MMRP提供了整個SRP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)信號處理過程。關(guān)于SRP機(jī)制，可以參考AVnu的SRP文檔[16]。

4 流控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

　　對于TSN而言，數(shù)據(jù)流的管理標(biāo)準(zhǔn)由一系列主要方式構(gòu)成。通用網(wǎng)絡(luò)通常遵循嚴(yán)格優(yōu)先級的方式，而TSN則為這種缺乏傳輸確定性的機(jī)制引入了新的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、整形方法，并根據(jù)不同的應(yīng)用場景需求提出了多種不同的整形器（Shaper）。這也是整個TSN的核心調(diào)度機(jī)制。

4.1 基于信用的整形器機(jī)制

　　IEEE 802.1Qav定義了時間敏感流轉(zhuǎn)發(fā)與排隊(duì)（forwarding and queuing for time-sensitive streams，F(xiàn)QTSS）的數(shù)據(jù)敏感性轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，并成為了IEEE 802.1Q的標(biāo)準(zhǔn)。作為一個主要對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，最初它的開發(fā)主要用于限制A/V信息緩沖。增強(qiáng)的突發(fā)多媒體數(shù)據(jù)流會導(dǎo)致較大的緩沖擁堵，并產(chǎn)生丟包。丟包會產(chǎn)生重新發(fā)包，使得服務(wù)體驗(yàn)下降。它采用了基于信用的整形器（credit-based shaper,CBS），以應(yīng)對數(shù)據(jù)突發(fā)和聚集，可限制爆發(fā)的信息。

　　CBS的工作隊(duì)列時序[17]如圖9所示。

　　圖9 CBS的工作隊(duì)列時序圖

　　CBS將隊(duì)列分為Class A（Tight delay bound）和Class B(Loose delay bound)。如果沒有數(shù)據(jù)傳輸，隊(duì)列的信用設(shè)置為0，A隊(duì)列的信用非負(fù)時可以傳輸。如果有數(shù)據(jù)傳輸，其信用將按照SendSlope下降，而另一個隊(duì)列則IdelSlope速度上升，idleSlope是實(shí)際帶寬（bit/s），而SendSlope是端口傳輸率，由MAC服務(wù)支持。

　　CBS控制每個隊(duì)列最大數(shù)據(jù)流不超過配置的帶寬限制（75%最大帶寬）。CBS和SRP融合，可以提供250 μs/橋的延時。整體來說，IEEE802.1Qav以太網(wǎng)保證在7個跳轉(zhuǎn)（hop）最差2 ms Class A和50 ms Class B延時。

　　當(dāng)然，這個延時對于工業(yè)應(yīng)用來說是不能接受的。為了獲取更好的QoS，IEEE 802.1TSN TG又進(jìn)一步開發(fā)了Qbv時間感知整形器、Qbu搶占式MAC等機(jī)制。

4.2 時間感知整形器機(jī)制

　　時間感知整形器（Time Awareness Shaper，TAS）是為了更低的時間粒度、更為嚴(yán)苛的工業(yè)控制類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的調(diào)度機(jī)制，目前被工業(yè)自動化領(lǐng)域的企業(yè)所采用。TAS由IEEE 802.1Qbv定義，是基于預(yù)先設(shè)定的周期性門控制列表，動態(tài)地為出口隊(duì)列提供開/關(guān)控制的機(jī)制。Qbv定義了一個時間窗口，是一個時間觸發(fā)型網(wǎng)絡(luò)（Time-trigged）。這個窗口在這個機(jī)制中是被預(yù)先確定的。這個門控制列表被周期性的掃描，并按預(yù)先定義的次序?yàn)椴煌年?duì)列開放傳輸端口。

　　出口硬件有8個軟件隊(duì)列，每個都有唯一的傳輸選擇算法。傳輸由門控制列表（gate control list,GCL）控制。它是多個門控制實(shí)體確定軟件的隊(duì)列開放。

　　TAS的工作原理如圖10所示。

　　圖10 TAS的工作原理圖

　　在TAS機(jī)制中，為了確保數(shù)據(jù)傳輸前網(wǎng)絡(luò)是空閑的，在整個啟動傳輸前需要設(shè)置一個保護(hù)帶寬（Guardbound）[18]。Guardband占用最大的以太網(wǎng)幀傳輸長度，以確保最差情況——即使前面有一個標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀正在傳輸，也不會讓GCL在重啟下一個周期前被占用網(wǎng)絡(luò)。

4.3 搶占式MAC機(jī)制

　　在TAS機(jī)制中，會存在兩個問題：①保護(hù)帶寬消耗了一定的采樣時間；②低優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的風(fēng)險。因此，TSN的802.1Qbu和IEEE 802.3工作組共同開發(fā)了IEEE 802.3br，即可搶占式MAC機(jī)制?；趽屨际組AC的傳輸機(jī)制[19]如圖11所示。其采用了802.3TG中的幀搶占機(jī)制，將給定的出口分為2個MAC服務(wù)接口，分別稱為可被搶占MAC（pAMC-Preemptable MAC）和快速M(fèi)AC(eMAC-express MAC)。pMAC可以被eMAC搶占，進(jìn)入數(shù)據(jù)堆棧后等待eMAC數(shù)據(jù)傳輸完成，再傳輸。

　　圖11 基于搶占式MAC的傳輸機(jī)制

　　通過搶占，保護(hù)帶寬可以被減少至最短低優(yōu)先級幀片段。然而，在最差情況下，低優(yōu)先級的片段可以在下一個高優(yōu)先級前完成。當(dāng)然，搶占這個傳輸過程僅在連接層接口——即對于搶占式MAC，交換機(jī)需要專用的硬件層MAC芯片支持。

4.4 周期性排隊(duì)與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

　　由于CBS機(jī)制僅可實(shí)現(xiàn)軟實(shí)時級，路徑拓?fù)鋾?dǎo)致持續(xù)的延時增加。而最差延時情況與拓?fù)洹⑻鴶?shù)、交換機(jī)的緩沖需求相關(guān)。因此，TSN工作組推進(jìn)了周期性排隊(duì)與轉(zhuǎn)發(fā)(cyclic quening forwarding,CQF)機(jī)制(又稱蠕動整形器）。作為一個同步入隊(duì)和出隊(duì)的方法，CQF使得運(yùn)行允許LAN橋與幀傳輸在一個周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步，以獲得零堵塞丟包以及有邊界的延時，并能夠獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而存在。IEEE 802.1Qch標(biāo)準(zhǔn)定義了CQF要與IEEE 802.1Qci標(biāo)準(zhǔn)相互配合使用。IEEE 802.1Qci-t表明，它會根據(jù)達(dá)到時間、速度、帶寬，對橋節(jié)點(diǎn)輸入的每個隊(duì)列進(jìn)行濾波和監(jiān)管，用于保護(hù)過大的帶寬使用、突發(fā)的傳輸尺寸以及錯誤或惡意端點(diǎn)。IEEE 802.1Qch所采用的CQF機(jī)制遵循了一個“每周期走一步”的策略，為數(shù)據(jù)傳輸賦予了確定性。

　　CQF可以與幀搶占IEEE 802.1Qbu合并使用，以降低完整尺寸幀到最小幀片段的傳輸周期時間。為使CQF正常工作，必須將所有幀保持在其分配的周期內(nèi)。因此，需要考慮周期時間，使得中間網(wǎng)橋的周期與第一次和最后一次傳輸?shù)臅r間都對齊，以確保達(dá)到所需的等待時間邊界。為此，CQF結(jié)合Qci入口策略和IEEE 802.1Qbv整形器，可確保所有幀保持在確定的延時范圍，并保證在其分配時間內(nèi)發(fā)送。

4.5 異步流整形機(jī)制

　　CQF和TAS提供了用于超低延時的數(shù)據(jù)，依賴網(wǎng)絡(luò)高度時間協(xié)同，以及在強(qiáng)制的周期中增強(qiáng)的包傳輸。但其對帶寬的使用效率并不高。因此，TSN工作組提出IEEE 802.1Qcr異步流整形(asynchronous traffic shaper，ATS)機(jī)制。ATS基于緊急度的調(diào)度器設(shè)計(jì)。其通過重新對每個跳轉(zhuǎn)的TSN流整形，以獲得流模式的平滑，實(shí)現(xiàn)每個流排隊(duì)，并使得優(yōu)先級緊急的數(shù)據(jù)流可以優(yōu)先傳輸。ATS以異步形式運(yùn)行，橋和終端節(jié)點(diǎn)無需同步時間。ATS可以更高效地使用帶寬，可運(yùn)行在高速連接應(yīng)用的混合負(fù)載時間，如周期和非周期數(shù)據(jù)流。

5 TSN網(wǎng)絡(luò)配置標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.1Qcc

　　對于TSN而言，在時鐘同步、調(diào)度策略之后，就必須考慮網(wǎng)絡(luò)配置的問題。在AVB中，SRP是一種分布式網(wǎng)絡(luò)配置機(jī)制。而在更為嚴(yán)格的工業(yè)應(yīng)用中，需要更為高效、易用的配置方式。IEEE 802.1Qcc是目前普遍接受的配置標(biāo)準(zhǔn)。TSN網(wǎng)絡(luò)配置的集中式模式原理[20]如圖12所示。

　　圖12 TSN網(wǎng)絡(luò)配置的集中式模式原理圖

　　對于IEEE802.1Qat所提供的SRP機(jī)制而言，這是一種分布式方式的網(wǎng)絡(luò)需求與資源分配機(jī)制。新的注冊或退出注冊、任何變化與請求都將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延時和超負(fù)荷，降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。因此，TSN工作組又提供了IEEE 802.1Qcc支持集中式的注冊與流預(yù)留服務(wù)，稱為SRP增強(qiáng)模式。在這種模式下，系統(tǒng)通過降低預(yù)留消息的大小與頻率（放寬計(jì)時器），以便在鏈路狀態(tài)和預(yù)留變更時觸發(fā)更新。

　　此外，IEEE802.1Qcc提供了一套工具，用于全局管理和控制網(wǎng)絡(luò)，通過UNI來增強(qiáng)SRP，并由一個集中式網(wǎng)絡(luò)配置（centralized network configuration，CNC）節(jié)點(diǎn)作為補(bǔ)充。UNI提供了一個通用L2層服務(wù)方法。CNC與UNI交互以提供運(yùn)行資源的預(yù)留、調(diào)度以及其他類型的遠(yuǎn)程管理協(xié)議，如NETCONF或RESTCONF；同時，IEEE 802.1Qcc與IETF YANG/NETCONF數(shù)據(jù)建模語言兼容。

　　對于完全集中式網(wǎng)絡(luò)，可選的CUC節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)API與CNC通信，用于發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)、檢索終端節(jié)點(diǎn)功能和用戶需求，以及配置優(yōu)化的TSN終端節(jié)點(diǎn)的功能。其與更高級的流預(yù)留協(xié)議（例如RSVP）的交互是無縫的，類似于AVB利用現(xiàn)有的SRP機(jī)制。

　　IEEE 802.1Qcc仍然支持原有的SRP的全分布式配置模式，允許集中式管理的系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)間共存。此外，IEEE 802.1Qcc支持一種稱為混合配置模式，從而為舊式設(shè)備提供遷移服務(wù)。這個配置管理機(jī)制與IEEE 802.1Qca路徑控制與預(yù)留，以及TSN整形器相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)端到端傳輸?shù)牧愣氯麚p失。

　　對于整個網(wǎng)絡(luò)而言，必須有高效、易用的網(wǎng)絡(luò)配置，以獲得終端節(jié)點(diǎn)、橋節(jié)點(diǎn)的資源、每個節(jié)點(diǎn)的帶寬、數(shù)據(jù)負(fù)載、目標(biāo)地址、時鐘等信息，并匯集到中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一進(jìn)調(diào)度，以獲得最優(yōu)的傳輸效率。

6 TSN應(yīng)用前景

　　TSN的應(yīng)用前景非常廣闊，目前來說聚焦于以下幾個方面。

6.1 汽車領(lǐng)域

　　在汽車工業(yè)領(lǐng)域，隨著高級輔助駕駛系統(tǒng)（advanced driver assistance system，ADAS）的發(fā)展，迫切需要更高帶寬和響應(yīng)能力的網(wǎng)絡(luò)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CAN總線。IEEE 802.1AVB就是汽車行業(yè)發(fā)起并正在執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)組。目前，奧迪、奔馳、大眾等已經(jīng)開始進(jìn)行基于TSN的以太網(wǎng)應(yīng)用測試與驗(yàn)證工作。2019年，由三星所發(fā)起的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟向TTTech投資9 000萬美元，共同開發(fā)基于以太網(wǎng)的車載電子系統(tǒng)。

6.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將意味著更為廣泛的數(shù)據(jù)連接需求，通過機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生技術(shù)來更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)作用，為整體的產(chǎn)線優(yōu)化提供支撐。而這些數(shù)據(jù)（包括機(jī)器視覺、AR/VR數(shù)據(jù)）將需要更高的帶寬。因此，來自于ICT領(lǐng)域的CISCO、華為等廠商都將目標(biāo)聚焦于通過OPC UA over TSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一互聯(lián)需求。OPC UA扮演了數(shù)據(jù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的角色，而TSN則賦予它實(shí)時性傳輸能力。這樣的架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)從傳感器到云端的高效連接，在很多場景可以直接省略掉傳統(tǒng)工業(yè)架構(gòu)中的控制器層，形成一個新的分布式計(jì)算架構(gòu)。

6.3 工業(yè)控制

　　目前，在工業(yè)領(lǐng)域，包括貝加萊、三菱、西門子、施耐德、羅克韋爾等主流廠商已經(jīng)推出其基于TSN的產(chǎn)品。貝加萊推出新的TSN交換機(jī)、PLC，而三菱則采用了TSN技術(shù)的伺服驅(qū)動器。未來，TSN將成為工業(yè)控制現(xiàn)場的主流總線。

　　TSN的意義對于工業(yè)而言并非僅僅是實(shí)時性，而在于通過TSN實(shí)現(xiàn)了從控制到整個工廠的連接。TSN是IEEE的標(biāo)準(zhǔn)，更具有“中立性”，因而得到了廣泛的支持。未來，TSN將會成為工業(yè)通信的共同選擇。

7 結(jié)論

　　本文旨在通過對當(dāng)前國際產(chǎn)業(yè)界前沿的時間敏感型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全景的介紹，對其發(fā)展的必要性、技術(shù)的前沿性進(jìn)行探索，并通過對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行的解析來探尋其應(yīng)用場景、技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。希望通過這一前沿技術(shù)的解讀，使得國內(nèi)在推進(jìn)智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)人員及時了解這些產(chǎn)業(yè)動態(tài)，緊追國際前沿，開發(fā)有利于適應(yīng)于我國自身的相應(yīng)產(chǎn)品與技術(shù)。