TSN即Time-Sensitive Networking，中文名為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，是從傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中衍生出來(lái)的一種技術(shù)，是指在非確定性以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)確定性最小時(shí)間延時(shí)的協(xié)議族。TSN為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展，進(jìn)而確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、確定、可靠傳輸。TSN交換機(jī)則是一種支持TSN技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，屬于以太網(wǎng)交換機(jī)的升級(jí)產(chǎn)品之一。
TSN交換機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)各類型網(wǎng)絡(luò)終端的互聯(lián)互通，與傳統(tǒng)交換機(jī)相比，其具有體量小、功耗低、延遲低、可靠性高、抖動(dòng)頻率低、數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、適用端口多等優(yōu)點(diǎn)，可在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)以及航空航天、鐵路、軍工裝備的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通中發(fā)揮出重要作用。
新思界產(chǎn)業(yè)分析人士表示，TSN交換機(jī)是基于TSN技術(shù)而生成的交換機(jī)產(chǎn)品，屬于以太網(wǎng)交換機(jī)的升級(jí)產(chǎn)品之一。近年來(lái)，TSN交換機(jī)憑借著良好優(yōu)勢(shì)在汽車、工業(yè)、航天、軌道交通等領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)通信中展現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿Γ徽J(rèn)為是下一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的核心設(shè)備。目前全球各國(guó)企業(yè)正在積極布局TSN交換機(jī)市場(chǎng)，未來(lái)TSN交換機(jī)市場(chǎng)發(fā)展空間有望加速拓展，行業(yè)發(fā)展前景廣闊。來(lái)和海翎光電的小編一起了解一下TSN的發(fā)展史、常用TSN協(xié)議說(shuō)明吧！ TSN（Time-Sensitive Networking）時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，即在非確定性的以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)確定性的最小時(shí)間延時(shí)的協(xié)議族，是IEEE 802.1工作組中的TSN工作組開(kāi)發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、確定和可靠地傳輸。 早期的以太網(wǎng)采用的交換機(jī)主要使用半雙工模式，傳輸帶寬為100M，傳輸延時(shí)為5ms，單根線路的最大長(zhǎng)度為100m。緊接著，在千兆以太網(wǎng)和全雙工傳輸技術(shù)的快速發(fā)展中，局域網(wǎng)中基本普及了千兆交換機(jī)，默認(rèn)情況下所有端口處于一個(gè)廣播域，所有數(shù)據(jù)包的交換通過(guò)硬件的MAC地址表進(jìn)行查詢轉(zhuǎn)發(fā)。 隨著以太網(wǎng)交換技術(shù)的成熟，并在城域網(wǎng)等更大范圍的應(yīng)用拓展，1980年2月，IEEE 802委員會(huì)成立，任務(wù)是制定局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.1工作組則主要制定基于以太網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 1991，針對(duì)大量交換機(jī)的部署產(chǎn)生了冗余鏈路等的一系列問(wèn)題，IEEE 802.1工作組發(fā)布了802.1D STP生成樹(shù)協(xié)議，并于1998年發(fā)布了第二部RSTP快速生成樹(shù)協(xié)議，基本解決了各廠商設(shè)備在組網(wǎng)時(shí)容易產(chǎn)生環(huán)路等問(wèn)題。 隨著802.1D的制定，大規(guī)模用戶組網(wǎng)條件已經(jīng)成熟，1999年，IEEE 802.1發(fā)布802.1QVLAN協(xié)議作為802.1D的后續(xù)補(bǔ)充，能夠?qū)⒋笠?guī)模的用戶小區(qū)和城市區(qū)域使用虛擬網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)的進(jìn)行區(qū)分，解決了電信用戶組網(wǎng)和城域網(wǎng)接入的IP限制問(wèn)題。 進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著以太網(wǎng)的普及，基于以太網(wǎng)的多媒體應(yīng)用需求與日俱增，于是2006年IEEE成立了AVB工作組，制定了一系列新的802.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)有以太網(wǎng)進(jìn)行功能擴(kuò)充，包括帶寬保持、限制延時(shí)和精確時(shí)鐘同步，提供了高質(zhì)量、低延時(shí)、時(shí)間同步的音視頻局域網(wǎng)解決方案。 隨著工業(yè)4.0概念的提出和車聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)和汽車對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的需求迅速增長(zhǎng)，在2012年，AVB工作組更名為TSN工作組，在繼承AVB已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對(duì)實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用場(chǎng)景，制定并提出了更多可行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，籍此在未來(lái)的工業(yè)和汽車等領(lǐng)域繼續(xù)引領(lǐng)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。 TSN系列規(guī)范包含了非常多的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一部分來(lái)源于以往音視頻、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用，一部分來(lái)源于芯片等技術(shù)廠商在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的探索。 當(dāng)前已經(jīng)發(fā)布的TSN系列規(guī)范大致分為四個(gè)部分：時(shí)間同步、調(diào)度延時(shí)、可靠性、資源管理。
時(shí)間同步的協(xié)議規(guī)范主要是802.1AS/802.1AS-Rev，基于數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行以交換機(jī)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，主要來(lái)自于IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議的簡(jiǎn)化版本，更適用于車載網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)性精度要求較高的通信傳輸場(chǎng)景。 目前主流的應(yīng)用為2011版本，主要是基于單域或多域的時(shí)鐘同步機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，初步滿足了基于以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)的電子電器架構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。
最新發(fā)布的為2020版本，增加了時(shí)鐘冗余和時(shí)鐘傳輸路徑冗余的實(shí)現(xiàn)，對(duì)滿足車輛功能安全的需求提供了統(tǒng)一的解決方案。
802.1AS時(shí)鐘實(shí)時(shí)冗余 802.1Qbv是在交換機(jī)多個(gè)輸出隊(duì)列的嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)（報(bào)文中的優(yōu)先級(jí)通常來(lái)自于VLAN或者IP）模式下，利用門循環(huán)列表GCL（Gate Control List）來(lái)控制每個(gè)隊(duì)列的開(kāi)關(guān)時(shí)間窗口，來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間感知整形器TAS（Time-aware Shaper）的功能；GCL通常有8~16組，可通過(guò)靈活配置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同延時(shí)需求的調(diào)度規(guī)則集合，進(jìn)而對(duì)應(yīng)不同優(yōu)先級(jí)幀的最大傳輸延時(shí)保證來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸延時(shí)確定性和帶寬的穩(wěn)定性。
同時(shí)，802.1Qbv為了確保每個(gè)時(shí)間片的報(bào)文都能傳輸完成，預(yù)留了一個(gè)Gurad Band，長(zhǎng)度最大可配置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀的MTU大小約1500字節(jié)，會(huì)增加約12.5us的延時(shí)損耗。為了不浪費(fèi)這個(gè)帶寬的等待時(shí)間，于是設(shè)計(jì)并引入了802.1Qbu規(guī)范。 802.1Qbu將數(shù)據(jù)幀分為可被搶占幀（Preemptable Frame）和快速幀（Express Frame），通常在每個(gè)交換機(jī)端口以優(yōu)先級(jí)來(lái)對(duì)幀進(jìn)行以上分類，即高優(yōu)先級(jí)的幀可以對(duì)低優(yōu)先級(jí)未傳輸完成的幀進(jìn)行搶占發(fā)送，以減少傳輸延遲。搶占的規(guī)則一般通過(guò)設(shè)置最小可被搶占幀長(zhǎng)度，例如若設(shè)置為128字節(jié)，則必須等待可被搶占幀傳輸完128字節(jié)才能對(duì)快速幀進(jìn)行搶占發(fā)送，等快速幀發(fā)送完成后，再對(duì)被搶占幀未發(fā)送完成的部分進(jìn)行發(fā)送。 802.1Qbu和802.1Qbv的同時(shí)使用，可以在保證鏈路延時(shí)和帶寬相對(duì)確定的情況下，對(duì)高實(shí)時(shí)報(bào)文進(jìn)一步降低傳輸延時(shí)。 802.1CB主要是通過(guò)交換機(jī)硬件的報(bào)文復(fù)制功能實(shí)現(xiàn)發(fā)送端數(shù)據(jù)幀的在交換機(jī)指定轉(zhuǎn)發(fā)端口處的復(fù)制，并通過(guò)不同的交換機(jī)傳輸路徑發(fā)送至最終目的節(jié)點(diǎn)所在的交換機(jī)連接端口，然后在該交換機(jī)端口利用交換機(jī)硬件的對(duì)特定協(xié)議復(fù)制幀的重復(fù)消除，進(jìn)而利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械娜哂嗦窂綄?shí)現(xiàn)在傳輸鏈路中實(shí)時(shí)的可靠性數(shù)據(jù)備份，并且不增加軟件收發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的額外負(fù)載；相比傳統(tǒng)的通信錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制，能夠在正常通信鏈路發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，利用在冗余路徑中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保證通信不間斷，且延時(shí)僅是冗余路徑中多余交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，一般在10us左右，可以非常好地滿足高實(shí)時(shí)高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)景。
資源管理的系列規(guī)范類似于網(wǎng)絡(luò)管理之類的協(xié)議和配置格式的一些規(guī)定，適合于靈活組網(wǎng)、易于維護(hù)的一些應(yīng)用環(huán)境，并不適用于汽車上穩(wěn)定性要求高、固定資源分配的策略，所以這里就暫不詳細(xì)介紹了。
常用TSN協(xié)議說(shuō)明
IEEE 802.1AS-rev
確保連接在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，并達(dá)到微秒級(jí)甚至納秒級(jí)的精度誤差。
IEEE 802.1Qat
解決網(wǎng)絡(luò)中音視頻實(shí)時(shí)流量與普通異步數(shù)據(jù)流量之間的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。通過(guò)協(xié)商機(jī)制，在音視頻流從源設(shè)備到不同交換機(jī)再到終端設(shè)備的整個(gè)路徑上預(yù)留出所需的帶寬資源，以提供端到端（End-to-End）的服務(wù)質(zhì)量及延遲保障。
IEEE 802.1Qav
確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不會(huì)干擾到AVB的實(shí)時(shí)音視頻流。為了避免普通數(shù)據(jù)流量與AVB流量之間對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)，AVB交換機(jī)內(nèi)對(duì)時(shí)間敏感的音視頻流和普通數(shù)據(jù)流進(jìn)行了區(qū)別處理，將實(shí)時(shí)幀與異步幀分別進(jìn)行排隊(duì)，并且賦予實(shí)時(shí)幀最高的優(yōu)先級(jí)。
IEEE 802.1Qbv
通過(guò)Time Aware Shaper為優(yōu)先級(jí)較高的時(shí)間敏感型關(guān)鍵數(shù)據(jù)分配特定的時(shí)間槽，并且在規(guī)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都必須優(yōu)先確保重要數(shù)據(jù)幀的通過(guò)。
IEEE 802.1Qbu
可以中斷標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸，以允許高優(yōu)先級(jí)幀的傳輸，同時(shí)不丟棄之前傳輸被中斷的消息。
已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)(Published TSN Standards)
部分繼承AVB的標(biāo)準(zhǔn)(Referred to AVB standards)
將發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)(Ongoing TSN Projects)
