隨著工業(yè)智能化的不斷發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，未來需要更為強(qiáng)大的互聯(lián)互通、高質(zhì)量傳輸和智能運(yùn)維能力，在智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的IT與OT融合的大趨勢(shì)下，需要統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決方案打通底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，TSN網(wǎng)絡(luò)端到端極低時(shí)延和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，成為了工業(yè)場景下基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的不二選擇。

TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

TSN網(wǎng)絡(luò)即是time-sensitive network，中文通常稱為時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)或者時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，TSN 是二層技術(shù)。IEEE 802.1Q 標(biāo)準(zhǔn)在 OSI 第二層工作。TSN 是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，而不是IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。TSN 網(wǎng)橋做出的轉(zhuǎn)發(fā)決定基于以太網(wǎng)報(bào)頭內(nèi)容，而不是 IP 地址。以太網(wǎng)幀的有效載荷可以是任何內(nèi)容，不限于IP協(xié)議。它實(shí)際上是基于IEEE 802.1的框架制定的一套滿足特殊需求的“子標(biāo)準(zhǔn)”，與其說TSN是一項(xiàng)新技術(shù)，不如說它是對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以太網(wǎng)的改進(jìn)，TSN 在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上加入時(shí)鐘同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置等關(guān)鍵技術(shù)，為時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)提供低時(shí)延、低時(shí)延抖動(dòng)和低丟包率特性的傳輸服務(wù)。

TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵特性

時(shí)間同步

TSN 的流量調(diào)度是基于時(shí)隙的，因此時(shí)鐘同步是TSN 的基礎(chǔ)。TSN 使用的是精確時(shí)間協(xié)議，是保證所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時(shí)鐘一致，而不需要與自然界的時(shí)鐘保持同步。IEEE 802.1AS-2011 規(guī)定了 TSN 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步機(jī)制，提出了廣義精確時(shí)間協(xié)議( general precision time protocol，gPTP) 。gPTP 是在 IEEE 1588-2008 的精確時(shí)間協(xié)議( precision time protocol，PTP) 的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，兩者工作模式相同。

全局時(shí)間同步是大多數(shù)TSN 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，用于保證數(shù)據(jù)幀在各個(gè)設(shè)備中傳輸時(shí)隙的正確匹配，滿足通信流的端到端確定性時(shí)延和無排隊(duì)傳輸要求。TSN利用IEEE 802.1AS在各個(gè)時(shí)間感知系統(tǒng)之間傳遞同步消息，對(duì)以太網(wǎng)的同步協(xié)議更加完善，增加了分布式網(wǎng)絡(luò)的同步，并且采用雙向信息通道，提高了傳輸信號(hào)的精確度。

流量控制

TSN 流控過程主要包括流分類、流整形、流調(diào)度和流搶占。

流分類主要功能是通過識(shí)別流的屬性信息或統(tǒng)計(jì)信息，以確定它們對(duì)應(yīng)的流量類型和優(yōu)先級(jí)信息，能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為分類準(zhǔn)確度。

流整形主要功能是限制收發(fā)流的最大速率并對(duì)超過該速率的流進(jìn)行緩存，然后控制流以較均勾的速率發(fā)送，達(dá)到穩(wěn)定傳送突發(fā)流量的目的。

流調(diào)度主要功能是通過一定規(guī)則(調(diào)度算法或機(jī)制)將排隊(duì)和整形后的流調(diào)度至輸出端口,以確定流在交換機(jī)內(nèi)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)順序，從而保證各種流傳送時(shí)的 QoS 需求并在一定程度上降低網(wǎng)絡(luò)擁塞。

流搶占改變了低優(yōu)先級(jí)流的調(diào)度順序，保證了高優(yōu)先級(jí)流的及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，是流調(diào)度的一種特殊形式和TSN關(guān)鍵技術(shù)之一。流搶占主要功能是通過幀間切片打斷低優(yōu)先級(jí)幀傳輸?shù)姆绞奖苊饬鲀?yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，以保證高優(yōu)先級(jí)幀實(shí)時(shí)性或超低時(shí)延性能需求。

網(wǎng)絡(luò)配置

面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，TSN 需要對(duì)發(fā)送端、接收端和網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)進(jìn)行配置，以便為時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)提供預(yù)留帶寬等服務(wù)。IEEE 802.1Qcc中定義的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的配置模型分為全集中式配置模型、混合式配置模型以及全分布式配置模型三種。

全集中式用戶配置 ( Centralized user configuration，CUC) ，負(fù)責(zé)發(fā)送端和接收端的配置; 集中式網(wǎng)絡(luò)配置( Centralized network configuration，CNC) ，負(fù)責(zé) TSN 交換機(jī)的配置，完全集中的模型支持集中用戶配置(CUC)實(shí)體來發(fā)現(xiàn)終端和用戶需求，并在終端中配置TSN特性。

圖1.完全集中式模型

混合式配置模型使用集中式網(wǎng)絡(luò)配置控制器(CNC ， Centralized Network Configuration controller)與分布式用戶配置控制器 ( CUC ， Centralized User Configuration controller)。在集中式網(wǎng)絡(luò) / 分布式模型中，配置信息直接指向或來自集中式網(wǎng)絡(luò)配置(CNC)實(shí)體。

圖2.混合式配置模型

全分布式配置模型使用分布式網(wǎng)絡(luò)配置控制器(CNC， Centralized Network Configuration controller)與分布式用戶 配 置 控 制 器 ( CUC ， Centralized User Configuration controller)。該模式下，用戶流的終端直接通過 TSN 用戶 / 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳達(dá)用戶需求。網(wǎng)絡(luò)以完全分布式的方式配置，沒有集中的網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)體。

圖3.完全分布式模型

TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景示例

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，不斷推動(dòng)工業(yè)應(yīng)用面向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的快速升級(jí)，不僅要保證信息的互通，還要保證生產(chǎn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)安全，IT(information technology)、OT(operational technology)、CT(communication technology)三體融合，成為了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大勢(shì)所趨，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)，在這樣的底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上，才能更好的支撐新一代的工廠級(jí)、車間級(jí)、現(xiàn)場級(jí)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用。

TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要用于工業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)協(xié)議包括 IEEE 802.1AS 時(shí)鐘同步、IEEE 802.1Qbv 時(shí)間感知調(diào)度程序、IEEE 802.1Qcc 網(wǎng)絡(luò)管理和配置、IEEE 802.1CB 高可靠、IEEE 802.1Qci 逐一串流過濾與管理等。

自動(dòng)駕駛

隨著自動(dòng)駕駛和車聯(lián)網(wǎng)的興起，車載設(shè)備的大量數(shù)據(jù)交互、傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多樣復(fù)雜性及高成本等問題對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬、互操作性及成本提出嚴(yán)格要求。

目前車載網(wǎng)絡(luò)仍然多總線獨(dú)立并存，以音視頻等為代表的輔助媒體信號(hào)和控制信號(hào)仍然在不同的總線上分別傳輸，而不能在同一鏈路上進(jìn)行統(tǒng)一傳輸。之所以如此，是因?yàn)檫@里存在一個(gè)最主要的技術(shù)難點(diǎn)，TSN 技術(shù)正是可以改善傳統(tǒng)以太網(wǎng)盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)特性，根據(jù)數(shù)據(jù)流的不同優(yōu)先級(jí)，提供不同程度的端到端有界時(shí)延保障和更小抖動(dòng)等，能夠在二層網(wǎng)絡(luò)提供高帶寬、高可靠、低時(shí)延和時(shí)間同步的音/視頻流服務(wù)，這些特征都能符合車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，從而滿足車載以太網(wǎng)的應(yīng)用要求。