下一代工業通訊—TSN（時間敏感網絡），工業物聯網的助推器

隨着工業物聯網（IIoT）的興起和工業4.0的提出，愈來愈多的設計師、工程師和最終用戶關注TSN（Time-Sensitive Networking，時間敏感網絡）。TSN爲以太網提供肯定性性能，本質上是一個肯定性以太網擴展集，同時也是音頻視頻橋接 (AVB) 的後繼者。那TSN究竟是什麼呢？在工業物聯網中扮演什麼角色？這些年發展的怎樣？下面扒一扒TSN的前世此生。

閱讀《從Ethernet到TSN：實時通訊一小步，工業4.0一大步》可深刻了解TSN.

TSN源於何處？

TSN是一項從視頻音頻數據領域延伸至工業領域、汽車領域的技術。TSN最初來源於音視頻領域的應用需求，當時該技術被稱爲AVB，因爲針對音視頻網絡須要較高的帶寬和最大限度的實時，藉助AVB能較好的傳輸高質量音視頻。

2006年，IEEE802.1工做組成立AVB音頻視頻橋接任務組，並在隨後的幾年裏成功解決了音頻視頻網絡中數據實時同步傳輸的問題。這一點馬上受到來自汽車和工業等領域人士的關注。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間肯定性以太網的應用需求和適用範圍，並同時將任務組名稱改成如今的：TSN任務組。TSN是以以太網爲基礎的新一代網絡標準，具備時間同步、延時保證等確保實時性的功能。

TSN有何用武之地？

TSN使用標準以太網提供分佈式時間同步和肯定性通訊。所以，任何須要分佈式測量或控制的應用均可以從TSN中受益。客戶可以使用TSN進行簡單的分佈式同步測量、下一代計算機數控加工的改進、新型半導體加工機器以及將來的電網研究等。在其餘行業的應用包括：

視頻/音頻傳輸
如前所述，TSN最初來源於視頻領域的應用需求。傳輸音頻和視頻信息的網絡須要遵照嚴格的時序規則。若是音頻或視頻分組不能按指定的時序規則到達目的地，則接收設備（例如視頻屏幕或揚聲器）可能會發生視頻幀被丟棄、音頻僞像的狀況。此外，這種網絡還須要可預測的延遲，保證視頻和相關音頻流之間的同步。另外一方面，足球賽事的實況轉播有不少高清的數據要經過網絡傳輸處處理中心，對帶寬的需求極大。並且爲了最大限度的提供實時性，這些圖像、音頻必須實現高實時的傳輸與處理，能夠想象其對帶寬和實時性的需求。

音頻視頻橋接

汽車駕駛
目前大多數的汽車控制系統很是複雜。好比說：剎車、引擎、懸掛等採用CAN總線。而燈光、車門、遙控等採用LIN系統。娛樂系統更是五花八門，有FlexRay和MOST等目前的車載網絡。實際上，全部上述系統均可以用支持低延時且具備實時傳輸機制的TSN進行統一管理。能夠下降給汽車和專業的A/V設備增長網絡功能的成本及複雜性。

典型的汽車A / V系統

在車輛中，實時功能對於某些應用相當重要。 爲確保這些實時功能可用，必須在以太網控制器中設置具備直接訪問硬件資源的機制。TSN使構建可擴展的以太網網絡成爲可能。爲此，不一樣的消息按照其可用性分爲了避免同的等級，並對其延遲和優先級進行了分類，每一個消息類被分配到一個固定的帶寬。此外，TSN還支持冗餘以太網系統，而且，爲確保穩定的數據交換，定義了安全標準。

以太網AVB如何在汽車流媒體應用中發揮核心做用

IEEE音頻/視頻橋接工做組定義了相關機制和協議，以確保低延遲數據正常交換、並在時間上同步應用。音頻/視頻橋接（AVB）主要應用在娛樂系統。現在駕駛員輔助系統的普遍引入，要求在發送和接收行爲方面有更嚴格的規範。所以，IEEE TSN工做組延續了AVB的工做，該工做組的重點是研究肯定性數據傳輸機制，進一步減小以太網網絡中的延遲，更加穩定和安全地傳輸數據。

工業物聯網
工業物聯網是將來TSN最普遍的一個應用，全部須要實時監控或是實時反饋的工業領域都須要TSN網絡。好比：機器人工業、深海石油鑽井以及銀行業等等。

標準以太網的本質是一種非肯定性網，但在工業領域必需要求肯定性，一組數據包裹必須完整、實時、肯定性的到達目的地，所以較新的TSN標準增長了中心控制、全部網絡設備的時間同步以及更低的延遲等特性。爲了達到儘量低的絕對延遲，IEEE 802.1Qbv定義了一個時間感知整形器，它能夠無視定時流量門的存在。想象一下，你在曼哈頓從時代廣場開車到運河街，一般須要22分鐘。如今你的行程已經計劃安排好，若是你準時出發，以60英里/小時的速度行駛，那麼在2.7分鐘後就能到達運河街，TSN消除了標準以太網因爲交通「擁堵」致使的非肯定性。

TSN除了解決以太網的不肯定性問題，還正在解決工業領域總線的複雜性問題。現在工業中
每種總線有着不一樣的物理接口、傳輸機制、對象字典，每種不一樣的技術背後都有不一樣的廠商在支持，難以統一。並且即便是採用了以太網來標準各個總線，仍然會在互操做層出現問題，這使得對於IT應用，如大數據分析、訂單排產、能源優化等應用遇到了障礙。

TSN還能夠用於支持大數據的服務器之間的數據傳輸。全球的工業已經入了物聯網(Internet of Things，IoT)的時代，毫無疑問TSN是改善物聯網的互聯效率的最佳途徑。

TSN究竟是何方神聖呢？

時間敏感網絡 (TSN) 經過以太網提供肯定性性能，它的持續發展已致使 IEEE 802.1 和 IEEE 802.3 標準發生重大更新。IEEE802.3開發並維護以太網的PHY和MAC標準，IEEE802.1開發並維護Bridging(akaSwitching)標準。經過AVB、TSN,使得以太網進入硬實時領域應用。

TSN是一組以太網標準，容許經過802網絡實現時間同步的低延遲流服務。經過標準以太網，TSN建立了分佈式，同步，硬實時系統的機制。這些系統使用相同的基礎架構來提供實時控制並傳達全部標準IT數據，從而爲控制、測量、配置、UI和文件交換基礎架構的融合提供動力。經過基於時間定義隊列，TSN可確保經過交換網絡的流量具備有限的最大延遲。這意味着標準以太網如今能夠：

• 經過交換網絡保證消息延遲
• 關鍵和非關鍵流量能夠在一個網絡中融合
• 更高層協議能夠共享網絡基礎結構
• 實時控制能夠遠離操做區域
• 子系統能夠更容易地集成
• 能夠在不進行網絡或設備更改的狀況下添加組件
• 能夠更快地診斷和修復網絡故障

TSN並不是涵蓋整個網絡，TSN其實指的是在IEEE802.1標準框架下，基於特定應用需求制定的一組「子標準」，旨在爲以太網協議創建「通用」的時間敏感機制，以確保網絡數據傳輸的時間肯定性。而既然是隸屬於IEEE802.1下的協議標準，TSN就僅僅是關於以太網通信協議模型中的第二層，也就是數據鏈路層（更確切的說是MAC層）的協議標準。請注意，是一套協議標準，而不是一種協議，就是說TSN將會爲以太網協議的MAC層提供一套通用的時間敏感機制，在確保以太網數據通信的時間肯定性的同時，爲不一樣協議網絡之間的互操做提供了可能性。

TSN關鍵組件

由IEEE 802.1制定的TSN標準文檔能夠分爲三個基本關鍵組件。每一個標準規範均可以單獨使用，而且主要是自給自足的。可是，只有在每一個規範協同使用的狀況下，TSN做爲通訊系統才能充分發揮其潛力。三個基本組成部分是：時間同步，調度和流量整形，通訊路徑的選擇、預留和容錯。

時間同步在這方面，「時間敏感網絡」這個名稱已經很是具備描述性。端到端（End-to-End）的傳輸延遲具備難以協商的時間界限，所以網絡中的全部設備都須要共同的時間參考，須要彼此同步時鐘。

TSN網絡中的時間同步能夠經過不一樣的技術實現。從理論上講，能夠爲每一個終端設備和網絡交換機配備GPS時鐘。然而，這種方法不只昂貴，並且沒法保證GPS時鐘始終接入衛星信號。因爲這些限制，TSN網絡中的時間一般從一箇中央時間源直接經過網絡自己分配，也就是使用IEEE 1588精確時間協議完成。除了廣泛適用的IEEE 1588規範以外，IEEE802.1委員會已經指定了一個IEEE1588的概要文件，稱爲IEEE802.1AS。此配置文件背後的想法是將大量不一樣的IEEE 1588選項縮小到可管理的幾個關鍵選項，這些選項適用於汽車或工業自動化環境中得網絡。

調度和流量整形因爲端口轉發機制的限制，在標準的以太網中，實時性是難以保證的。調度和流量整形容許在同一網絡上共存不一樣優先級的流量類別，每一個類別對可用帶寬和端到端延遲都有不一樣的要求。所以，全部參與實時通訊的設備在處理和轉發通訊包時需遵循相同的規則。

通訊路徑的選擇，預留和容錯，全部參與實時通訊的設備在選擇通訊路徑、預留帶寬和時隙方面遵循相同的規則，能夠利用多條路徑來實現故障排除，支持保護諸如安全相關的控制迴路或車輛中的自動駕駛之類的安全應用，以防止硬件或網絡中的故障。

TSN的相關協議標準

AVB標準由同一工做組在IEEE開發，經過部署流量保留和整形，確保在指定的時間段內，從發送方到接收方的網絡傳輸流量不會忽然變化。儘管AVB標準有其本身的特性，但它缺乏以太網中高肯定性流量類所需的一些關鍵屬性。TSN的調度、搶佔和冗餘功能提供更肯定的延遲，更高效的數據包傳輸機率，以及跨網絡中冗餘路徑的無縫時鐘同步。

AVB Gen1功能

AVB是由IEEE 802.1時間敏感網絡任務組定義的一組規範，它們共同爲音頻/視頻流應用提供低延遲，時間同步的服務。AVB規範包括：

• 流預留協議（SRP）[IEEE 802.1Qat]，
• 時間敏感應用的時序和同步[IEEE 802.1AS]
• 時間敏感流的轉發和排隊加強[IEEE 802.1Qav]用於流媒體類應用，例如汽車攝像頭和信息娛樂應用。

IEEE 802.1AS它用於實現高精度的時鐘同步。IEEE 802.1Qat流預留協議（SRP）解決網絡中音視頻實時流量與普通異步數據流量之間的競爭問題。經過協商機制，在音視頻流從源設備到不一樣交換機再到終端設備的整個路徑上預留出所需的帶寬資源，以提供端到端（End-to-End）的服務質量及延遲保障。IEEE 802.1Qav 是實時數據流的轉發和隊列控制協議，爲數據流發送端和交換節點提供一個成形的數據流服務。確保傳統的異步以太網數據流量不會干擾到AVB的實時音視頻流。爲了不普通數據流量與AVB流量之間對網絡資源的競爭，AVB交換機內對時間敏感的音視頻流和普通數據流進行了區別處理，將實時幀與異步幀分別進行排隊，而且賦予實時幀最高的優先級。

AVB標準經過定義流預留（SR）流量類來確保服務質量（QoS）。例如，A類提供2ms的最大延遲，而B類提供50ms的最大延遲，用於網絡中的七個躍點。汽車音頻設備可支持SR類，其觀測間隔大於AVnu聯盟起草的汽車要求的B類。

儘管有基於信用的公平隊列（CBFQ），但在最壞的狀況下，因爲在其餘業務干擾期間沒有搶佔式調度，AVB流量仍然會在每一個網絡節點上延遲,所以還須要AVB Gen2。

TSN（AVB Gen2）功能
時間敏感網絡（TSN）是由IEEE 802組開發的一套標準，它提供如下功能：

• 時間敏感應用的定時和同步，IEEE802.1ASbt
• 計劃流量的加強功能，IEEE802.1Qbv
• Frame Preemption，IEEE802.1Qbu
• 冗餘網絡的路徑控制和保留，IEEE802.1Qca
• 流保留協議（SRP）加強功能支持IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1 Qca / IEEE802.1CB，IEEE802.1Qcc
• 無縫冗餘，IEEE802.1CB

IEEE 802.1ASbt是對IEEE 802.1AS的加強。IEEE 802.1ASbt增長了對一步時間戳的支持，相對於IEEE 802.1AS中的兩步過程，這減小了在網絡中傳送定時信息的分組數量。在具備時間感知系統的daisy-chain網絡中，分組流量和計算能力的減小是有用的。IEEE 802.1ASbt經過預先選擇好備用主時鐘，並確保在發生故障時快速地切換，來提升網絡的響應能力。這符合工業網絡中無縫切換（優選零時間）的要求。

IEEE 802.1Qbv時間感知隊列經過時間感知整形器(Time Aware Shaper，TAS)使TSN交換機可以來控制隊列流量（queued traffic），以太網幀被標識並指派給基於優先級的VLAN Tag，每一個隊列在一個時間表中定義，而後這些數據隊列報文在預約時間窗口在出口執行傳輸。其它隊列將被鎖定在規定時間窗口裏。所以消除了週期性數據被非週期性數據所影響的結果。這意味着每一個交換機的延遲是肯定的，可知的。而在TSN網絡的數據報文延時被獲得保障。

TAS介紹了一個傳輸門概念，這個門有「開」、「關」兩個狀態。當傳輸的選擇過程-僅選擇那些數據隊列的門是「開」狀態的信息。TAS保障時間要求嚴苛的隊列免受其它網絡信息的干擾，它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通訊延遲。當優先級很是高時，搶佔機制能夠被使用。

IEEE 802.1Qbv主要爲那些時間嚴苛型應用而設計，其必須確保很是低的抖動和延時。IEEE 802.1Qbv確保了實時數據的傳輸，以及其它非實時數據的交換。

IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr轉發與隊列機制是IEEE以太網標準的新補充，能夠在信息傳輸的時候讓高優先級的幀打斷低優先級的幀，最大限度地下降高優先級信息流的延遲。在工業自動化控制系統的應用方面，搶佔能夠進一步將不一樣技術的多個網絡融合在一個以太網和IP的基礎架構裏，能夠實現自動化操做以及訂單控制生產。經過大幅下降低優先級信息流對重要信息流的影響，兩種信息流能夠混合在同一鏈路上。

IEEE802.1Qcc Qcc用於爲TSN進行基礎設施和交換終端節點進行即插即用能力的配置。採用集中配置模式，由1或多個CUC(集中用戶配置)和1個CNC(集中網絡配置)構成。CUC制定用戶週期性時間相關的需求並傳輸過程數據到CNC，CNC計算TSN配置以知足需求。

IEEE 802.1Qca爲數據流提供顯式路徑控制，帶寬和流預留以及冗餘。它經過攜帶用於時間同步和調度的信息，使用IS-IS擴展了最短路徑橋接（SPB）的功能，以控制橋接網絡。它經過使用PCE（路徑計算元素）提供顯式轉發路徑控制。PCE是一個實體，可以根據網絡拓撲的表示計算出經過網絡的路徑。IEEE 802.1CB依賴於IEEE 802.1Qca在從發送方到接收方的網絡中的不相交路徑上傳送消息。

IEEE802.1CB標準經過在發送端複製多個不相交路徑中的分組並消除多個點處的重複來提升網絡的可靠性，使得監聽器僅看到一個分組。無縫冗餘（IEEE802.1CB）與IEEE802.1Qca和零擁塞相結合，可在數據包傳輸中提供最佳的QoS。它使用冗餘標記（相似於VLAN標記）中攜帶的序列編號來複制和消除網絡中的重複數據包。

TSN相關標準及進程

雖然成套的TSN特性還在繼續擴展，功能不斷改進，但現有標準提供了豐富的功能選擇，使基於標準的解決方案可以在與傳統通訊共存的網絡上，實現肯定性，時間敏感，可靠的通訊。
具體詳見https://1.ieee802.org/

圍繞TSN，都有哪些玩家呢？他們最近都在幹什麼呢？

TSN 再也不只是一個理想化項目，而是已成爲被行業組織認證的普遍使用的標準。目前國內外有大量的組織、企業在推進TSN發展。大量廠商正在對其進行測試與互操做測試。

在2016年的SPS上各個廠商宣佈了對OPC UA TSN的支持，包括了ABB、B&R、Bosch Rexroth、CISCO、GE、NI、KUKA、Parker、Phoenix、Schneider、SEW、TTTech等主流的自動化與IT廠商。

2016年2月下旬，Bosch Rexroth、Schneider Electric、National Instruments和Kuka宣佈他們將聯手開發全球首個TSN測試平臺。該測試平臺旨在將不一樣業務流量整合到以太網TSN網絡上。它將測試TSN的多供應商互操做性，以及其安全特性、性能、延遲、與基於雲的控制系統的集成National Instruments主持測試平臺開發工做。其高管Eric Starkloff 評論說，TSN是「工業物聯網將來發展的必要條件」，並強調其從專業視聽技術發展到如今的融合式肯定性以太網，可謂進步驚人。

2017年紐倫堡SPS展會上EPSG組織展臺展出的OPC UA TSN演示系統，針對200個I/O站、5個高清視頻，達到100μS的數據刷新能力。

2018年11月27日，在德國紐倫堡電氣自動化系統及元器件展（SPS IPC ），CC-Link協會正式發佈最新的開放式工業網絡協議「CC-Link IE TSN」，宣佈工業通訊迎來新的變革時代。CC-Link IE TSN規範在全球率先將千兆以太網帶寬與時間敏感網絡(TSN) 相結合，在確保控制數據通訊的實時性的同時，實如今同一個網絡中與其它開放式網絡、以及與IT系統的數據通訊,實現「多網互連互通」。

結語

TSN的核心思惟是提出了一個可互操做的系統，並支持多個製造商、協議和機構在同一個網絡上共享，同時數據使用相同的語言進行解析，不只可得，並且可用。做爲底層的通用架構，TSN使得更多企業能夠在此架構上實現OT和IT的融合。這種融合提升了工業設備的鏈接性和通用性，而且面向將來，爲大數據分析、邊緣智能、新型業務提供了更快更好的發展路徑。