時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)白皮書(shū)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)白皮書(shū)物聯(lián)網(wǎng)、5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展，加快了傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐，物物互聯(lián)的通信需求也隨之增加。傳統(tǒng)以太網(wǎng)已經(jīng)不能滿足越來(lái)越多的數(shù)據(jù)和廣泛分布的網(wǎng)絡(luò)需求，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)以傳統(tǒng)以太網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，通過(guò)時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置等機(jī)制，提供確定性數(shù)據(jù)傳輸能力。一、發(fā)展背景1.1

概述時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是

IEEE802.1

任務(wù)組開(kāi)發(fā)的一套數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范，用于構(gòu)建更可靠的、低延遲、低抖動(dòng)的以太網(wǎng)。TSN的誕生和發(fā)展離不開(kāi)傳統(tǒng)以太網(wǎng)的技術(shù)支撐和行業(yè)需求的推進(jìn)。1.2

技術(shù)演進(jìn)以太網(wǎng)技術(shù)誕生于

20

世紀(jì)

70

年代。1983

年，IEEE802.3《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

以太網(wǎng)》標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。以太網(wǎng)由于高帶寬、低成本、互操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，從同軸電纜慢慢發(fā)展成為千兆以太網(wǎng)。2005

年，IEEE802.1Q-2005《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

虛擬橋接局域網(wǎng)》標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，提出了虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)，使得局域網(wǎng)能夠同時(shí)支持聲音和圖像的傳輸。圖

1

給出了以太網(wǎng)的發(fā)展歷程。盡管以太網(wǎng)技術(shù)一直處于不斷發(fā)展的過(guò)程中，交換技術(shù)的采用也大大減少了網(wǎng)絡(luò)延遲，但是以太網(wǎng)協(xié)議采用的“Best-effffort”通信機(jī)制從本質(zhì)上仍然缺乏確定性和實(shí)時(shí)性。為此一些標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)、技術(shù)組織等一直在推出各自的確定性網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，圖

2

給出了不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)的集中確定性網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，在

2000

年提出了多種提供工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的解決方案，整體上推動(dòng)了以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化上的應(yīng)用。根據(jù)

HMS的

2019

年工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

a，新安裝工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，Ethernet/IPb、Profifinetc、EtherCATd、Powerlinke四種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)占比超過(guò)

40%，此外還有

SercosIIIa、CC-LinkIEb等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。多種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議在物理層實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，但解決實(shí)時(shí)性的技術(shù)路線各不相同，各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)都形成了各自獨(dú)立配置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，彼此之間形成了自動(dòng)化孤島，存在互連互通互操作問(wèn)題。同時(shí)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和各種自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)也不能直接相連。在航空電子和汽車電子領(lǐng)域，隨著各種機(jī)械液壓控制轉(zhuǎn)向各種線控，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的高可靠性時(shí)間觸發(fā)通信架構(gòu)提出了要求。維也納大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)把時(shí)間觸發(fā)通信機(jī)制與標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)機(jī)制相結(jié)合，提出了時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTE）技術(shù)方案，并在綜合航空電子系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。2002

年，IEEE發(fā)布

IEEE1588-2002《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議》，啟動(dòng)了在

IEEE802

標(biāo)準(zhǔn)框架下形成統(tǒng)一實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的進(jìn)程。2005

年，IEEE802.1

成立了音頻視頻橋接（AVB）任務(wù)組，開(kāi)始制定一套基于以太網(wǎng)架構(gòu)，用于實(shí)時(shí)音視頻的傳輸協(xié)議集。它有效地解決了數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)傳輸中的時(shí)序性、低延時(shí)和流量整形問(wèn)題，同時(shí)又可以

100%

向后兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)。AVB任務(wù)組的成果引起了車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域廠商和技術(shù)組織的關(guān)注，2012

年，AVB任務(wù)組更改名字為TSN任務(wù)組，在其章程中擴(kuò)大了時(shí)間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍。在

AVB標(biāo)準(zhǔn)集的基礎(chǔ)上，TSN任務(wù)組綜合了多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)r(shí)間敏感通信的需求，形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)，建立了時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置等核心機(jī)制。TSN和

TTE位于數(shù)據(jù)鏈路層?；ヂ?lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）在

2015

年

10

月成立了

DetNet工作組，專注于網(wǎng)絡(luò)層及上層的廣域確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，旨在將確定性網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)際互連協(xié)議

/

多協(xié)議標(biāo)簽交換（IP/MPLS）等技術(shù)擴(kuò)展到廣域網(wǎng)上。1.3

行業(yè)需求TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)起源于音視頻行業(yè)，用于滿足廣播、直播、現(xiàn)場(chǎng)等公共媒體的高清視頻及音頻數(shù)據(jù)高實(shí)時(shí)、同步傳輸?shù)母邘捑W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，同時(shí)旨在用以太網(wǎng)取代家庭中的高清多媒體接口（HDMI）、揚(yáng)聲器和同軸電纜。雖然

AVB任務(wù)組的研究成果沒(méi)有廣泛應(yīng)用于家庭娛樂(lè)設(shè)備，但已經(jīng)在工作室、體育和娛樂(lè)等場(chǎng)所得到推廣。這一成功吸引了汽車界和工業(yè)界的關(guān)注。在汽車領(lǐng)域中，隨著車載以太網(wǎng)在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)方面的需求日益增加，而傳統(tǒng)以太網(wǎng)的高延時(shí)及其不確定是無(wú)法滿足無(wú)人駕駛或智能駕駛的車載音視頻同步、安全和車聯(lián)網(wǎng)交互等需求，因此極低延時(shí)的高帶寬以太網(wǎng)傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。透過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的

TSN架構(gòu)由于能夠增加產(chǎn)品的差異化、改善駕駛員的行車體驗(yàn)。同時(shí)在工業(yè)領(lǐng)域，許多工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用對(duì)于延遲的要求非常嚴(yán)格，以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。但是，現(xiàn)有的大部分自動(dòng)化控制解決方案都是基于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，而且各大廠商還研發(fā)了一些附加的技術(shù)機(jī)制，從而導(dǎo)致了協(xié)議之間互不兼容，使實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案市場(chǎng)嚴(yán)重分散，無(wú)法支持未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合、一體化的發(fā)展。因此智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，迫切地需要通過(guò)統(tǒng)一的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高可靠低延遲、支持同步、具有良好兼容性的確定性工業(yè)通信。1.4

TSN價(jià)值TSN提供微秒級(jí)確定性服務(wù)，保證各行業(yè)的實(shí)時(shí)性需求。TSN可以達(dá)到

10us級(jí)的周期傳輸，性能優(yōu)于主流的工業(yè)以太網(wǎng)。并且

TSN面向音視頻、工業(yè)、汽車等多種行業(yè)，將實(shí)時(shí)性延伸至更高的層次。TSN降低整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸。以工業(yè)為例，當(dāng)前周期性控制數(shù)據(jù)使用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸，非周期性數(shù)據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸。TSN通過(guò)其調(diào)度機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了整個(gè)通信中的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。TSN統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸，提高經(jīng)濟(jì)性。TSN能夠幫助實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)（IT）與運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）融合，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)能夠減少開(kāi)發(fā)部署成本，降低控制器等產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)配置所需的工程時(shí)間。1.5

小結(jié)以太網(wǎng)經(jīng)歷了串行通信、傳統(tǒng)以太網(wǎng)、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)時(shí)代，目前進(jìn)入確定性網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。TSN基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，提供更可靠的、低延遲、低抖動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。除了

TSN之外，近

10

年中也出現(xiàn)了一些網(wǎng)絡(luò)確定性的技術(shù)解決方案，包括工業(yè)以太網(wǎng)、TTE、DetNet等，但

TSN無(wú)疑是當(dāng)前最為成熟的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。二、TSN技術(shù)2.1

TSN在

OSI模型中的位置TSN協(xié)議族位于開(kāi)放式系統(tǒng)互連（OSI）模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層。它可以采用

IEEE802.3

的以太網(wǎng)或

IEEE802.3cg《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

補(bǔ)篇

5：?jiǎn)螌?duì)平衡導(dǎo)線上

10

Mb/s運(yùn)行和相關(guān)電力輸送的物理層規(guī)范和管理參數(shù)》的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)物理層。TSN協(xié)議族進(jìn)一步可以劃分為三個(gè)子層：（1）基礎(chǔ)層：IEEE802.1AS-2020《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

橋接局域網(wǎng)中時(shí)間敏感應(yīng)用的定時(shí)和同步》的時(shí)鐘同步和

IEEEQat-2010《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

虛擬橋接局域網(wǎng)

修正

14：流預(yù)留協(xié)議

(SRP)》、IEEE802.1Qbv-2015《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

網(wǎng)橋和橋接網(wǎng)絡(luò)

修正25:

調(diào)度業(yè)務(wù)的增強(qiáng)》等調(diào)度協(xié)議；（2）中間層：IEEE802.1Qcc-2018《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

網(wǎng)橋和橋接網(wǎng)絡(luò)

修正：流保留協(xié)議

(SRP)

增強(qiáng)和性能改進(jìn)》TSN配置和IEEE802.1AB《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

站和媒體訪問(wèn)控制連接發(fā)現(xiàn)》定義的鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（LLDP）等支撐協(xié)議，Yang模型的定義等；（3）應(yīng)用適配層：各種應(yīng)用配置協(xié)議。例如

IEEE802.1BA-2009《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

音視頻橋接系統(tǒng)》面向

TSN在

AVB系統(tǒng)中的應(yīng)用，IEEE802.1CM-2018《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)》面向

TSN在移動(dòng)通信前傳中的應(yīng)用。IEEE802.1DG《車內(nèi)以太網(wǎng)通信的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用行規(guī)》面向

TSN在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，IEC/IEEE60802《面向工業(yè)自動(dòng)化的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)行規(guī)》面向

TSN在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用。此外，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定中的IECTR61850-90-13《電力自動(dòng)化中的確定性網(wǎng)絡(luò)》面向

TSN在能源領(lǐng)域的應(yīng)用。2.2

TSN核心機(jī)制TSN協(xié)議族包含了時(shí)鐘同步、流量整形、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置、應(yīng)用配置等方面的標(biāo)準(zhǔn)。在本節(jié)中，將介紹時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置等

TSN核心技術(shù)。2.2.1

時(shí)鐘同步與

IEEE802.3

的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和

IEEE802.1Q的以太網(wǎng)橋接相比，時(shí)鐘在

TSN網(wǎng)絡(luò)中起著重要的作用。對(duì)于實(shí)時(shí)通信而言，端到端的傳輸延遲具有難以協(xié)商的時(shí)間界限，因此

TSN中的所有設(shè)備都需要具有共同的時(shí)間參考模型，因此需要彼此同步時(shí)鐘。這不僅適用于諸如工業(yè)控制器和制造機(jī)器人之類的通信流的終端設(shè)備，而且對(duì)于網(wǎng)絡(luò)組件也是如此。在

TSN中，主要的時(shí)鐘同步標(biāo)準(zhǔn)包括

IEEE802.1AS和其修訂版IEEE802.1AS-Rev。相對(duì)而言，IEEE802.1AS-Rev對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘精度要求更高。IEEE802.1AS所規(guī)范的協(xié)議嚴(yán)格保證了時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)在基于以太的橋接網(wǎng)絡(luò)或虛擬橋接網(wǎng)絡(luò)等時(shí)延固定或?qū)ΨQ的傳輸媒質(zhì)中的同步傳送。圖

4

給出了

IEEE802.1AS架構(gòu)。其內(nèi)容包括在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行或添加、移除或重配置網(wǎng)絡(luò)組件和網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)對(duì)時(shí)鐘同步機(jī)制的維護(hù)，并規(guī)范了

IEEE1588

在

IEEE802.1Q和

IEEE802.1D《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

媒體訪問(wèn)控制（MAC）網(wǎng)橋》中的應(yīng)用。

IEEE802.1AS和

IEEE802.1AS-Rev定義了廣義的精確時(shí)鐘同步協(xié)議（gPTP）。與IEEE1588不同，gPTP支持媒體訪問(wèn)控制（MAC）層的通信，是一個(gè)完全基于二層的網(wǎng)絡(luò)、非

IP路由的協(xié)議。并且，gPTP定義了一個(gè)媒體獨(dú)立子層，即使采用不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，甚至不同的媒體接入技術(shù)的混合網(wǎng)絡(luò)，也可采用相同的時(shí)間域進(jìn)行同步。這種情況下，這些時(shí)間敏感子網(wǎng)間信息的交換可以采用不同的包格式和管理機(jī)制。gPTP為上層應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)的接口定義，而

IEEE1588

沒(méi)有定義應(yīng)用程序如何能得到或者提供時(shí)間信息。2.2.2

數(shù)據(jù)調(diào)度TSN的數(shù)據(jù)調(diào)度是保證時(shí)間敏感的基礎(chǔ)，它的核心思想是基于不同的整形器（Shaper）來(lái)進(jìn)行不同應(yīng)用場(chǎng)景的流控制。IEEE802.1

提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保可靠性的數(shù)據(jù)傳輸，一般主要包括以下幾種情況。（1）基于信用的整形器

CBS（Credit-BasedShaper）CBS整形器在

IEEE802.1Qav-2009《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

虛擬橋接局域網(wǎng)

修正

12：時(shí)效性流的轉(zhuǎn)發(fā)和隊(duì)列增強(qiáng)》中規(guī)定，它可以通過(guò)對(duì)不同隊(duì)列賦予一個(gè)“信用值”來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度，不同傳輸隊(duì)列的“信用值”會(huì)隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程而自動(dòng)更改，這樣就會(huì)保證優(yōu)先級(jí)較低的數(shù)據(jù)也會(huì)得到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)。CBS整形器主要在汽車工業(yè)得到應(yīng)用，但相對(duì)工業(yè)應(yīng)用而言還是具有較大的平均延遲。（2）時(shí)間感知的整形器

TAS（TimeAwarenessShaper）TAS一

般

分

為

兩

種：

搶

占

式

和

非

搶

占

式。

非

搶

占

式

基

于

IEEE802.1Qbv，通過(guò)門控制列表（GCL）周期性的控制門的開(kāi)

/

關(guān)，TAS需要從發(fā)送方（Talker）到接收方（Listener）中間的所有網(wǎng)橋進(jìn)行時(shí)鐘同步，對(duì)于網(wǎng)橋中的每個(gè)端口，TAS根據(jù)已知且商定的時(shí)鐘表進(jìn)行開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，而數(shù)據(jù)調(diào)度則可以根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)及隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行定義，在

IEEE802.1Qbv的實(shí)現(xiàn)中，那些需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通常被第一個(gè)安排進(jìn)行傳輸，需要在時(shí)間調(diào)度配置時(shí)預(yù)先予以確定，而與此同時(shí)，還需要為非周期性的數(shù)據(jù)預(yù)留一個(gè)通道。注意，這里的非周期性數(shù)據(jù)并不是低優(yōu)先級(jí)的，相反，它的優(yōu)先級(jí)更高，一旦數(shù)據(jù)需要發(fā)送，那么就需要立刻安排調(diào)度。TAS可以和

CBS整形器結(jié)合使用，在這個(gè)機(jī)制下，除了原定計(jì)劃的周期性的調(diào)度和非周期性的預(yù)留調(diào)度外，還可以增加一個(gè)

CBS整形器對(duì)其隊(duì)列內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行按照信用的排序調(diào)度。在

IEEE802.1Qbv中所采用的

TAS整形器存在一個(gè)問(wèn)題，就是帶寬保護(hù)，也就是無(wú)論是周期性的數(shù)據(jù)還是非周期性的預(yù)留數(shù)據(jù)，都需要預(yù)留通道。但是，TSN網(wǎng)絡(luò)中還存在一些其他的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也是非周期性的，但是沒(méi)有足夠的預(yù)留通道，那么這時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸就是“Best-effffort”的數(shù)據(jù)調(diào)度。盡管這些數(shù)據(jù)是非周期性的，但是可能他們的優(yōu)先級(jí)很高，因此，為了確保嚴(yán)格時(shí)間要求的數(shù)據(jù)傳輸，IEEE802.1

Qbv給每個(gè)周期預(yù)留了一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)”幀作為保護(hù)帶寬。而為了節(jié)省帶寬，IEEE802.1Qbu-2016《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)網(wǎng)橋和橋接網(wǎng)絡(luò)

修正

26:

框架優(yōu)先》規(guī)定了搶占式的

TAS整形器，在保證時(shí)間敏感任務(wù)數(shù)據(jù)可調(diào)度的前提下，盡可能的節(jié)省帶寬。搶占式策略的原理是暫停非時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，轉(zhuǎn)而傳輸時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)，時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)傳輸完成后，再繼續(xù)傳輸非時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)，主要解決低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列對(duì)于高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列傳輸?shù)挠绊憽Ｐ枰⒁獾氖?，搶占式機(jī)制需要網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)支持

LLDP。（3）周

期

性

排

隊(duì)

與

轉(zhuǎn)

發(fā)

機(jī)

制

整

形

器

CQF（CyclicQueuingandForwarding）CQF整形器基于

IEEE802.1Qch-2017《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

網(wǎng)橋和橋接網(wǎng)絡(luò)

修正

29:

循環(huán)排隊(duì)和轉(zhuǎn)發(fā)》。其中單流過(guò)濾和管控機(jī)制（PSFP）中的時(shí)間門控邏輯控制了時(shí)間敏感分組進(jìn)入緩存隊(duì)列的時(shí)間，而時(shí)間敏感流增強(qiáng)調(diào)度（EST）機(jī)制中的輸出門控機(jī)制控制了分組離開(kāi)輸出隊(duì)列的時(shí)間。基于對(duì)

PSFP和

EST機(jī)制的不同配置，TSN交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多樣的確定性轉(zhuǎn)發(fā)，滿足不同場(chǎng)景的需求。CQF對(duì)

PSPF和EST機(jī)制進(jìn)行配置，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算實(shí)現(xiàn)確定性的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)。CQF也是目前

TSN規(guī)范中確定的唯一配置方式。CQF也可以與搶占式機(jī)制進(jìn)行配合，使得可以在隊(duì)列中避免低優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)壓制高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸。（4）異步數(shù)據(jù)流整形器

ATS（AsynchronousTrafficShaper）ATS整形器基于

IEEE802.1Qcr《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)橋和橋接網(wǎng)絡(luò)

修正

:異步流量整形》標(biāo)準(zhǔn)，為了解決非周期性數(shù)據(jù)的傳輸零擁堵問(wèn)題，并且針對(duì)周期性的數(shù)據(jù)傳輸而言，網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格時(shí)鐘同步和隊(duì)列保護(hù)帶寬等原因無(wú)法最大的使用到網(wǎng)絡(luò)帶寬，ATS進(jìn)一步優(yōu)化那些對(duì)于時(shí)間同步非嚴(yán)苛任務(wù)的帶寬利用。ATS整形器旨在通過(guò)每跳重塑

TSN數(shù)據(jù)流，并不要求網(wǎng)橋和終端節(jié)點(diǎn)同步，對(duì)于高實(shí)時(shí)要求和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)混合業(yè)務(wù)模式下，ATS整形器也能保持帶寬的最大利用率。2.2.3

網(wǎng)絡(luò)配置面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，IEEE802.1Qcc-2018《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

網(wǎng)橋和橋接網(wǎng)絡(luò)

修正

:

流保留協(xié)議

(SRP)

增強(qiáng)和性能改進(jìn)》描述了三種用戶

/

網(wǎng)絡(luò)配置模型，這些模型為后續(xù)規(guī)范提供了體系結(jié)構(gòu)。每個(gè)模型規(guī)范都顯示了網(wǎng)絡(luò)中不同實(shí)體之間的用戶

/

網(wǎng)絡(luò)配置信息的邏輯流。（1）全分布模型該模式下，用戶流的終端直接通過(guò)

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(méi)有集中的網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)體。分布式網(wǎng)絡(luò)配置使用一個(gè)協(xié)議來(lái)執(zhí)行，該協(xié)議沿著流的活動(dòng)拓?fù)鋫鞑?/p>

TSN用戶

/網(wǎng)絡(luò)配置信息。隨著用戶需求在每個(gè)網(wǎng)橋中傳播，網(wǎng)橋的資源管理在本地有效地執(zhí)行。這種本地管理僅限于網(wǎng)橋知道的信息，不一定包括整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息。（2）集中式網(wǎng)絡(luò)

/

分布式用戶模式有些

TSN用例在計(jì)算上很復(fù)雜，對(duì)于這樣的用例，將計(jì)算集中在單個(gè)實(shí)體（網(wǎng)橋或端）中，而不是在所有網(wǎng)橋中執(zhí)行計(jì)算。一些

TSN用例可以受益于對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有流的完整了解，對(duì)于這些用例，實(shí)體可以收集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息，以便找到最佳配置。在集中式網(wǎng)絡(luò)

/

分布式模型中，配置信息直接指向或來(lái)自集中式網(wǎng)絡(luò)配置（CNC）實(shí)體。TSN流的所有網(wǎng)橋配置都是由這個(gè)

CNC使用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議來(lái)完成的。CNC對(duì)網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浜兔總€(gè)網(wǎng)橋的能力有一個(gè)完整的視圖，這使得

CNC可以集中復(fù)雜的計(jì)算。CNC可以存在于端或網(wǎng)橋上，并且知道網(wǎng)絡(luò)邊緣所有與終端連接的網(wǎng)橋地址，CNC將這些網(wǎng)橋配置為一個(gè)代理，直接在網(wǎng)橋和

CNC之間傳輸信息，而不是將信息傳播到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。（3）完全集中的模型許多

TSN用例需要在終端進(jìn)行重要的用戶配置，例如在許多工業(yè)控制應(yīng)用程序中，物理輸入和輸出（I/O）的定時(shí)是由所控制的物理環(huán)境決定的，TSN的定時(shí)需求是由該

I/O定時(shí)產(chǎn)生的。而這些

I/O計(jì)時(shí)需求可能在計(jì)算上非常復(fù)雜，并且涉及到每個(gè)終端中應(yīng)用軟件和硬件的詳細(xì)信息。為了適應(yīng)這類

TSN用例，完全集中的模型支持集中用戶配置（CUC）實(shí)體來(lái)發(fā)現(xiàn)終端和用戶需求，并在終端中配置TSN特性。從網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，完全集中式模型和集中式網(wǎng)絡(luò)

/

分布式用戶模型的主要區(qū)別在于：所有的用戶需求都在

CNC和

CUC之間進(jìn)行交換。2.2.4

幀復(fù)制與消除IEEE802.1CB《IEEE標(biāo)準(zhǔn)

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

可靠性的幀復(fù)制和消除》通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)的源端系統(tǒng)和中繼系統(tǒng)中對(duì)每個(gè)包進(jìn)行序列編號(hào)和復(fù)制，并在目標(biāo)端系統(tǒng)和其他中繼系統(tǒng)中消除這些復(fù)制幀，通過(guò)幀復(fù)制和幀消除過(guò)程為以太網(wǎng)提供無(wú)縫冗余特性，提高可靠性。當(dāng)幀復(fù)制和消除機(jī)制被用于特定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以用來(lái)防止由于擁塞導(dǎo)致的丟包情況，也可以降低由于設(shè)備故障造成分組丟失概率及故障恢復(fù)時(shí)間，有效提高工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互的可靠性。2.3

TSN與新興信息技術(shù)融合TSN僅為以太網(wǎng)提供了一套

MAC層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它確保數(shù)據(jù)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。在不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求下，TSN與新興的信息技術(shù)融合加快未來(lái)

TSN靈活的部署趨勢(shì)。2.3.1

TSN與

IP網(wǎng)絡(luò)的融合（1）一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)通過(guò)研究工業(yè)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、混合網(wǎng)絡(luò)容限分析等關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的高速轉(zhuǎn)換、混合業(yè)務(wù)流的調(diào)度、時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的確定性傳輸、網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)等需求，需建立異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、資源、業(yè)務(wù)、性能管理的一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)框架，并通過(guò)集中式控制的方式為基于

TSN的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供支撐。（2）軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及部署應(yīng)用，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)呈現(xiàn)出以網(wǎng)絡(luò)為中心的趨勢(shì)，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，需要建立統(tǒng)一管控工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制層、管理層等）的綜合管控平臺(tái)。SDN技術(shù)將數(shù)據(jù)平面和控制平面分離，并通過(guò)集中控制方式滿足定制化的工業(yè)業(yè)務(wù)需求，加快部署時(shí)間、提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，同時(shí)穩(wěn)定硬件投入成本增長(zhǎng)速度。圖

9

給出了基于

SDN的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)據(jù)交換層的

SDN交換機(jī)是一種為滿足時(shí)間敏感應(yīng)用設(shè)計(jì)的支持

TSN的自適應(yīng)交換機(jī)，將對(duì)數(shù)據(jù)包的操作能力和操作時(shí)間進(jìn)行封裝，接著由

SDN控制器進(jìn)行邏輯抽象和集中管理，將不同應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量（QoS）映射到

SDN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，從而形成支持

TSN分時(shí)操作的工業(yè)

SDN統(tǒng)一管控架構(gòu)。（3）異構(gòu)協(xié)議高速轉(zhuǎn)換技術(shù)當(dāng)前的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要支持“單向”信息采集類業(yè)務(wù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，而

IT網(wǎng)絡(luò)并不能支持下行協(xié)議的轉(zhuǎn)換。因此需要針對(duì)不完善的異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制，研制新的異構(gòu)協(xié)議高速轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換中的消息同步、功能完整和高效轉(zhuǎn)換，滿足消息事務(wù)處理、同步

/

異步處理、提升協(xié)議轉(zhuǎn)換效率等需求。進(jìn)而使得傳統(tǒng)

OT設(shè)備在未來(lái)的

TSN網(wǎng)絡(luò)中，可通過(guò)“異構(gòu)協(xié)議高速轉(zhuǎn)換技術(shù)”和

IT系統(tǒng)進(jìn)行諸如大數(shù)據(jù)分析、訂單排產(chǎn)和能源優(yōu)化等數(shù)據(jù)和控制業(yè)務(wù)的交換。（4）混合業(yè)務(wù)流調(diào)度工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同智能設(shè)備具有不同延遲流的數(shù)據(jù)交換要求，網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)類型顯著增加，而不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的

QoS需求也不同，針對(duì)不同業(yè)務(wù)種類的

QoS，工業(yè)應(yīng)用主要分為采集類業(yè)務(wù)、交互式業(yè)務(wù)以及控制類業(yè)務(wù)?；旌蠑?shù)據(jù)流具有不同的帶寬和實(shí)時(shí)性需求，且隨環(huán)境因素而變化，使得跨網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度問(wèn)題更具挑戰(zhàn)。另外，實(shí)時(shí)調(diào)度方法直接影響數(shù)據(jù)流傳輸延遲上界，是保障傳輸實(shí)時(shí)性和

QoS的核心環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)全工業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息的全面互聯(lián)互通，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中存在的采集類、交互類和控制類混合業(yè)務(wù)流進(jìn)行混合傳輸，保障包括控制類業(yè)務(wù)流的各種業(yè)務(wù)流的傳輸確定性是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)最重要的任務(wù)。因此高確定性的混合業(yè)務(wù)流調(diào)度技術(shù)對(duì)于

TSN技術(shù)的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。（5）網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)無(wú)法滿足智能工廠產(chǎn)線重構(gòu)、基于數(shù)據(jù)流動(dòng)的工業(yè)智能處理等應(yīng)用需求。當(dāng)前任何設(shè)備和業(yè)務(wù)調(diào)整均需通過(guò)手工配制網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行使能，不能支持網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重構(gòu)。因此動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)具有很大的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)可以改善工業(yè)網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)配置，滿足

TSN中在無(wú)需網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備變動(dòng)情況下將組件添加至實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的問(wèn)題。（6）確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)IETF的確定性網(wǎng)絡(luò)工作組專注于網(wǎng)絡(luò)層及更高層次的廣域確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。確定性網(wǎng)絡(luò)旨在第二層橋接和第三層路由段上實(shí)現(xiàn)確定傳輸路徑，這些路徑可以提供時(shí)延、丟失分組和抖動(dòng)的最壞情況界限，以此提供確定的時(shí)延。確定性網(wǎng)絡(luò)在二層網(wǎng)絡(luò)的確定性路徑的實(shí)現(xiàn)主要依靠

TSN標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。相比于

TSN，確定性網(wǎng)絡(luò)的工作范圍更加廣泛，通過(guò)

IP/MPLS技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)三層的確定性傳輸。2.3.2

TSN與控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議融合由于自動(dòng)化領(lǐng)域的各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)已在全球范圍內(nèi)有大量安裝節(jié)點(diǎn)，因此其與

TSN的融合具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。主流實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)組織都提出了與

TSN的融合方案，在二層與

TSN兼容的同時(shí)也保留了各自的應(yīng)用行規(guī)，從而與相應(yīng)的自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)縫集成。目前已有多個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)組織把先前的時(shí)間觸發(fā)報(bào)文調(diào)度機(jī)制基于TSN重新實(shí)現(xiàn)，如

ProfifinetoverTSN、CC-LinkIETSN。圖10

的

ProfifinetoverTSN架

構(gòu)

中，TSN的實(shí)時(shí)和等時(shí)同步的特性無(wú)縫集成到

Profifinet架構(gòu)中，并維護(hù)現(xiàn)有的上層

Profifinet功能，包括關(guān)于

Profifinet的診斷、配置、報(bào)警等服務(wù)內(nèi)容保持不變。這使用戶和設(shè)備制造商在

TSN網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)使用原來(lái)他們開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，也使現(xiàn)在提供實(shí)以太網(wǎng)技術(shù)解決方案的制造商，確保他們的技術(shù)具有可持續(xù)性。而為了將

EtherCAT的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，EtherCAT將

TSN技術(shù)補(bǔ)充到了

EtherCAT中并定義了“EtherCATTSN通信行規(guī)”，在此規(guī)范下

EtherCAT主站和各個(gè)

EtherCAT網(wǎng)段之間、各個(gè)EtherCAT主站之間可以通過(guò)

TSN交換機(jī)連接，把

EtherCAT網(wǎng)段和

TSN流相適配。在此過(guò)程中，通過(guò)

TSN網(wǎng)絡(luò)無(wú)需對(duì)

EtherCAT從站設(shè)備進(jìn)行更改，多個(gè)工業(yè)控制器都可以通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)不同的

EtherCAT網(wǎng)段進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。在可以預(yù)期的將來(lái)，隨著各廠商控制協(xié)議與

TSN融合技術(shù)的完善。各種不同的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制器和

IO網(wǎng)段都可以物理連接在一個(gè)

TSN網(wǎng)絡(luò)里，通過(guò)

TSN交換機(jī)的配置，實(shí)現(xiàn)若干個(gè)獨(dú)立的實(shí)時(shí)流映射到不同的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議。2.3.3

TSN與

OPCUA融合目前工業(yè)界較為普遍的共識(shí)在于實(shí)現(xiàn)

OPCUAoverTSN，OPCUA與

TSN分別在整個(gè)架構(gòu)中扮演不同的角色，OPCUA主要解決語(yǔ)義互操作、垂直行業(yè)信息模型、上層傳輸如

C/S結(jié)構(gòu)、Pub/Sub結(jié)構(gòu)的傳輸，以及信息安全的機(jī)制，而

TSN則負(fù)責(zé)為其提供實(shí)時(shí)性、統(tǒng)一的底層網(wǎng)絡(luò)支撐，兩者合起來(lái)構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)整個(gè)工業(yè)

RAMI4.0/IIC的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)（IIRA）的通信框架。不僅如此，OPCUA在機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生與底層物理系統(tǒng)交互中也將扮演重要角色，因此，OPCUAoverTSN是未來(lái)整個(gè)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。（1）OPCUAoverTSN的結(jié)構(gòu)OPCUA將實(shí)現(xiàn)與

TSN在控制、傳感器層的連接能力，也包括實(shí)現(xiàn)與

5G、GSM等的連接能力。（2）OPCUAFLC在整個(gè)數(shù)字化制造的框架中，由

OPCUA基金會(huì)組織的現(xiàn)場(chǎng)層通信(FLC)

工作組主要聚焦將

OPCUA與

TSN融合，IEC與

IEEE合作成立了IEC/IEEEE60802

工作組，旨在將

OPCUA與

TSN融合，由

OPCUA統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)對(duì)

TSN的網(wǎng)絡(luò)配置功能。OPCUA通過(guò)信息模型支持語(yǔ)義級(jí)通信，已成為

RAMI4.0

等智能制造架構(gòu)的主流通信協(xié)議，OPC基金會(huì)發(fā)起了

FLC項(xiàng)目，使得

OPCUAoverTSN既滿足車間級(jí)的

M2M橫向通信，也滿足現(xiàn)場(chǎng)層的等時(shí)同步通信。2.3.4

TSN與

5G融合在前傳網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)歷了幾代的發(fā)展，其中就包括大家熟知的

3G、4G等，而近兩年大熱的

5G也屬于這個(gè)領(lǐng)域的。5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，具有高可靠、低時(shí)延的特性，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景將在

5G應(yīng)用拓展方面占據(jù)至關(guān)重要的地位?；谝陨咸匦?，5G成為工業(yè)設(shè)備無(wú)線接入

TSN網(wǎng)絡(luò)的適配解決方案，不僅提供了更好的可靠性和傳輸延遲。同時(shí)

5G系統(tǒng)靈活部署的特性也可以很好的解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變的情況。在

IEEE802.1CM-2018

中，定義了適用于前向傳輸?shù)臅r(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.1CM-2018

對(duì)橋接網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)橋的要求進(jìn)行了嚴(yán)格的定義，首先要符合

IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于網(wǎng)橋的要求，規(guī)定了橋接網(wǎng)絡(luò)支持插入快速通信、幀搶占、支持

64

位片段的大小配置等功能。除此之外，對(duì)網(wǎng)橋的同步要求，也規(guī)定了必須支持電信

ITU-TG.8275.1/Y.1369.1《支持網(wǎng)絡(luò)定時(shí)的相位

/

時(shí)間同步精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議電信概括》配置文件中的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)時(shí)鐘。在對(duì)端站的要求中，同樣也規(guī)定了除

IEEE802.1Q中的一些要求外的同步的規(guī)定，其中包括支持的三種類型流的端口以及支持

ITU-TG.8275.1中的一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘等要求。IEEE802.1CM-2018

中對(duì)前傳也進(jìn)行了介紹和規(guī)定，并說(shuō)明了通過(guò)橋接網(wǎng)絡(luò)可以來(lái)滿足這些要求，其中包括除了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接之外，橋接網(wǎng)絡(luò)還能夠在需要時(shí)提供

eRE/RE和

eREC/REC之間的多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和根點(diǎn)連接。同時(shí)在

IEEE802.1CM-2018

中，重點(diǎn)描述了橋接和同步功能，其中包括延遲組件、網(wǎng)橋延遲計(jì)算、幀搶占、網(wǎng)絡(luò)同步、流控制以及節(jié)能以太網(wǎng)。圖

14

給出了一個(gè)

TSN與

5G交互的高級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示例。這種架構(gòu)允許

TSN系統(tǒng)將整個(gè)

5G系統(tǒng)視為一個(gè)開(kāi)關(guān)，即

5G系統(tǒng)變成一個(gè)具有

TSN功能的“交換機(jī)”。5G系統(tǒng)通過(guò)

N5

和

N6

接口與外部實(shí)體交互。應(yīng)用程序功能

(AF)

的

N5

接口負(fù)責(zé)接收來(lái)自外部系統(tǒng)的配置請(qǐng)求。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

(DN)

的

N6

接口負(fù)責(zé)接收通過(guò)

5G系統(tǒng)傳輸?shù)姆纸M數(shù)據(jù)單元

(PDU)。TSN適配器負(fù)責(zé)將

TSN系統(tǒng)作為

DN和

AF呈現(xiàn)給

5G系統(tǒng)，同時(shí)利用可用的

5G技術(shù)，盡量減少

5G系統(tǒng)定制到

TSN特定功能。5G系統(tǒng)應(yīng)該簡(jiǎn)單地支持

TSN系統(tǒng)可以使用的某些操作能力。為了實(shí)現(xiàn)

5G系統(tǒng)的“TSN交換機(jī)”功能，需要解決四個(gè)方面的主要問(wèn)題。（1）本地部署傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署側(cè)重于廣域部署，即宏觀網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)制造業(yè)通過(guò)本地部署通信網(wǎng)絡(luò)的方式更方便的實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性和高可靠性的需求，同時(shí)工廠可以實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)部的數(shù)據(jù)隱私。3GPP架構(gòu)可以支持本地部署的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。（2）5G網(wǎng)橋除了通過(guò)

5G本地傳輸以太網(wǎng)幀外，它還需要支持廣播

/

多播包，這些包通常用于局域網(wǎng)而不是蜂窩系統(tǒng)。另一個(gè)主要的區(qū)別是以太網(wǎng)地址和交換路徑是通過(guò)學(xué)習(xí)橋發(fā)現(xiàn)的，而不是像典型的蜂窩系統(tǒng)

IP地址那樣分配地址。另外，由于以太網(wǎng)報(bào)頭與有效負(fù)載的大小不同，報(bào)頭壓縮可以顯著提高系統(tǒng)容量。（3）時(shí)間同步5G基礎(chǔ)設(shè)施不僅需要能夠?qū)⒐S主時(shí)鐘連接到

5GUE，還需要能夠?qū)C(jī)器連接

5GUE。（4）QoSQoS需要支持基于跨工廠同步時(shí)間的“時(shí)間感知調(diào)度”。為了識(shí)別流量，5G系統(tǒng)需要理解以太網(wǎng)報(bào)頭和

VLAN，而不是典型的

IP地址。同時(shí)為了保證延遲還需要正確分配資源，必須理解

TSN端到端的配置。由于運(yùn)動(dòng)控制流量的可預(yù)測(cè)性和周期性，它也很好地符合

3GPP中定義的半持續(xù)性調(diào)度

(SPS)

方案。2.3.5

TSN與邊緣計(jì)算融合邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開(kāi)放平臺(tái)。邊緣計(jì)算的核心，將計(jì)算任務(wù)從云計(jì)算中心，遷移到產(chǎn)生源數(shù)據(jù)的邊緣設(shè)備上，不再全部上傳至云計(jì)算平臺(tái)，能夠滿足數(shù)據(jù)隱私和數(shù)據(jù)安全性問(wèn)題、降低運(yùn)營(yíng)成本、交互性和彈性、自治能力等方面的關(guān)鍵需求。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，復(fù)雜多樣的總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)生的復(fù)雜多樣的數(shù)據(jù)、對(duì)通訊實(shí)時(shí)性更高的要求，這些都是影響邊緣計(jì)算發(fā)揮其作用的因素。引入

TSN網(wǎng)絡(luò)能夠有效保障邊緣計(jì)算的過(guò)程中復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约皩?shí)時(shí)性。在

2018

年雪浪大會(huì)上，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）構(gòu)建了在基于

NI模塊化、開(kāi)放式平臺(tái)的

IIoT系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)分析和控制、采集任意傳感器的數(shù)據(jù)、適用于邊緣計(jì)算的硬件以及使用

TSN同步的架構(gòu)。TSN技術(shù)的使用，可以達(dá)到邊緣節(jié)點(diǎn)的同步精度高達(dá)

100ns，這是

IIoT系統(tǒng)的一項(xiàng)重大突破。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，TSN與邊緣計(jì)算的深度融合將提供一個(gè)高實(shí)時(shí)高確定的開(kāi)放互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，為智能制造、智慧城市、智慧交通等領(lǐng)域的發(fā)展提供強(qiáng)有力的底層保障。2.4

小結(jié)TSN位于

OSI七層模型中數(shù)據(jù)鏈路層，能夠與傳統(tǒng)以太網(wǎng)進(jìn)行兼容。TSN的時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置、幀復(fù)制與消除等核心機(jī)制保證了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的確定性時(shí)延。TSN與

IP網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、OPCUA、5G、邊緣計(jì)算等新興信息技術(shù)的融合能夠使網(wǎng)絡(luò)的確定性延伸至網(wǎng)絡(luò)層及更高層，有助于實(shí)現(xiàn)

TSN在不同領(lǐng)域的部署。三、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展3.1

標(biāo)準(zhǔn)化組織3.1.1

國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)化組織IEEE802.1

TSN任務(wù)組。TSN是由

IEEE802.1

工作組下

TSN任務(wù)組開(kāi)發(fā)的一套標(biāo)準(zhǔn)。TSN任務(wù)組的前身是

AVB任務(wù)組，成功解決了音視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)膯?wèn)題，從而得到了汽車和工業(yè)界的關(guān)注。AVB任務(wù)組共發(fā)布

4

項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，包括了

gPTP、流預(yù)留協(xié)議（SRP）、基于信用的整形器、音視頻系統(tǒng)配置等內(nèi)容。2012

年，AVB任務(wù)組擴(kuò)大了

AVB的應(yīng)用需求和業(yè)務(wù)范圍，更名為TSN任務(wù)組。該任務(wù)組的工作內(nèi)容是通過(guò)

IEEE802

網(wǎng)絡(luò)提供確定性服務(wù)，例如具有低時(shí)延、低時(shí)延抖動(dòng)和低丟包率特性的保證分組傳輸，更新標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，為時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)制定了低延遲數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。目前

TSN任務(wù)組發(fā)布

13

項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，豐富了增強(qiáng)了數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置和流量整形的各個(gè)機(jī)制。3.1.2

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織SAC/TC28。全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)數(shù)據(jù)通信分技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC28/SC6）正在制定

2

項(xiàng)

TSN的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一是《信息技術(shù)

系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

橋接和橋接網(wǎng)絡(luò)》（計(jì)劃號(hào)：20190835-T-469），該標(biāo)準(zhǔn)修改采用

ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2016

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。二是《信息技術(shù)

系統(tǒng)間的遠(yuǎn)程通信和信息交換

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)

橋接局域網(wǎng)用時(shí)間敏感應(yīng)用的定時(shí)和同步》（計(jì)劃號(hào)：20194195-T-469），該標(biāo)準(zhǔn)修改采用

ISO/IEC/IEEE8802-1AS:2014

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了

TSN的關(guān)鍵技術(shù)和主要的協(xié)議機(jī)制。SAC/TC124。全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量控制和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)也在研究

TSN在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。正在制定《基于時(shí)間敏感技術(shù)的寬帶工業(yè)總線規(guī)范

AUTBUS》（計(jì)劃號(hào)：20194001-T-604）。CCSA。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）也在進(jìn)行確定性網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，研制《超高精度時(shí)間同步接口要求》（計(jì)劃號(hào)：2019-1248T-YD）、《增強(qiáng)型同步設(shè)備時(shí)鐘技術(shù)要求》（計(jì)劃號(hào)：2019-1250T-YD）、《路由域通用

YANG數(shù)據(jù)模型技術(shù)要求》（計(jì)劃號(hào)：2019-1276T-Y）相關(guān)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3.2

行業(yè)技術(shù)組織AVnu一直致力于建立和推廣

IEEE802.1

AVB網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，建立了一整套一致性測(cè)試流程從而確保所有基于

AVB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的音視頻設(shè)備之間的兼容性和互通性。聯(lián)盟成員一同致力于將

TSN標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于音視頻、汽車、消費(fèi)電子以及工業(yè)。一旦廠家的產(chǎn)品通過(guò)了

AVnu的測(cè)試，就可以在其產(chǎn)品上使用

AVnu的標(biāo)志。OPC基金會(huì)。2017

年，OPC基金會(huì)開(kāi)始關(guān)注

TSN技術(shù)與

OPCUA的融合問(wèn)題。2018

年

5

月，成立新的工作組來(lái)識(shí)別

OPCUA和

TSN的協(xié)調(diào)需求，映射與包括

TSN在內(nèi)的以太網(wǎng)上的實(shí)時(shí)操作有關(guān)的

OPCUA應(yīng)用程序配置文件，與

IEC/IEEE60802

工業(yè)自動(dòng)化

TSN配置文件相適配，并將

OPC基金會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)，從而推動(dòng)

OPCUA在整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化中的采用。在最近的工作計(jì)劃中，OPC基金會(huì)繼續(xù)把

OPCUA與

TSN映射列為工作目標(biāo)之一。把

OPCUAPubSub的傳輸映射添加到

TSN，基于此映射，可以在

UA應(yīng)用程序之間進(jìn)行確定性的數(shù)據(jù)交換。3GPP。隨著

5G的快速發(fā)展，5G和

TSN融合也成為一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。在

3GPPRel.

16

的規(guī)劃中，3GPP降低了

5GNR的延遲，增加了可靠性，以便支持

5G在時(shí)間敏感的工業(yè)場(chǎng)景下應(yīng)用，更好地集成

5G和

TSN。EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)的《EtherCAT與

TSN——工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的最佳實(shí)踐》白皮書(shū)于

2018

年發(fā)布。通過(guò)利用

TSN，多個(gè)工業(yè)控制器可以通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)不同的

EtherCAT網(wǎng)段進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。TSN還擴(kuò)展了用于控制之間通訊的

EtherCAT自動(dòng)化協(xié)議

(EAP)，從而在控制層上更具有確定性。3.3

小結(jié)TSN是

IEEE802.1

工作組研究制定的一套標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織及行業(yè)協(xié)會(huì)等，均十分重視

TSN技術(shù)及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化工作。標(biāo)準(zhǔn)能夠使

TSN獲得更大范圍內(nèi)的應(yīng)用推廣，為

IT與

OT融合、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸提供支撐。四、應(yīng)用場(chǎng)景4.1

智能制造4.1.1

現(xiàn)狀智能制造代表著先進(jìn)制造技術(shù)與信息化的融合，概念提出至今僅

30年，已發(fā)展到至今以萬(wàn)物互聯(lián)為主要特征的網(wǎng)絡(luò)化制造階段。這一階段依賴于生產(chǎn)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、工業(yè)應(yīng)用、云等各系統(tǒng)間充分的協(xié)調(diào)及融合。而傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于

IT和

OT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)各異，底層數(shù)據(jù)鏈路無(wú)法打通，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)全流程存在大量“信息死角”，無(wú)法為大規(guī)模復(fù)雜數(shù)據(jù)的交互和傳輸提供一個(gè)完整的共性平臺(tái)，TSN網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)中的部署可以幫助解決這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。TSN提了一個(gè)可互操作的系統(tǒng)，并支持多個(gè)制造商、協(xié)議和機(jī)構(gòu)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上共享，同時(shí)數(shù)據(jù)使用相同的語(yǔ)言進(jìn)行解析，使得更多企業(yè)可以在此架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)

OT和

IT的融合。使得過(guò)去人們對(duì)于

IT與

OT連接的各種障礙得以獲得一個(gè)清晰而可行的解決之道，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)，在這個(gè)基礎(chǔ)上，大數(shù)據(jù)應(yīng)用、人工智能分析等才能被實(shí)現(xiàn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，TSN網(wǎng)絡(luò)較工業(yè)以太網(wǎng)主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是同一的網(wǎng)絡(luò)傳輸，提供了市面上更低成本的網(wǎng)絡(luò)接口。二是優(yōu)于目前工業(yè)以太網(wǎng)的擴(kuò)展性。TSN對(duì)傳輸速率的定義靈活?？捎糜?/p>

100

Mbps，也可同樣用于

1

Gbps、10

Mbps或

5

Gbps。三是

TSN能夠更好的優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)楝F(xiàn)在可以針對(duì)各個(gè)不同的區(qū)段選擇與之相適應(yīng)的數(shù)據(jù)速率。無(wú)論是

1

Gbps、100

Mbps還是

10Mbps，都使用統(tǒng)一的第

2

層——IEEE802.1/TSN。四是統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施易于建設(shè)和維護(hù)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)

TSN，解決方案現(xiàn)在可以用于自動(dòng)化以外的其它領(lǐng)域，如建筑、過(guò)程和工廠自動(dòng)化以及能源分配等。4.1.2

TSN行業(yè)實(shí)現(xiàn)工廠的運(yùn)營(yíng)者面對(duì)

TSN網(wǎng)絡(luò)部署的趨勢(shì)，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)都是如何讓工廠的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)能夠輕松順利地過(guò)渡到

TSN。近年來(lái)各大廠商也提出了相應(yīng)的協(xié)議解決方案來(lái)保障工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會(huì)在一夜之間消失。如PowerlinkonTSN、CC-LINKIETSN等，幫助當(dāng)前正在使用

Powerlink、Profifinet、CC-LINKIE或類似普遍的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的工廠能夠升級(jí)協(xié)議來(lái)兼容

TSN網(wǎng)絡(luò)方式?，F(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接口由網(wǎng)關(guān)

(Sercos)、帶耦合器

(EtherCAT)

或沒(méi)有任何特殊硬件

(ProfifinetRT)

的接口組成。特別是Profifinet和

EtherNet/IP計(jì)劃將其完整協(xié)議作為第

2

層用于

TSN，這使得現(xiàn)有的工廠以太網(wǎng)方式順利過(guò)渡到

TSN成為可能。隨著TSN網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)發(fā)展，更多新的協(xié)議將會(huì)出現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的制造商來(lái)說(shuō)，這意味著它們不得不同時(shí)支持傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及

TSN和新協(xié)議。4.1.3

應(yīng)用

TSN的核心標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的

TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括

IEEE802.1AS時(shí)鐘同步、IEEE802.1Qbv時(shí)間感知調(diào)度程序、IEEE802.1Qcc網(wǎng)絡(luò)管理和配置、IEEE802.1CB高可靠、IEEE802.1Qci逐一串流過(guò)濾與管理等。未來(lái)

5

年，隨著

TSN技術(shù)不斷的落地及推進(jìn)，智能制造將會(huì)成為TSN技術(shù)主要應(yīng)用的核心場(chǎng)景之一，第一批時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的部署實(shí)施也會(huì)讓我們?cè)絹?lái)接近智能制造新階段這一事實(shí)。4.2

車聯(lián)網(wǎng)4.2.1

現(xiàn)狀在智能網(wǎng)聯(lián)汽車時(shí)代浪潮下，隨著處理器運(yùn)算能力和硬件的高速發(fā)展，使得許多創(chuàng)新在汽車環(huán)境下得到迅速推進(jìn)，汽車電子產(chǎn)品在整車中所占比重也與日俱增，連接電子控制單元（ECU）的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求也相應(yīng)的增大，這一需求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）等傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的容量極限。此外，伴隨著車輛網(wǎng)聯(lián)化、智能化的推進(jìn)，云和大數(shù)據(jù)的運(yùn)用，以及高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的普及，構(gòu)筑新電子網(wǎng)絡(luò)總線平臺(tái)已經(jīng)成為新一代汽車的必然任