2022時間敏感網絡(TSN)產業(yè)白皮書

時間敏感網絡(TSN)產業(yè)白皮書目錄一、 背景介紹 1（一）工業(yè)網絡演進概述 1（二）時間敏感網絡發(fā)展現(xiàn)狀 3技術現(xiàn)狀 3產業(yè)現(xiàn)狀 3（三）時間敏感網絡技術優(yōu)勢 7互聯(lián)互通 7全業(yè)務高質量承載 7智慧運維 8（四）時間敏感網絡產業(yè)驅動力 9二、 技術體系 （一）標準體系 IEEE IEC 13IETF 13（二）時間敏感網絡架構 15工業(yè)互聯(lián)網網絡整體架構 15時間敏感網絡邏輯架構 15時間敏感網絡功能架構 17（三）時間敏感網絡關鍵特性 19時間同步 19流量調度 20網絡管理 21安全可靠 24三、 與其他技術合創(chuàng)新 27（一）TSN+OPCUA 27（二）TSN+邊緣計算 28業(yè)務需求 28技術融合 28應用融合 34（三）TSN+5G 37TSN與5G融合的工業(yè)需求分析 37TSN與5G融合的研究現(xiàn)狀 38TSN與5G融合的關鍵技術挑戰(zhàn) 39TSN與5G融合的演進路線展望 39四、 應用場景 41（一）TSN在制造業(yè)工業(yè)網絡中的應用 41（二）TSN在車載以太網絡中的應用 43車載網絡背景概述 43車載網絡以太化的意義 43TSN對車載以太網的推動 44時間敏感網絡產業(yè)白皮書時間敏感網絡產業(yè)白皮書PAGEPAGE10一、背景介紹（一）工業(yè)網絡演進概述工業(yè)網絡是工業(yè)互聯(lián)網體系架構的基礎，主要包括工業(yè)控制網絡和工業(yè)信息網絡兩個部分，其范疇涵蓋工業(yè)企業(yè)需要網絡化支撐的生產、管理、銷售、辦公等各個環(huán)節(jié)。設備控制技術（模擬儀表控制、直接數(shù)字控制、集散控制）TCP/IP標準，如表1所示：表1目前主流以太協(xié)議協(xié)議名稱運作組織代表廠家EtherNet/IPODVA羅克韋爾自動化公司（美國）PROFINETPROFIBUS 國際組織（PROFIBUSInternational，PI）西門子Modbus-TCPModbus-IDA施耐德EthernetPWOERLINKEthernetPOWERLINK標準組織（EthernetPOWERLINKStandardizationGroup，簡稱EPSG）ABBEtherCATEtherCAT協(xié)會德國倍福（Beckhoff）公司CC-LINKCC-Link協(xié)會日本三菱每一個工業(yè)以太協(xié)議背后基本都有一個工業(yè)集成商巨頭在主導著該協(xié)議的生態(tài)圈構建，針對工業(yè)控制網絡進行持續(xù)優(yōu)化升級，但彼此之間相對封閉。隨著工業(yè)企業(yè)數(shù)字化及信息化的進一步深化升級，工業(yè)控制網絡與工業(yè)信息網絡呈現(xiàn)融合趨勢，未來工業(yè)內有線連接將被具有以太網物理接口的網絡主導，同時基于通用標準的工業(yè)以太網逐步取代各種私有的工業(yè)以太網，并實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)與信息數(shù)據(jù)同口傳輸。時間敏感網絡技術作為一種綜合、統(tǒng)一和標準的新興工業(yè)以太網技術，正在打破過去以協(xié)議為維度由某一廠商主導的局面，使得工業(yè)網絡技術和產業(yè)生態(tài)變得更為開放和富有活力。（二）時間敏感網絡發(fā)展現(xiàn)狀技術現(xiàn)狀近年來，時間敏感網絡（TSN）技術作為新一代以太網技術，因其符合標準的以太網架構，具有精準的流量調度能力，可以保證多種業(yè)務流量的共網高質量傳輸，兼具技術及成本優(yōu)勢，得以在音視頻傳輸、工業(yè)、移動承載、車載網絡等多個領域成為下一代工業(yè)網絡承載技術的重要演進方向之一。在時間敏感網絡（TSN）標準的制定過程中，主要由IEEE802TSN近年來隨著時間敏感網絡技術在各個應用領域受到更為廣泛和高度的關注，IEEE也針對該項技術在垂直行業(yè)的應用開展了研究和標準的研制。產業(yè)現(xiàn)狀

圖1時間敏感網絡標準關鍵路標目前TSN技術已經成為產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)關注熱點：行業(yè)組織相關進展

圖2時間敏感網絡產業(yè)現(xiàn)狀示意眾多獨立第三方組織開始積極參與TSN標準的測試、推廣及產品認證等各項工作。AVNUTSN低延遲特性提供認證服務，以保證其合規(guī)性和互操作性要求。該2017TSN標準在各垂直行業(yè)的應用。LNI4.0也以每季度一次的頻度定期組織進行TSN除此之外，一些制造業(yè)的自動化產品廠商（如：B&R）還在OPCUATSNShaper各行業(yè)的產品和服務供應商已經加入到了該組織中，共同推廣基于TSN+OPCUA傳統(tǒng)自動化廠商自2017年下半年起，在德國紐倫堡工業(yè)自動化展覽會（SPSIPCDrive）和漢諾威工業(yè)展上，不少廠商開始就其產品在TSNTSN產品和解決方案。例如：2017EtherCATTSN201711BeckhoffTSN塊EK1000；2017年5月NI發(fā)布了多款集成TSN技術的控制器，如：CompactDAQ、CompactRIO等；2017PIProfiNetTSN2019TSNOPCUAPub/Sub（）SERCOS則在SPSIPCDrive上展示了由TSN交換機橋接組成的Rexroth運動控制系統(tǒng)；以三菱為代表的CC-LinkIE2019CC-LinkIEoverTSNTSNCC-LinkIEIO。通信設備廠商2018、2019OPC-UATSNTSN2018、2019TSNTSNMoxa2018SPS中展示了TSNIIC合測試床中展示MoxaTSN20194TSN2020TSN芯片廠商BROADCOMBCM53570BCM53112、BCM53162TSNBCM53154TSN芯片。MARVELL88E6390X、88Q5050TSNNXPSJA1105、SJA1105TELTSN車載ECU。ADITSNTSN網橋轉換模塊市場。TTTechSoCe、XilinxTSN芯片IPcore。（三）時間敏感網絡技術優(yōu)勢互聯(lián)互通時間敏感網絡（TSN）技術遵循標準的協(xié)議體系，具有更好的互聯(lián)互通優(yōu)勢。如圖3所示，傳統(tǒng)的通用以太網，開放性好（便宜、互操作性好，但性能不能滿足工業(yè)應用要求；傳統(tǒng)的工業(yè)以太網，為了滿足確定性時延等工業(yè)場景中的要求，對網絡協(xié)議進行了專門定制化開發(fā)，并需要專用硬件的支持。這樣造成了不同協(xié)議無法互通、只能專網專用、可擴展性差、成本高等問題。而基于通用以太協(xié)議的TSN技術，在提供確定性時延、帶寬保證等能力的同時，給出了一個標準的、開放的二層，改進了互操作性，同時降低了成本。圖3傳統(tǒng)工業(yè)網絡和以太網的比較全業(yè)務高質量承載TSN的融合提供了可能，同時支持不同類型的業(yè)務流在這張扁平化的工業(yè)網絡上實現(xiàn)混合承載。時間敏感網絡（TSN）技術系列標準中所定義的隊列調度等數(shù)據(jù)面相關的機制，為二層網絡保證不同等級的業(yè)務流的差異化的服務需求提供了可能，進而使能數(shù)據(jù)在工業(yè)設備到工業(yè)云之間的傳輸和流轉的能力。智慧運維時間敏感網絡（TSN）技術遵循SDN體系架構，可以基于SDN定義或改進的控制面相關的協(xié)議，將會大大增強二層網絡的配置、動態(tài)配置與管理的能力，為整個工業(yè)網絡的靈活性配置提供了支撐。（四）時間敏感網絡產業(yè)驅動力在工業(yè)領域，產業(yè)角色主要可以分為三大類：工業(yè)廠商（oprtor、設備制造商（venor、集成商（intraor工業(yè)廠商為了制造某個產品，需要建工廠、運營工廠，這個過程中需要從設備制造商那里采購各種工業(yè)設備，再在集成商的幫助下完成生產線及經營管理系統(tǒng)的搭建。這三類產業(yè)角色都有推動TSN工業(yè)廠商作為需求側期望通過對工廠的網絡化升級改造，提升工業(yè)企業(yè)的生產效率，并兼顧成本因素。因此其對于網絡的主要訴求主要三點：第一是要滿足工業(yè)互聯(lián)網時代智能生產、智能管理及智能運營等各類業(yè)務流量的高質量共網傳輸需求，保證產線之間、產線與管理系統(tǒng)、管理系統(tǒng)與運營系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)的可靠流轉，為工業(yè)企業(yè)從數(shù)字化到信息化邁向智能化提供網絡保證。時間敏感網絡（TSN）技術的主要優(yōu)勢就是通過時間同步和精準調度在滿足各類業(yè)務流量各自網絡KPI（帶寬、時延、抖動、丟包）要求前提下，實現(xiàn)共網共路傳輸。第二是要滿足開放兼容的技術特點，之前的工業(yè)以太網協(xié)議相對封閉，而工業(yè)企業(yè)在若干年的生產經營過程中，難免會出現(xiàn)不同時期采購的工業(yè)設備之間的通信協(xié)議無法兼容的問題，無法滿足存量設備之間，新設備與存量設備之間的信息互通及功能協(xié)同的需求，而時間敏感網絡技術（TSN）依托標準以太網體系架構，具備兼容和開放的技術屬性。第三是降低工業(yè)企業(yè)網絡部署成本，隨著工業(yè)企業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化的不斷升級，海量設備聯(lián)網成為基本要求，之前各家工業(yè)以太網生態(tài)圈相對封閉，導致部署成本昂貴。而時間敏感網絡（TSN）技術的出現(xiàn)將從技術上打破這種封閉，進而引導市場在開放的技術架構上進行競爭，逐步降低工業(yè)網絡的部署及運維成本。設備制造商作為工業(yè)網絡相關設備的供應側，重點關注通過新的網絡技術在工業(yè)領域應用的需求場景中的落地，保持技術的先進性和產品的競爭力。時間敏感網絡技術（TSN）是一種新的技術架構，無論是在轉發(fā)層面還是在管理層面的技術都融合了最新的網絡技術思想，具有可演進、可拓展的體系架構。工業(yè)集成商作為工業(yè)網絡解決方案提供方，重點關注產業(yè)技術生態(tài)的構建以及基于解決方案對于先進方案的融合應用。時間敏感網絡（TSN）OPCUA5G系，助力形成網絡對于工業(yè)互聯(lián)網的強力支撐作用。二、技術體系（一）標準體系TSNIEEE802.1TSN802架構體系中的網間互操作、安全性和整體網絡管理等方面的標準制定和應用推薦。自2015年開始，IETF開始關注時間敏感網絡技術在大規(guī)模組網場景下的應用，將其從二層承載擴展到三層網絡，即確定性網絡（Detnet）并與IEEE802.1Q相關工作組開展聯(lián)合研究。近年來，隨著時間敏感網絡技術在各個應用領域受到更為廣泛和高度的關注，IEEE也針對該項技術在垂直行業(yè)的應用開展了研究和標準的研制，并有多個工作組同步開展工作，20179IEEEIEC60802TSNIEEE2006年，IEEE802.1工作組成立AVB（AudioVideoBridging）音頻視頻橋接任務組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網絡中數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}。有效地解決了數(shù)據(jù)在以太網傳輸中的時序性、低延時和流量整形問題。來自工業(yè)部門的一些參與者立刻看到了其保證帶寬和有界延遲的潛在能力。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍，覆蓋音頻視頻以外的更多領域：工業(yè)、汽車、制造、運輸和過程控制，以及航空航天、移動通信網絡等，并成立了工業(yè)互聯(lián)網的實時性工作組，稱為IEEE802.1TSN。2015InterworkingTGTSNTGTSNIEEE802.1TSNTSN802.1CMTSNIECIEEEP60802工作組，目標是定義TSN應用于工業(yè)自動化網絡的方案類標準。2019IEEE802.1DFTSNIEEE802.1DGTSN表2IEEE802.1AVB/TSNTaskGroup部分已發(fā)布標準列表標準編號標題狀態(tài)IEEEStd802.1AS-2011時間敏感應用的時間同步TimingandSynchronization2017612IEEEStd802.1Qbu-2016幀搶占FramePreemption.2016830IEEEStd802.1Qbv-2015預訂流量的增強功能Enhancements for Traffic.2016318IEEEStd802.1Qca-2015路徑控制和預留2016311IEEEStd802.1Qch-2017CyclicQueuingandForwarding2017628IEEEStd802.1Qci-2017Per-Stream Filtering andPolicing.2017928IEEEStd802.1Qcc-2018Stream Reservation Protocol（SRP）Enhancements PerformanceImprovements20171031IEEEStd802.1Qcp-2018YANGDataModel.2018914IEEEStd802.1CB-2017無縫冗余2017928IEEEStd802.1CM-2018Time-SensitiveNetworkingforFronthaul2018年5月7日發(fā)布時間敏感網絡（TSN）MAC套通用的時間敏感機制，在確保以太網數(shù)據(jù)通訊的時間確定性的同時，為不同協(xié)議網絡之間的互操作提供了可能。在IEEE主要的特性集中在時間同步、流量調度、網絡管理以及安全可靠四大類。IECIEC（InternationalElectricalCommission,簡稱IEC）與時間敏感網絡相關的標準工作項目及其他主要工作內容包括：2017IEC（TSN）SC65C/MT9IEEE80260802組，開始制定《用于工業(yè)自動化的時間敏感網絡（TSNIA）行規(guī)》國際標準。2019年開始，IECEE（IECSystemofConformityAssessmentSchemesforElectrotechnicalEquipmentandComponents）工作組致力于進行時間敏感網絡一致性測試服務TSNCnoraeTstervce，目前主要包括進行一致性測試過程的定義（包括：與其他組織的連接和協(xié)作，測試實驗室認定結果的定義（例如：確認測試在不同的測試實驗室使用不同的硬件/）IETFIETFInternet（InternetEngineeringTaskForce）1986Internet定的最主要的國際標準化組織。2015IETF（Detnet）2IEEE802.12323徑可以提供延遲、丟包和數(shù)據(jù)包延遲變化（抖動）以及高可靠DetNetIETFDetNetYANG表3IETF已經發(fā)布的DetNet相關標準標準編號標題狀態(tài)RFC8557DeterministicNetworkingProblemStatement2019年5月發(fā)布RFC8578Deterministic Networking UseCases2019年5月發(fā)布（二）時間敏感網絡架構工業(yè)互聯(lián)網網絡整體架構傳統(tǒng)的工業(yè)網絡不能夠滿足工業(yè)互聯(lián)網場景下設備、網絡、系統(tǒng)所構成的物質世界與有連接數(shù)據(jù)分析的數(shù)字世界的融合需求。工業(yè)互聯(lián)網場景下的互聯(lián)互通，不僅需要實現(xiàn)控制網絡中各業(yè)務單元的互通，還需要打通從現(xiàn)場控制到云端的數(shù)據(jù)通路。圖4工業(yè)互聯(lián)網網絡整體架構時間敏感網絡將做為工業(yè)網絡互聯(lián)互通的核心，連接存量的傳統(tǒng)工業(yè)以太網產線、負責采集海量工業(yè)數(shù)據(jù)的物聯(lián)網、以及需要高質量純屬的新型工業(yè)應用，承載各類控制和運行維護流量。時間敏感網絡邏輯架構時間敏感網絡技術在工業(yè)互聯(lián)網領域的應用主要定位于實現(xiàn)工廠內網控制網絡（OT）中各生產單元之間，控制網絡與信息網絡（IT）之間的互聯(lián)互通。如下圖圖5工業(yè)互聯(lián)網網絡整體架構第一階段TSN的部署將定位于實現(xiàn)工廠內網絡的互聯(lián)互通，根據(jù)應用場景及網元在網絡中的位置，將TSN設備分為網關、橋設備、端設備三個角色。網關設備主要部署于時間敏感網絡域邊緣，支持在數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層及應用層實現(xiàn)跨時間敏感網絡域及時間敏感網絡域與非時間敏感網絡域之間的互通。網橋設備主要部署于時間敏感網絡域內部，實現(xiàn)時間網絡域內部業(yè)務單元（車間、產線、設備）的互聯(lián)互通。建議以三層架構部署網橋設備，即核心、匯聚、接入層設備。核心層設備部署于工廠級機房，實現(xiàn)工廠內部各車間之間的互聯(lián)互通；匯聚層設備部署于車間級機房實現(xiàn)車間內部不同產線之間、集中式控制器與設備之間的互聯(lián)互通；接入設備部署于生產現(xiàn)場實現(xiàn)現(xiàn)場設備、傳感器等通信接口的通信協(xié)議轉換并與控制器、檢測監(jiān)控裝置進行互聯(lián)互通。端設備則指具備時間敏感網絡功能的工業(yè)設備，包括控制器、PLC、伺服、I/O等設備。時間敏感網絡功能架構在工業(yè)互聯(lián)網領域中，業(yè)務流量模型相比傳統(tǒng)工業(yè)控制網絡的流量更為復雜，即從單一的產線內部的控制流量，轉變?yōu)楫a線內部、產線之間、控制網絡與信息網絡之間的多種業(yè)務流量類型并存，滿足向智能化演進的工業(yè)網絡的功能架構呼之欲出。時間敏感網絡的功能架構應該遵循SDN技術思路，并遵照當前的協(xié)議要求（IEEt821cc，包含控制管理單元（CNC、CC，傳輸單元（網關、交換機，應用單元（工業(yè)端設備、基站等）三種功能單元。圖6工業(yè)互聯(lián)網網絡整體架構管理單元中CUC負責用戶對網絡需求的翻譯及網絡信息和設備配置的域間協(xié)同，CNC現(xiàn)設備監(jiān)控管理、網絡拓撲發(fā)現(xiàn)、流量監(jiān)控及調優(yōu)，業(yè)務建模及調度模型下發(fā)等功能。傳輸單元除了支持時間敏感網絡相關轉發(fā)特性，還支持相關在線測量協(xié)議，實時將相關狀態(tài)上送給管理單元，以便實現(xiàn)實時的全網監(jiān)控，根據(jù)網絡需求和狀態(tài)，動態(tài)調整相關配置。應用單元則需要具備接入時間敏感網絡的能力，支持在線測量及運行維護相關協(xié)議，以實現(xiàn)全網拓撲發(fā)現(xiàn)、狀態(tài)監(jiān)測以及網絡業(yè)務調優(yōu)。（三）時間敏感網絡關鍵特性時間同步TSN提供流量的延遲保證的關鍵特性之一是時間同步,流量控制和管理組件（802.1qbv802.1qcc）TSN0（幾乎是極少丟包）和時延抖動。802.1as（聲音、視頻等）在基于以太的橋接網絡或虛擬橋接網絡等時延固定或對稱的傳輸媒質中的同步傳送。其內容包括在網絡正常運行或添加、移除或重配置網絡組件和網絡故障時對時間同步機制的維護。與IEEE1588（PTP）協(xié)商網絡主時鐘的方法，即最優(yōu)主時鐘算法（BestMasterClckAgrtm，簡稱BMA。BCA機制，用于標識出局域網內的主時鐘（Grnmsr。一旦主時鐘被選定，所有局域網節(jié)點的PTP設備將以此主時鐘為參考值GrandmasterBMCA802.1AS的核心在于時間戳機制（Timsapng。P消息在進出具備802.1AS功能的端口時，會根據(jù)協(xié)議觸發(fā)對本地實時時鐘（RTC）的采樣，將自己的RTC值與來自該端口相對應的主時鐘（Master）的信息進行比較，利用路徑延遲測算和補償技術，將其RTCPTPPTP個局域網，各網絡節(jié)點設備間就可以通過周期性的PTP消息的交換精確地實現(xiàn)時鐘調整和頻率匹配算法。最終，所有的PTPGrandmaster7環(huán)境中，理論上PTP1μs流量調度TSN業(yè)務流的特性，作為選擇調度機制與優(yōu)先級的依據(jù)。工業(yè)網絡中的流量類型眾多，并沒有統(tǒng)一的分類方法。錯誤!未找到引用源。7為一種分類方法的示例：圖7工業(yè)自動化網絡中的典型流量其中，同步實時流（Isochronousreal-timetraffic）對時延的要求最高。同步實時流常用于運動控制（Motioncotl，該類流的特點包括：周期性發(fā)包，一般其周期小于2ms100Bytes；deadline時間之前抵達對端?？傮w上，時間敏感網絡的流量調度可分為兩大類方案：一是基于時隙化調度的方案，一是基于QoS的調度方案。前者需要全網進行時間同步。TSN的數(shù)據(jù)轉發(fā)技術可以為時間敏感的業(yè)務流的傳輸提供有界時延，亦即時延上界。網絡管理時間敏感網絡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。全集中式配置模型使用集中式網絡配置控制器（CNC，CentralizedNetworkConfigurationcontroller）戶配置控制器（CUCCentralizedUserConfigurationcotolr。模型如錯誤!未找到引用源。8：圖8TSN集中式配置模型TalkerListener分別是數(shù)據(jù)流的發(fā)送方和接收方；Bridge可以是不同形態(tài)的二層橋接設備，如工業(yè)交換機、具有二層交換網口的工業(yè)設備；CNC（集中式網絡配置，CentralizedNetworkConfiguration）控制器與CUC（集中式用戶配置，CentralizedUserConfiguration）控制器不一定為獨立的實體設備，可作為軟件功能模塊，如嵌入交換機系統(tǒng)中。集中式配置模型的控制面工作流程如下：新增數(shù)據(jù)流時，CUCTalker、ListenerCNC8；CC根據(jù)獲得的信息，進行相應的運算，并將得到的網絡配置參數(shù)下分別下發(fā)給網絡中相關的各個Brde，即圖8（代表網絡配置；Brige8中的灰色虛線代表CUCTSN混合式配置模型（分布式用戶、集中式網絡配置模型）使用集中式網絡配置控制器（CNCCentralizedNetworkCofgrtonntolr9：圖9TSN混合式配置模型TalkerListener分別是數(shù)據(jù)流的發(fā)送方和接收方；Bridge可以是不同形態(tài)的二層橋接設備，如工業(yè)交換機、具有二層交換網口的工業(yè)設備；CNC（集中式網絡配置，CentralizedNetworkConfiguration）控制器與CUC（集中式用戶配置，CentralizedUserConfiguration）控制器不一定為獨立的實體設備，可作為軟件功能模塊，如嵌入交換機系統(tǒng)中。一般的，混合式配置模型的控制面工作流程如下：新增數(shù)據(jù)流時，Talker、ListenerCNC9中黑色虛線（代表用戶網絡接口；NC根據(jù)獲得的信息，進行相應的運算，并將得到的網絡配置參數(shù)下分別下發(fā)給網絡中相關的各個Brige，9（代表網絡配置；Brige根據(jù)收到的配置信息，即可在轉發(fā)數(shù)據(jù)幀時使用相應的策略。由此可見，集中式配置模型和混合式配置模型的主要差異在于用戶網絡接口不同，以及該接口的用戶側是CUC還是Talker/Listener。全分布式配置模型全分布式配置模型無需CUC、CNC，控制面模型如圖10：圖10TSN分布式配置模型Talker、Listener分別是數(shù)據(jù)流的發(fā)送方和接收方；Bridge可以是不同形態(tài)的二層橋接設備，如工業(yè)交換機、具有二層交換網口的工業(yè)設備。一般的，混合式配置模型的控制面工作流程如下：新增數(shù)據(jù)流時，Talker使用一種資源預留協(xié)議，該協(xié)議報文攜帶了用戶需求信息，逐跳傳輸，直到抵達Listener；傳輸過程中，路徑上BridgeTalkerTalker；任何時候，Bridge則資源預留過程失??；資源預留成功后，Talker可以正式發(fā)送業(yè)務數(shù)據(jù)給Listener。分布式配置模型的用戶網絡接口在數(shù)據(jù)模型的定義上與混合式配置模型基本相同，但分布式配置模型需要額外定義一種資源預留協(xié)議的功能。安全可靠IEE0.CB（幀復制和消除，能夠支持無縫數(shù)據(jù)冗余，它能夠檢測并減輕由于循環(huán)冗余校驗（CRC）錯誤、斷線以及連接松動所引起的問題。時間關鍵型數(shù)據(jù)幀被進行擴展以包括一個序列號，并在每個幀遵循網絡中的一條單獨路徑的情況下進行復制。在網絡中的任何網橋或合并點上，當這些單獨的路徑再次匯合到一起時，將從數(shù)據(jù)流中消除重復的幀，從而允許應用程序無損接收數(shù)據(jù)幀。圖11802.1CB協(xié)議機制802.1CB0XF1C1圖12R-TAG格式序號生成器的值則從010。流分裂功能將帶有序號的報文復制相同的為1份或者多份，從不同的端口發(fā)出，通過冗余的鏈路轉發(fā)。流恢復算法則負責通過相關算法恢復受損業(yè)務流量。IEEE802.1QciTSN標準安全協(xié)議的一部分，基于流過濾和管制，主要為防止網絡攻IngressPolicing，它對每個流量PSFRID報文是否在允許通過的時間段內接收到，如果不滿足條件，報文就會在引發(fā)任何影響之前被過濾和丟棄。802.1Qci可以對付DDoS壓另一個數(shù)據(jù)流的帶寬時，入口管理策略會將數(shù)據(jù)流整形。流程圖如下：圖13802.1Qci流程圖在TSNMACsec（MediaAccessControlSecurity，MAC安全）保護網絡中的各種數(shù)據(jù)流量。MACsec定義了基于IEEE802MACsecMAC層數(shù)據(jù)發(fā)送和接收服務，包括用戶數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)幀完整性檢查及數(shù)據(jù)源真實性校驗。MACsec802.1X架配合使用，通過使用MKA（MACsecKeyAgreement，MACsec密鑰協(xié)商）協(xié)議協(xié)商生成的密鑰對已認證的用戶數(shù)據(jù)進行加密和完整性檢查，避免端口處理未認證設備的報文或者經過篡改的報文。三、與其他新技術的融合創(chuàng)新（一）TSN+OPCUATSNMAC的是網絡通訊中數(shù)據(jù)傳輸及獲取的可靠性和確定性的問題；而如果要真正實現(xiàn)網絡間的互操作，還需要有一套通用的數(shù)據(jù)解析機制，這就是OPCUA。TSN+OPCUA確定性并真正獨立于設備廠商的通信網絡，確保了在一個系統(tǒng)中來自不同廠家的多種設備可以方便快速高效地進行協(xié)作，將會在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來巨大改善，可以滿足工業(yè)應用的各種傳輸需求。在工廠數(shù)據(jù)采集、傳輸與生產運營中，都會需要對現(xiàn)場的機器狀態(tài)、生產能耗、質量相關、生產相關參數(shù)進行采集，TSN+OPCUA在整體上使得在工廠的各個環(huán)節(jié)的橫向與縱向數(shù)據(jù)實現(xiàn)了透明交互，并且配置效率更高，程序與應用模塊化更強。（二）TSN+邊緣計算業(yè)務需求隨著網絡帶寬快速提升，以及計算、存儲成本的快速下降，極大促進了物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)、AI等技術的發(fā)展。這些信息技術，促進了全球進入了數(shù)字化浪潮，數(shù)字化轉型成為企業(yè)未來發(fā)展的關鍵能力，各行各業(yè)進入了智能發(fā)展時代。一方OTICT大融合，以及泛在電力物聯(lián)網的建設和車聯(lián)網等行業(yè)的發(fā)展也極大促進了邊緣計算、云邊協(xié)同等技術的起步。另一方面這些技術想要在行業(yè)得到更廣泛、更深度的應用，對傳統(tǒng)以太網提出了更高的要求。邊緣計算和TSN的相互結合，在本質上是相互IT技術融合邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。它可以作為聯(lián)接物理和數(shù)字世界的橋梁，使能智能資產、智能網關、智能系統(tǒng)和智能服務。邊緣計算包括如下特性：網絡管理與維護。聯(lián)接性需要充分借鑒吸收網絡領域先進研究成果，如TSNSDNNFVNetworkasaServiceWLAN、NB-IoT、5G其次，邊緣計算作為物理世界到數(shù)字世界的橋梁，是數(shù)據(jù)的第一入口，擁有大量、實時、完整的數(shù)據(jù)，可基于數(shù)據(jù)全生命周期進行管理與價值創(chuàng)造，將更好的支撐預測性維護、資產效率與管理等創(chuàng)新應用；同時，作為數(shù)據(jù)第一入口，邊緣計算也面臨數(shù)據(jù)實時性、確定性、多樣性等挑戰(zhàn)。再次，邊緣計算產品需適配工業(yè)現(xiàn)場相對惡劣的工作條件與運行環(huán)境，如防電磁、防塵、防爆、抗振動、抗電流/電壓波動等。在工業(yè)互聯(lián)場景下，對邊緣計算設備的功耗、成本、空間也有較高的要求。邊緣計算產品需要考慮通過軟硬件集成與優(yōu)化，以適配各種條件約束，支撐行業(yè)數(shù)字化多樣性場景。最后邊緣計算實際部署天然具備分布式特征。這要求邊緣計算支持分布式計算與存儲、實現(xiàn)分布式資源的動態(tài)調度與統(tǒng)一管理、支撐分布式智能、具備分布式安全等能力。TSNAII3.0（2018圖14邊緣計算網絡架構TSN了邊緣計算能力：HC包含了不同種類和數(shù)量的計算單元。為了充分利用邊緣設備的計算能力，業(yè)界在不斷優(yōu)化業(yè)務模型。一個方向是將復雜計算自頂向下分解成各個模塊，分別單獨計算，再把計算結果合成起來輸出最終結果。另一個方向是自底向上，即設計新的算法系統(tǒng)，能夠分布在各種邊緣嵌入式設備中，形成融合計算能力。顯然，在TSN復雜的邊緣計算設備必須提供存儲能力，尤其是在有大量數(shù)據(jù)產生的現(xiàn)場，數(shù)據(jù)要能夠保證快速、持久地寫入和查詢等。邊緣計算設備可能自身攜帶的存儲介質有限，更多地通過IPTSN網絡的支撐下，邊緣計算設備才能更好地提供這些服務。邊緣計算和云計算之間不是替代關系，而是互補協(xié)同關系，涉及IaaS、PaaS、SaaS各層面的協(xié)同，包括資源協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同、智能協(xié)同、應用管理協(xié)同、業(yè)務管理協(xié)同、服務協(xié)同。這些協(xié)同肯定有實時性要求，一個沒有延遲界限的服務是沒有意義的。在TSN才能形成一個有效的系統(tǒng)。圖15邊云協(xié)同架構邊緣計算位于網絡側邊緣，需要接入各種各樣的物聯(lián)網終端以及人的訪問，因此對設備安全、網絡安全、數(shù)據(jù)安全、應用安全都提出了很大的挑戰(zhàn)。TSN能夠保證數(shù)據(jù)被安全地傳輸，這在一定程度上減輕了邊緣計算網絡的安全負擔。當邊緣計算節(jié)點都架構在TSN網絡上時，邊緣計算節(jié)點之間的計算、存儲、數(shù)據(jù)流動都能得到一定的安全保證，就可以減輕整個系統(tǒng)的設計復雜性，從而降低成本。TSNICTTSNICT形態(tài)的變革，同時驅動ICT向各行各業(yè)深入發(fā)展，引發(fā)智能化變革。圖16TSN與邊緣計算的邏輯關系邊緣計算在一定程度上依賴TSN，反過來，企業(yè)部署TSN會促進終端向智能化方向發(fā)展，又會促使邊緣計算的產生和部署。大部分企業(yè)通過不停升級網絡和基礎硬件設施，最終網絡將會同時部署TSN融合模式在這個數(shù)字化是基礎，網絡化是支撐，智能化是目標的時代，TSNTSN保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，準確性。目前TSN網絡設備融合邊緣計算能力及TSN網絡部署融合邊緣計算能力兩種模式。其一，對于網絡設備融合邊緣計算能力，我們可以在網絡中部署具備TSN能力的邊緣計算網關設備，也可以部署具備邊緣計算能力的TSN設備來實現(xiàn)。其二，對于TSN網絡部署方案中融合邊緣計算能力模式，我們可以通過在網絡中部署TSN設備，同時在網絡邊緣側部署具備邊緣計算能力的服務器或控制器來實現(xiàn)。通過以上兩種方式融合，我們可以最終實現(xiàn)云計算到網絡邊緣的遷移，實現(xiàn)邊緣計算就近處理。邊緣計算和TSN融合將有助于解決邊緣計算在工業(yè)應用中的下面關鍵技術:數(shù)據(jù)采集是工業(yè)互聯(lián)網的基礎能力，也是構建邊云協(xié)同的第一步。雖然在邊緣側的傳感器、執(zhí)行器也可以作為數(shù)據(jù)的采集對象，但目前控制器是主流的數(shù)據(jù)采集對象。工業(yè)互聯(lián)網網關是當前行業(yè)內應用比較廣泛的數(shù)據(jù)采集工具，通過控制器支持的驅動協(xié)議來采集所需數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)推送至云平臺。市場上網關廠家較多，對PLC、CNC等通用控制器的支持較完善，但對私有設備一般需要進行采集協(xié)議的定制化開發(fā)。網關服務既可以部署在獨立的硬件盒子，也可以作為云平臺的一項微服務組件嵌入現(xiàn)場設備，使設備入云更加方便快捷。實時數(shù)據(jù)是邊緣側監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，是一種帶有時態(tài)性的數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)帶有嚴格的時間限制，一旦處于有效時間之外，數(shù)據(jù)將變得無效，會變成歷史數(shù)據(jù)并存儲下來以備后續(xù)使用。實時數(shù)據(jù)分析主要針對工業(yè)生產現(xiàn)場當前運行狀態(tài)進行的信號及數(shù)據(jù)分析，應用場景如機理模型、設備健康度診斷、設備短期KPI等。其作用在于通過邊緣計算對數(shù)據(jù)進行預處理（篩選、聚合、分析等，從而為后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎。該技術在工業(yè)資產管理軟件、工業(yè)控制器、自動化數(shù)學工具、機理模型軟件中應用比較廣泛。應用融合智能制造：隨著消費者對產品需求的日益提高，產品的生模式將一定程度替代大批量生產制造模式，先前制造體系嚴格的分層架構已經無法滿足當前的制造需求，以某消費電子類產品的制造生產線為例，采用PLC+OPC的模式構建，由于訂單種類增加，單批次數(shù)量減少，導致平均每周的切單轉產耗時1?2天；新工藝升級每年至少3次、設備更替每年近百次，導致的控制邏輯/5?12了新產品上線效率。另外制造智能化也是中國，美國，德國等10年制造業(yè)重點領域全面實現(xiàn)智能化，試點示范項目運營成本降50%50%50%ICTOT邊緣計算有助于制造商將由機器生成的大量數(shù)據(jù)集轉化為具有洞察力和可操作性的數(shù)據(jù)。它通過利用連接到網絡的資源（如溫度傳感器、報警器或電機驅動器）來實現(xiàn)。這使得大數(shù)據(jù)分析能夠在數(shù)據(jù)源中銜接這些設備并將其帶到互聯(lián)網協(xié)議（IP）域進行進一步邊緣處理或回傳到云端的一種方式。工業(yè)互聯(lián)網需要能夠支持標準的以太網、控制局域網的其他工業(yè)協(xié)議，還可以支持許多無線協(xié)議，如蜂窩，WiFi或低功耗廣域網LPAN，Zibeo。工業(yè)網關的設計始終處于開啟狀態(tài)，并且堅固耐用，能夠承受智能制造工廠車間中可能遇到的惡劣環(huán)境。由于這些網關可能將工廠的內部基礎設施連接到外部世界，因此它們必須能夠支持高度的網絡安全特性。隨著更多的智能設備從云端轉移到邊緣，工業(yè)互聯(lián)網網關的作用將變得越來越重要，它不僅是一個網關，而且是一個邊緣服務器集成解決方案。這些將提供復雜的功能，例如：互操作性：工業(yè)互聯(lián)網網關可以提供必要的協(xié)議轉換，以便將工廠內的不能相互通信的設備之間建立通信方式。卸載計算任務：邊緣服務器或更高端的工業(yè)互聯(lián)網網關可以通過緩存/存儲信息和充當可以遠程訪問的私有云來卸載來自智能設備的計算任務。服務質量：工業(yè)互聯(lián)網網關可以最大限度地提高帶寬效率，同時最大限度地減少端點瓶頸。安全性：工業(yè)互聯(lián)網網關可以實施比在每個終端實施更復雜的安全解決方案，為整個工廠網絡創(chuàng)建一個良好的防御和深入的策略。本地存儲：邊緣存儲只需將相關數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，有助于節(jié)省傳輸成本。例如，將數(shù)據(jù)量較大的高頻捕獲的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行分析并不理想。相反，將網關作為計算節(jié)點來捕獲數(shù)據(jù)并在本地進行分析決策會更高效。這樣，只有匯總的數(shù)據(jù)才會發(fā)送到云端。此外，在連續(xù)性要求不高的環(huán)境中，可以在本地收集和保存數(shù)據(jù)，以確保最終捕獲所有數(shù)據(jù)。TSN證上述過程中各類數(shù)據(jù)及信號的準確性，實時性，可調度性和低延時性。圖17智能制造和邊緣計算（三）TSN+5GTSN5G時間敏感網絡TSN基于以太網通過功能增強提供高可靠與確定有界低時延流傳送服務，是面向未來工業(yè)互聯(lián)網、車輛內通信、智能電網等高可靠確定低時延應用的核心網絡技術之一。隨IEEE802.1TSNTSN不斷增強并逐漸得到工業(yè)界的廣泛支持，具備在工業(yè)互聯(lián)網中實際部署應用的基礎和前景。無線通信技術也是工業(yè)互聯(lián)網的重要連接技術之一。無線通信技術具備無需布線、部署靈活以及移動性支持等優(yōu)勢，在自動巡檢、機器人等工業(yè)領域有著廣泛應用前景。但無線通信技術由于其本身物理信道特性等限制，在復雜的工業(yè)環(huán)境中應用時與有線TSN網絡技術相比面臨更大挑戰(zhàn)。具備TSN特性的無線通信網絡技術包括5G是未來工業(yè)互聯(lián)網的重要使能技術。超高可靠低時延通信是5G的三大應用場景之一。工業(yè)互聯(lián)5G183GPP5G5GRel-16C-V2X5GNR圖183GPP組織內5G演進路線與生態(tài)系統(tǒng)擴展TSN5G5G業(yè)互聯(lián)網的基礎。TSN5G術互為補充，無縫融合，將為未來工業(yè)互聯(lián)網的蓬勃發(fā)展奠定堅實技術基礎。TSN5G5G的超高可靠低時延通信是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網的關鍵能力之5GTSN界與學術界的研究熱點之一。高通公司研究組提出了面向工業(yè)5GTSN現(xiàn)與有線TSN技術能力應用至無線網絡面臨的技術挑戰(zhàn)，以及如何擴展現(xiàn)有無線網絡包括WiFi5GTSNTSN5G方案并對相應的融合應用場景進行了分析，對融合網絡的配置管理技術進行了討論。因此，如何將無線5GTSN術實現(xiàn)無縫融合是工業(yè)互聯(lián)網重要且關鍵的技術難題之一。TSN5G第一，TSN5G5G一。有線TSNgPTP5GgPTPTSN第二，TSN5G5G術面向工業(yè)互聯(lián)網應用，需要提供確定性低時延流調度能力，如有線TSN802.1Qbv5G線網絡環(huán)境中實現(xiàn)類似于802.1Qbv的流調度能力，并與有線TSN第三，TSN5G5GTSN網絡與工業(yè)以太網或工業(yè)總線的候選技術之一。如5GTSNTSN5GTSN5GTSN5G以及應用場景的需求變化而不斷向前演進，為未來工業(yè)互聯(lián)網的逐步部署奠定技術基礎。5GTSN5GTSN5GTSN5G類似TSN的有界確定時延和抖動的能力等。中期則進入TSN5G5GTSN5GTSNTSN并行部署，實現(xiàn)有線與無線的冗余部署，可有效提高工業(yè)互聯(lián)網系統(tǒng)的靈活性與可靠性。但是，TSN5G控等功能尚未完全融合。最后TSN5G5GTSN5GTSNTSNTSN交換機系統(tǒng)實現(xiàn)交換功能，融合網絡實現(xiàn)統(tǒng)一管控和資源分配。TSN5G完整解決方案。四、應用場景（一）TSN在制造業(yè)工業(yè)網絡中的應用時間敏感網絡技術協(xié)議族對標工業(yè)互聯(lián)網網絡發(fā)展趨勢，提出了一系列技術標準。時間敏感網絡初步主要滿足工廠OTOTITOT根據(jù)網絡架構和交換機在網絡中的位置，可以分為工廠級、車間級、現(xiàn)場級應用。圖19TSN制造工業(yè)場景網絡拓撲圖上圖為TSN在制造工業(yè)場景中典型網絡部署舉例，下面針對該網路部署介紹下TSN在制造工業(yè)網絡中的應用：現(xiàn)場