下一代工业通讯—TSN（时间敏感网络），工业物联网的助推器

随着工业物联网（IIoT）的兴起和工业4.0的提出，愈来愈多的设计师、工程师和最终用户关注TSN（Time-Sensitive Networking，时间敏感网络）。TSN为以太网提供肯定性性能，本质上是一个肯定性以太网扩展集，同时也是音频视频桥接 (AVB) 的后继者。那TSN究竟是什么呢？在工业物联网中扮演什么角色？这些年发展的怎样？下面扒一扒TSN的前世此生。

阅读《从Ethernet到TSN：实时通讯一小步，工业4.0一大步》可深刻了解TSN.

TSN源于何处？

TSN是一项从视频音频数据领域延伸至工业领域、汽车领域的技术。TSN最初来源于音视频领域的应用需求，当时该技术被称为AVB，因为针对音视频网络须要较高的带宽和最大限度的实时，借助AVB能较好的传输高质量音视频。

2006年，IEEE802.1工做组成立AVB音频视频桥接任务组，并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。这一点马上受到来自汽车和工业等领域人士的关注。2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间肯定性以太网的应用需求和适用范围，并同时将任务组名称改成如今的：TSN任务组。TSN是以以太网为基础的新一代网络标准，具备时间同步、延时保证等确保实时性的功能。

TSN有何用武之地？

TSN使用标准以太网提供分布式时间同步和肯定性通讯。所以，任何须要分布式测量或控制的应用均可以从TSN中受益。客户可以使用TSN进行简单的分布式同步测量、下一代计算机数控加工的改进、新型半导体加工机器以及将来的电网研究等。在其余行业的应用包括：

视频/音频传输
如前所述，TSN最初来源于视频领域的应用需求。传输音频和视频信息的网络须要遵照严格的时序规则。若是音频或视频分组不能按指定的时序规则到达目的地，则接收设备（例如视频屏幕或扬声器）可能会发生视频帧被丢弃、音频伪像的状况。此外，这种网络还须要可预测的延迟，保证视频和相关音频流之间的同步。另外一方面，足球赛事的实况转播有不少高清的数据要经过网络传输处处理中心，对带宽的需求极大。并且为了最大限度的提供实时性，这些图像、音频必须实现高实时的传输与处理，能够想象其对带宽和实时性的需求。

音频视频桥接

汽车驾驶
目前大多数的汽车控制系统很是复杂。好比说：刹车、引擎、悬挂等采用CAN总线。而灯光、车门、遥控等采用LIN系统。娱乐系统更是五花八门，有FlexRay和MOST等目前的车载网络。实际上，全部上述系统均可以用支持低延时且具备实时传输机制的TSN进行统一管理。能够下降给汽车和专业的A/V设备增长网络功能的成本及复杂性。

典型的汽车A / V系统

在车辆中，实时功能对于某些应用相当重要。 为确保这些实时功能可用，必须在以太网控制器中设置具备直接访问硬件资源的机制。TSN使构建可扩展的以太网网络成为可能。为此，不一样的消息按照其可用性分为了避免同的等级，并对其延迟和优先级进行了分类，每一个消息类被分配到一个固定的带宽。此外，TSN还支持冗余以太网系统，而且，为确保稳定的数据交换，定义了安全标准。

以太网AVB如何在汽车流媒体应用中发挥核心做用

IEEE音频/视频桥接工做组定义了相关机制和协议，以确保低延迟数据正常交换、并在时间上同步应用。音频/视频桥接（AVB）主要应用在娱乐系统。现在驾驶员辅助系统的普遍引入，要求在发送和接收行为方面有更严格的规范。所以，IEEE TSN工做组延续了AVB的工做，该工做组的重点是研究肯定性数据传输机制，进一步减小以太网网络中的延迟，更加稳定和安全地传输数据。

工业物联网
工业物联网是将来TSN最普遍的一个应用，全部须要实时监控或是实时反馈的工业领域都须要TSN网络。好比：机器人工业、深海石油钻井以及银行业等等。

标准以太网的本质是一种非肯定性网，但在工业领域必需要求肯定性，一组数据包裹必须完整、实时、肯定性的到达目的地，所以较新的TSN标准增长了中心控制、全部网络设备的时间同步以及更低的延迟等特性。为了达到尽量低的绝对延迟，IEEE 802.1Qbv定义了一个时间感知整形器，它能够无视定时流量门的存在。想象一下，你在曼哈顿从时代广场开车到运河街，一般须要22分钟。如今你的行程已经计划安排好，若是你准时出发，以60英里/小时的速度行驶，那么在2.7分钟后就能到达运河街，TSN消除了标准以太网因为交通“拥堵”致使的非肯定性。

TSN除了解决以太网的不肯定性问题，还正在解决工业领域总线的复杂性问题。现在工业中
每种总线有着不一样的物理接口、传输机制、对象字典，每种不一样的技术背后都有不一样的厂商在支持，难以统一。并且即便是采用了以太网来标准各个总线，仍然会在互操做层出现问题，这使得对于IT应用，如大数据分析、订单排产、能源优化等应用遇到了障碍。

TSN还能够用于支持大数据的服务器之间的数据传输。全球的工业已经入了物联网(Internet of Things，IoT)的时代，毫无疑问TSN是改善物联网的互联效率的最佳途径。

TSN究竟是何方神圣呢？

时间敏感网络 (TSN) 经过以太网提供肯定性性能，它的持续发展已致使 IEEE 802.1 和 IEEE 802.3 标准发生重大更新。IEEE802.3开发并维护以太网的PHY和MAC标准，IEEE802.1开发并维护Bridging(akaSwitching)标准。经过AVB、TSN,使得以太网进入硬实时领域应用。

TSN是一组以太网标准，容许经过802网络实现时间同步的低延迟流服务。经过标准以太网，TSN建立了分布式，同步，硬实时系统的机制。这些系统使用相同的基础架构来提供实时控制并传达全部标准IT数据，从而为控制、测量、配置、UI和文件交换基础架构的融合提供动力。经过基于时间定义队列，TSN可确保经过交换网络的流量具备有限的最大延迟。这意味着标准以太网如今能够：

• 经过交换网络保证消息延迟
• 关键和非关键流量能够在一个网络中融合
• 更高层协议能够共享网络基础结构
• 实时控制能够远离操做区域
• 子系统能够更容易地集成
• 能够在不进行网络或设备更改的状况下添加组件
• 能够更快地诊断和修复网络故障

TSN并不是涵盖整个网络，TSN其实指的是在IEEE802.1标准框架下，基于特定应用需求制定的一组“子标准”，旨在为以太网协议创建“通用”的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间肯定性。而既然是隶属于IEEE802.1下的协议标准，TSN就仅仅是关于以太网通信协议模型中的第二层，也就是数据链路层（更确切的说是MAC层）的协议标准。请注意，是一套协议标准，而不是一种协议，就是说TSN将会为以太网协议的MAC层提供一套通用的时间敏感机制，在确保以太网数据通信的时间肯定性的同时，为不一样协议网络之间的互操做提供了可能性。

TSN关键组件

由IEEE 802.1制定的TSN标准文档能够分为三个基本关键组件。每一个标准规范均可以单独使用，而且主要是自给自足的。可是，只有在每一个规范协同使用的状况下，TSN做为通讯系统才能充分发挥其潜力。三个基本组成部分是：时间同步，调度和流量整形，通讯路径的选择、预留和容错。

时间同步在这方面，“时间敏感网络”这个名称已经很是具备描述性。端到端（End-to-End）的传输延迟具备难以协商的时间界限，所以网络中的全部设备都须要共同的时间参考，须要彼此同步时钟。

TSN网络中的时间同步能够经过不一样的技术实现。从理论上讲，能够为每一个终端设备和网络交换机配备GPS时钟。然而，这种方法不只昂贵，并且没法保证GPS时钟始终接入卫星信号。因为这些限制，TSN网络中的时间一般从一个中央时间源直接经过网络自己分配，也就是使用IEEE 1588精确时间协议完成。除了广泛适用的IEEE 1588规范以外，IEEE802.1委员会已经指定了一个IEEE1588的概要文件，称为IEEE802.1AS。此配置文件背后的想法是将大量不一样的IEEE 1588选项缩小到可管理的几个关键选项，这些选项适用于汽车或工业自动化环境中得网络。

调度和流量整形因为端口转发机制的限制，在标准的以太网中，实时性是难以保证的。调度和流量整形容许在同一网络上共存不一样优先级的流量类别，每一个类别对可用带宽和端到端延迟都有不一样的要求。所以，全部参与实时通讯的设备在处理和转发通讯包时需遵循相同的规则。

通讯路径的选择，预留和容错，全部参与实时通讯的设备在选择通讯路径、预留带宽和时隙方面遵循相同的规则，能够利用多条路径来实现故障排除，支持保护诸如安全相关的控制回路或车辆中的自动驾驶之类的安全应用，以防止硬件或网络中的故障。

TSN的相关协议标准

AVB标准由同一工做组在IEEE开发，经过部署流量保留和整形，确保在指定的时间段内，从发送方到接收方的网络传输流量不会忽然变化。尽管AVB标准有其本身的特性，但它缺乏以太网中高肯定性流量类所需的一些关键属性。TSN的调度、抢占和冗余功能提供更肯定的延迟，更高效的数据包传输几率，以及跨网络中冗余路径的无缝时钟同步。

AVB Gen1功能

AVB是由IEEE 802.1时间敏感网络任务组定义的一组规范，它们共同为音频/视频流应用提供低延迟，时间同步的服务。AVB规范包括：

• 流预留协议（SRP）[IEEE 802.1Qat]，
• 时间敏感应用的时序和同步[IEEE 802.1AS]
• 时间敏感流的转发和排队加强[IEEE 802.1Qav]用于流媒体类应用，例如汽车摄像头和信息娱乐应用。

IEEE 802.1AS它用于实现高精度的时钟同步。IEEE 802.1Qat流预留协议（SRP）解决网络中音视频实时流量与普通异步数据流量之间的竞争问题。经过协商机制，在音视频流从源设备到不一样交换机再到终端设备的整个路径上预留出所需的带宽资源，以提供端到端（End-to-End）的服务质量及延迟保障。IEEE 802.1Qav 是实时数据流的转发和队列控制协议，为数据流发送端和交换节点提供一个成形的数据流服务。确保传统的异步以太网数据流量不会干扰到AVB的实时音视频流。为了不普通数据流量与AVB流量之间对网络资源的竞争，AVB交换机内对时间敏感的音视频流和普通数据流进行了区别处理，将实时帧与异步帧分别进行排队，而且赋予实时帧最高的优先级。

AVB标准经过定义流预留（SR）流量类来确保服务质量（QoS）。例如，A类提供2ms的最大延迟，而B类提供50ms的最大延迟，用于网络中的七个跃点。汽车音频设备可支持SR类，其观测间隔大于AVnu联盟起草的汽车要求的B类。

尽管有基于信用的公平队列（CBFQ），但在最坏的状况下，因为在其余业务干扰期间没有抢占式调度，AVB流量仍然会在每一个网络节点上延迟,所以还须要AVB Gen2。

TSN（AVB Gen2）功能
时间敏感网络（TSN）是由IEEE 802组开发的一套标准，它提供如下功能：

• 时间敏感应用的定时和同步，IEEE802.1ASbt
• 计划流量的加强功能，IEEE802.1Qbv
• Frame Preemption，IEEE802.1Qbu
• 冗余网络的路径控制和保留，IEEE802.1Qca
• 流保留协议（SRP）加强功能支持IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1 Qca / IEEE802.1CB，IEEE802.1Qcc
• 无缝冗余，IEEE802.1CB

IEEE 802.1ASbt是对IEEE 802.1AS的加强。IEEE 802.1ASbt增长了对一步时间戳的支持，相对于IEEE 802.1AS中的两步过程，这减小了在网络中传送定时信息的分组数量。在具备时间感知系统的daisy-chain网络中，分组流量和计算能力的减小是有用的。IEEE 802.1ASbt经过预先选择好备用主时钟，并确保在发生故障时快速地切换，来提升网络的响应能力。这符合工业网络中无缝切换（优选零时间）的要求。

IEEE 802.1Qbv时间感知队列经过时间感知整形器(Time Aware Shaper，TAS)使TSN交换机可以来控制队列流量（queued traffic），以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag，每一个队列在一个时间表中定义，而后这些数据队列报文在预约时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在规定时间窗口里。所以消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每一个交换机的延迟是肯定的，可知的。而在TSN网络的数据报文延时被获得保障。

TAS介绍了一个传输门概念，这个门有“开”、“关”两个状态。当传输的选择过程-仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。TAS保障时间要求严苛的队列免受其它网络信息的干扰，它未必带来最佳的带宽使用和最小通讯延迟。当优先级很是高时，抢占机制能够被使用。

IEEE 802.1Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计，其必须确保很是低的抖动和延时。IEEE 802.1Qbv确保了实时数据的传输，以及其它非实时数据的交换。

IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr转发与队列机制是IEEE以太网标准的新补充，能够在信息传输的时候让高优先级的帧打断低优先级的帧，最大限度地下降高优先级信息流的延迟。在工业自动化控制系统的应用方面，抢占能够进一步将不一样技术的多个网络融合在一个以太网和IP的基础架构里，能够实现自动化操做以及订单控制生产。经过大幅下降低优先级信息流对重要信息流的影响，两种信息流能够混合在同一链路上。

IEEE802.1Qcc Qcc用于为TSN进行基础设施和交换终端节点进行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由1或多个CUC(集中用户配置)和1个CNC(集中网络配置)构成。CUC制定用户周期性时间相关的需求并传输过程数据到CNC，CNC计算TSN配置以知足需求。

IEEE 802.1Qca为数据流提供显式路径控制，带宽和流预留以及冗余。它经过携带用于时间同步和调度的信息，使用IS-IS扩展了最短路径桥接（SPB）的功能，以控制桥接网络。它经过使用PCE（路径计算元素）提供显式转发路径控制。PCE是一个实体，可以根据网络拓扑的表示计算出经过网络的路径。IEEE 802.1CB依赖于IEEE 802.1Qca在从发送方到接收方的网络中的不相交路径上传送消息。

IEEE802.1CB标准经过在发送端复制多个不相交路径中的分组并消除多个点处的重复来提升网络的可靠性，使得监听器仅看到一个分组。无缝冗余（IEEE802.1CB）与IEEE802.1Qca和零拥塞相结合，可在数据包传输中提供最佳的QoS。它使用冗余标记（相似于VLAN标记）中携带的序列编号来复制和消除网络中的重复数据包。

TSN相关标准及进程

虽然成套的TSN特性还在继续扩展，功能不断改进，但现有标准提供了丰富的功能选择，使基于标准的解决方案可以在与传统通讯共存的网络上，实现肯定性，时间敏感，可靠的通讯。
具体详见https://1.ieee802.org/

围绕TSN，都有哪些玩家呢？他们最近都在干什么呢？

TSN 再也不只是一个理想化项目，而是已成为被行业组织认证的普遍使用的标准。目前国内外有大量的组织、企业在推进TSN发展。大量厂商正在对其进行测试与互操做测试。

在2016年的SPS上各个厂商宣布了对OPC UA TSN的支持，包括了ABB、B&R、Bosch Rexroth、CISCO、GE、NI、KUKA、Parker、Phoenix、Schneider、SEW、TTTech等主流的自动化与IT厂商。

2016年2月下旬，Bosch Rexroth、Schneider Electric、National Instruments和Kuka宣布他们将联手开发全球首个TSN测试平台。该测试平台旨在将不一样业务流量整合到以太网TSN网络上。它将测试TSN的多供应商互操做性，以及其安全特性、性能、延迟、与基于云的控制系统的集成National Instruments主持测试平台开发工做。其高管Eric Starkloff 评论说，TSN是“工业物联网将来发展的必要条件”，并强调其从专业视听技术发展到如今的融合式肯定性以太网，可谓进步惊人。

2017年纽伦堡SPS展会上EPSG组织展台展出的OPC UA TSN演示系统，针对200个I/O站、5个高清视频，达到100μS的数据刷新能力。

2018年11月27日，在德国纽伦堡电气自动化系统及元器件展（SPS IPC ），CC-Link协会正式发布最新的开放式工业网络协议“CC-Link IE TSN”，宣布工业通讯迎来新的变革时代。CC-Link IE TSN规范在全球率先将千兆以太网带宽与时间敏感网络(TSN) 相结合，在确保控制数据通讯的实时性的同时，实如今同一个网络中与其它开放式网络、以及与IT系统的数据通讯,实现“多网互连互通”。

结语

TSN的核心思惟是提出了一个可互操做的系统，并支持多个制造商、协议和机构在同一个网络上共享，同时数据使用相同的语言进行解析，不只可得，并且可用。做为底层的通用架构，TSN使得更多企业能够在此架构上实现OT和IT的融合。这种融合提升了工业设备的链接性和通用性，而且面向将来，为大数据分析、边缘智能、新型业务提供了更快更好的发展路径。