TSN特点

TSN特点

时间敏感网络 (TSN) 通过以太网提供确定性性能，它的持续发展已导致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。通过 AVB、TSN, 使得以太网进入硬实时领域应用。

在智能制造时代，我们说IT与OT融合来实现整个数据透明下的协同制造，但是，对于智能制造而言所遇到的问题却使得IT与OT的融合产生了诸多的障碍，这包括以下几个方面：

（1）总线的复杂性

总线的复杂性不仅给OT端带来了障碍，且给IT信息采集与指令下行带来了障碍，因为每种总线有着不同的物理接口、传输机制、对象字典，而即使是采用了以太网来标准各个总线，但是，仍然会在互操作层出现问题，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，无法实现基本的应用数据标准，这需要每个厂商根据底层设备不同写各种接口、应用层配置工具，带来了极大的复杂性，而这种复杂性使得耗费巨大的人力资源，这对于依靠规模效应来运营的IT而言就缺乏经济性，因此，长期以来，虽然大家关注，却很少有公司能够在这一领域获得较大的成长。

（2）周期性与非周期性数据的传输

IT与OT数据的不同也使得网络需求差异，这使得往往采用不同的机制，对于OT而言，其控制任务是周期性的，因此采用的是周期性网络，多数采用轮询机制，由主站对从站分配时间片的模式，而IT网络则是广泛使用的标准IEEE802.3网络，采用CSMA/CD，即冲突监测，防止碰撞的机制，而且标准以太网的数据帧是为了大容量数据传输如Word文件、JPEG图片、视频/音频等数据。

（3）实时性的差异

由于实时性的需求不同，也使得IT与OT网络有差异，对于微秒级的运动控制任务而言，要求网络必须要非常低的延时与抖动，而对于IT网络则往往对实时性没有特别的要求，但对数据负载有着要求。

由于IT与OT网络的需求差异性，以及总线复杂性，使得过去IT与OT的融合一直处于困境。

这是TSN网络因何在制造业得以应用的原因，因为TSN解决了上述几个障碍：

（1）单一网络来解决复杂性问题，与OPC UA融合来实现整体的IT与OT融合。

（2）周期性数据与非周期性数据在同一网络中得到传输；

（3）平衡实时性与数据容量大负载传输需求

我们明白这个背景，就会明白TSN为何被OT厂商所共同关注，希望将其引入制造业以解决现实中的融合问题，否则，网络将成为推动智能制造的第一个难点。

TSN是一组以太网标准，允许通过802网络实现时间同步的低延迟流服务。通过标准以太网，TSN创建了分布式，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所有标准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。通过基于时间定义队列，TSN 可确保通过交换网络的流量具有有限的最大延迟。

这意味着标准以太网现在可以：

1、通过交换网络保证消息延迟；

2、关键和非关键流量可以在一个网络中融合；

3、更高层协议可以共享网络基础结构；

4、实时控制可以远离操作区域；

子系统可以更容易地集成；

5、可以在不进行网络或设备更改的情况下添加组件；

TSN并非涵盖整个网络，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”，旨在为以太网协议建立“通用” 的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间确定性。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讯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讯的时间确定性的同时，为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。

TSN关键组件

由IEEE 802.1制定的TSN标准文档可以分为三个基本关键组件。每个标准规范都可以单独使用，并且主要是自给自足的。但是，只有在每个规范协同使用的情况下，TSN作为通信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，通信路径的选择、预留和容错。

时间同步在这方面，“时间敏感网络” 这个名称已经非常具有描述性。端到端（End-to-End）的传输延迟具有难以协商的时间界限，因此网络中的所有设备都需要共同的时间参考，需要彼此同步时钟。

时间同步

TSN网络中的时间同步可以通过不同的技术实现。从理论上讲，可以为每个终端设备和网络交换机配备GPS时钟。然而，这种方法不仅昂贵，而且无法保证GPS时钟始终接入卫星信号。由于这些限制，TSN 网络中的时间通常从一个中央时间源直接通过网络本身分配，也就是使用IEEE 1588精确时间协议完成。除了普遍适用的IEEE 1588规范之外，IEEE802.1委员会已经指定了一个 IEEE158的概要文件，称为 IEEE802.1AS。此配置文件背后的想法是将大量不同的 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

调度和流量整形由于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。调度和流量整形允许在同一网络上共存不同优先级的流量类别，每个类别对可用带宽和端到端延迟都有不同的要求。因此，所有参与实时通信的设备在处理和转发通信包时需遵循相同的规则。

流量调度是TSN中的一个核心概念。基于802.1AS提供的共享全局时间，802.1Qbv在参与的网络设备之间创建和分发一个时间计划表。802.1Qbv定义了控制TSN交换机出口处发送队列的阀门开关的机制。计划流量所在队列在预定的时间窗口到达后会被放行传输，而在同个时间窗口中其他非计划流量的队列会被阻止传输，因此排除了计划流量被非计划流量阻塞的可能性。这意味着通过每个交换机的延迟是确定的，通过TSN网络的消息延迟可以得到保证。

系统和配置

为了让用户易于配置网络，IEEE定义了相应的IEEE802.1Qcc标准。

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