TSN相关协议标准

AVB标准由同一工作组在IEEE开发，通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突然变化。尽管AVB标准有其自己的特性，但它缺少以太网中高确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确定的延迟，更高效的数据包传输概率，以及跨网络中冗余路径的无缝时钟同步。

AVB Gen1功能

简单介绍

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，工作在 OSI 七层网络模型中的第二层—数据链路层。

802.1AS(-Rev) Timing and Synchronization AVB规范包括：

1）流预留协议（SRP）[IEEE 802.1Qat]，它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。通过协商机制，在音视频流从源设备到不同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。也就是直接留出传输余量给高优先级的信息，进行优先传输。

2）时间敏感应用的时序和同步 [IEEE 802.1AS]，它用于实现高精度的时钟同步，给所有以太网帧增加了精确的时间戳。

3）时间敏感流的转发和排队增强 [IEEE 802.1Qav] 用于流媒体类应用，因为有了这些时间戳，我们就可以根据时间进行排程。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。为了避免普通数据流量与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，并且赋予实时帧最高的优先级。

小结

AVB标准通过定义流预留（SR）流量类来确保服务质量（QoS）。根据上述三点基本原理，我们就大致可以理解为什么QoS无法解决传输不确定性的问题。其原因是以太网交换机内部具有缓冲效应，如果交换机已经在其中一个端口上传输以太网帧，即使是最高优先级的帧也必须在交换机缓冲区内等待之前的传输完成。而TSN则加载了时间戳，交换机内部根据时间戳以及QoS进行排程进行处理，避免了这种不确定性的发生。

又举例子，还是拿挤地铁来说事。有了QoS，虽然是你是VIP，但也要等已经排队上车的人上完车后你才能上。但是有了TSN，你作为VIP还自带光环，在车门处预留了空间让你先上车。这样，调度人员（交换机）就可以根据时间戳，用优先级运用协议的算法来确保VIP（最重要的信息）可以在确定的时间内上车。

尽管有基于信用的公平队列（CBFQ），但在最坏的情况下，由于在其他业务干扰期间没有抢占式调度，AVB流量仍然会在每个网络节点上延迟, 因此还需要AVB Gen2。

要实现新的综合视频/音频、实时工业数据以及其它复杂的数据交互的传输，那么就需要解决技术上的障碍（如以太网的数据冲突），并且在分布式时钟同步、传输质量上予以技术保障，也包括如何实现工业应用所需的诸如高实时、冗余，以及信息安全及功能安全的机制保障。

为此IEEE802.1成了实时工作组，开发TSN的标准，以及组织企业的测试等工作。

TSN（AVB Gen2）功能

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

1）时间敏感应用的定时和同步，IEEE802.1ASbt

2）计划流量的增强功能，IEEE802.1Qbv

 

3）抢占帧（Frame Preemption），IEEE802.1Qbu

4）冗余网络的路径控制和保留，IEEE802.1Qca

5）流保留协议（SRP）增强功能支持 IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1 Qca / IEEE802.1CB，IEEE802.1Qcc

6）无缝冗余，IEEE802.1CB

IEEE 802.1ASbt 是对 IEEE 802.1AS的增强。IEEE 802.1ASbt增加了对一步时间戳的支持，相对于IEEE 802.1AS中的两步过程，这减少了在网络中传送定时信息的分组数量。在具有时间感知系统的daisy-chain 网络中，分组流量和计算能力的减少是有用的。IEEE 802.1ASbt通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，来提高网络的响应能力。这符合工业网络中无缝切换（优选零时间）的要求。

IEEE 802.1Qbv时间感知队列通过时间感知整形器 (Time Aware Shaper，TAS) 使TSN交换机能够来控制队列流量（queued traffic），以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag，每个队列在一个时间表中定义，然后这些数据队列报文在预定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。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的，可知的。而在TSN网络的数据报文延时被得到保障。

如下图示意，交换机出口队列的阀门好比十字路口的红绿灯，当有计划好的关键消息需要传输时，关键消息所在的队列绿灯放行，而其他非关键消息的队列则红灯暂停传输。在汽车领域，新兴的以太网作为主干的汽车电子架构中，传输在车载以太网中的数据既有需要实时响应的关键车控信号数据（如刹车信号）也有重要性略低的车载娱乐应用流量，802.1Qbv使得我们可以针对不同类型的流量调度，实现车控信号实时传输而娱乐流量则见缝插针的使用车载以太网带宽。 

 

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信延迟。当优先级非常高时，抢占机制可以被使用。

IEEE 802.1Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计，其必须确保非常低的抖动和延时。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，可以在信息传输的时候让高优先级的帧打断低优先级的帧，最大限度地降低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，抢占可以进一步将不同技术的多个网络融合在一个以太网和IP的基础架构里，可以实现自动化操作以及订单控制生产。通过大幅降低低优先级信息流对重要信息流的影响，两种信息流可以混合在同一链路上。

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配置以满足需求。

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。它通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。它通过使用PCE（路径计算元素）提供显式转发路径控制。PCE是一个实体，能够根据网络拓扑的表示计算出通过网络的路径。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 标准通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高网络的可靠性，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（类似于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

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能够在与传统通信共存的网络上，实现确定性，时间敏感，可靠的通信。

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”，宣布工业通信迎来新的变革时代。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，在确保控制数据通信的实时性的同时，实现在同一个网络中与其它开放式网络、以及与IT系统的数据通信, 实现 “多网互连互通”。

结语

TSN的核心思维是提出了一个可互操作的系统，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，不仅可得，而且可用。作为底层的通用架构，TSN使得更多企业可以在此架构上实现OT和IT的融合。这种融合提高了工业设备的连接性和通用性，并且面向未来，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。

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