基于LS1028 TSN时间敏感网络交换机方案（一）TSN介绍

2.1 时间敏感网络介绍

时间敏感网络小组的前身是 AVB ，即以太网音视频桥接技术（ Ethernet

Audio/Video Bridging, 简称 Ethernet AVB ） [10] 。它在传统以太网络的基础上，通过

精确时钟同步、预留带宽、流量整形，保证服务质量，以支持各种基于音频、视

频的网络多媒体应用。过去十年，人们对视频音频的娱乐性需求越加强烈，因此

原有的基于静态非实时数据的处理的以太网也就并不适用了。数据包的顺序和延

迟没有得到重视，尽管二层网络使用了优先级机制，以及三层网络的 QoS 质量服

务机制，但是并不能消除实时数据流与普通异步 TCP （ Transmission Control

Protocol ，传输控制协议）的资源竞争问题。这些问题带来的延时以及抖动大大影

响了多媒体应用的实时数据的传输，给不了用户良好的体验。基于这些问题，

IEEE 802.1 AVB 小组开发了一系列标准，而这就是 TSN 小组的前身。

2012 年，IEEE802.1 任务组正式变更 AVB 为 TSN ， AVB 由此仅成为 TSN 网络中的一个应用。

正确地理解 TSN 需要一些基础，首先，我们了解一下什么是网络带宽。假设

有十条带宽为 1000Mbps 的数据流，这十条数据流是否能通过 1Gbps 的带宽并不确

定。网络是串行的，因此所有数据帧将排成一行，一位一位地送出，接收也是如

此。一定数量的数据帧组成数据流，而在单位时间内这段数据流运行的长度被称

为带宽。如果这 10 条数据流能够紧密相连排成一队并且不留空隙，那么是有可能

通过 1Gbps 的带宽的。但大部分时候，带宽是多个设备共享的，并且没有基于时

间的控制，而发送流量的设备也并没有控制，因此会造成冲突即时间上的重叠。

这时候 QoS 质量服务便会发挥作用，若按照优先级机制进行传输，那么些许流量

不可避免的将会被丢失。而 TSN 便在这方面做文章，解决了其中的一些问题。TSN

采用流量整形，将带宽中的实时数据流与非实时数据流进行整合，避免了产生重

叠造成的丢失。经过整形的流量被固定在带宽特定的时间点上，因此非实时的数

据流可以见缝插针地进行传输。

TSN 不仅能对发送端进行流量整形，在交换机的每个转发节点也能进行整形，

确保将实时数据流固定占用带宽而不会造成冲突。传统的以太网没有考虑实时的

数据，并且如果要对数据流进行排序且保证可靠传输必不可少数据缓冲 Buffer ，由

此带来的另一个问题是延时。 TSN 的一系列新标准通过精准时间同步（

Precision

Time Synchronization ） [11] ，预留带宽（ Stream Reservation Protocol ） [12] ，使用基于

信用值的整形器（ Credit-based shaper ）来保证了高质量，低时延的同步网络。 TSN

网络协议簇位于数据链路层，在实际的应用中需要结合 IEEE 1722 和 IEEE 1733

等上层通信方案。 TSN 系统标准定义了一系列在生产制造 TSN 兼容设备过程中使

用的管理信息集（ manager information base ），目的是去除繁琐的配置环节，能够

让新用户使用 TSN 网络。 TSN 网络涉及的主要标准如下：

TSN 网络的应用十分广泛，专业音频视频仅是其中的一项。第二项应用是汽

车领域，汽车的控制系统十分复杂，刹车，变向，加速悬挂等使用 CAN 总线系统，

目前大多数汽车厂商有自己的 CARPALY ，可以与手机相连以增加驾驶的安全与趣

味性，车载网络也各有不同。虽然车载系统很复杂，但使用支持实时传输且时延

较低的 TSN 的系统可以进行统一的管理。这使得未来远程驾驶成为可能，公交司

机又或是代驾等等可以实现远程操控，不仅降低了成本而且使得未来生活更加便

利 [18] 。

最后一个未来最为广泛的领域是工业互联网。如今工业物联网（

IoT ）已为人

们熟知并大范围应用，它依赖于通讯网络的可靠性与计算网络发送与接收信息的

能力。如今越来越多的企业采用联网设备并且向智能化工厂迈进。连接与网络传

输延迟将会是智能工厂面临的一大问题。并且工业中存在各种复杂的总线，各种

总线采用的不同的协议不能直接通信，如何将这些总线设备集中控制是另一大难

题。 TSN 网络通过容错机制，关键流量和背景流量共存可以完美地解决这连接问

题，实现云平台控制，融合 IT 与 OT 网络。 TSN 网络的系列标准可以满足工业网

络的性能要求， IEEE 提出了 802.1Qcc 协议来进行系统配置 [19] 。

TSN 如此强大的原因是它拥有以下组件。首先是精准时间协议，为自动化网

络分发时间方案。其他组件分别为：时间感知调度器（ Time-aware Shaper ），尽力

而为（ Best Effort ）以太网流量，门控列表以及隐形保护带。分别由不同协议引入，

它们的强大功能将通过协议一一研究。

2.2 时间敏感网络标准研究

2.2.1 PTP 时间同步原理

802.1ASrev: Timing and synchronization

•定义 TSN 端口和交换机如何将其时钟与其他网络时钟同步，以便发送方和接收方

对时间有共同的理解， 802.1AS 最终成为 IEEE 1588 的简档。

•标准化多个主时钟的使用，以及与这些主时钟进行多次连接以实现冗余 / 故障转移

的可能性。

•定义对多个时钟的支持（本地 1 ，本地 2 ，本地 3; 为不同目的同步到不同主站）。

IEEE 1588v1 PTP 中定义了网络内的两种时钟，普通时钟（ Ordinary Clock ，

OC ）和边界时钟（ Boundary Clock ， BC ）。 PTP 系统的结构图如图 2-1 所示 , 一个

或多个 PTP 子域组成了整个 PTP 系统 , 并且每个子域都含有一个或多个能够彼此

通信的时钟。 PTP 系统拥有两种时钟，只有一个 PTP 端口的是普通时钟 , 边界时

钟可以有多个 PTP 端口。 在时间敏感网络中 , 所有具有时钟源功能的时间感知系

统都有成为潜在的主时钟的可能性，定义了一种选择的方法即最佳主时钟算法

（ Best Master Clock Algorithm,BMCA ），它保证了 gPTP 域中所有的 Time-Sensitive

System 使用的是相同的主时钟 [20] 。

时间戳机制（ Time stamping ）是 802.1AS 区别于 1588 的最主要的部分。在 PTP

消息出入拥有 802.1AS 功能的端口时，本地实时时钟（ RTC ）的采样将会被触发生

效。具体内容为将 RTC 值与对应于该端口的主时钟（ Master ）的信息进行比较，

并使用路径延迟测量和补偿技术将 RTC 时钟值与 PTP 域的时间进行匹配。 TSN 网

络运行时将全部覆盖 PTP 机制，通过时间戳机制和各种时钟补偿算法，网络中的

所有设备节点都将完美地同步于主时钟。如此优秀的机制让 PTP 的理论同步误差

进一步减小，最大 7 跳的网络下误差仅为 1μs 。

一般来网络中普通时钟是终端设备节点 , 带有 PTP 功能的路由器 , 和交换机等

设备则被当作边界时钟。后者的作用是连接多个 PTP 网络子域。

IEEE1588v2 在 IEEE 1588v1 的基础上提出透明时钟模型，包括点到点 E2E 透

明时钟和端到端 P2P 透明时钟。该时钟的主要作用是得出报文经过网络交换设备

内部的延迟，这可以用来减少级联网络中累积的误差，以达到时钟同步更加精确

的目的。端到端透明时钟和点到点透明时钟都可用于计算报文在网络交换设备内

部的驻留时间，但是二者对链路延迟的测量机制不同。

E2E 透明时钟只计算驻留在设备内部的时延，对两段的同步节点完全透明。

而 P2P 透明时钟不仅计算驻留在设备内部的，还计算链路的时延，同时支持

了链路的快速倒换。

当网络拓扑层级较多时，中间设备可以设置为透明时钟节点，如图 2-2 所示。

PTP 协议的具体实现步骤为：首先， PTP 网络系统中的各个时钟设备通过周

期性地交换带有时间信息的报文，通过这些报文的交换可以进行主从时钟间偏差

(Offset) 和网络时延 (Delay) 的计算 , 以此进行时钟间偏差的校正与时延的补偿。

如图 2-3 所示，假设该四种报文在均匀对称的介质中从主从时钟之间直接交

互。由此产生了四个发送和接收的时间点，从这几个时间点间可以得出主从时钟

间偏差 (Offset) 和网络时延 (Delay) ，这个过程就是打时间戳。