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。