时间敏感网络TSN是如何在以太网上进行改进的？

一.TSN网络介绍

TSN（Time-Sensitive Networking）时间敏感网络是一种用于工业控制系统的网络通信技术。它是一个以太网标准，旨在解决实时和时间敏感应用程序的需求。TSN技术允许在同一个以太网网络上传输实时数据与非实时数据，并提供严格的时间同步和可靠性。

TSN网络通过引入时间同步和流量调度机制，提供低延迟、高带宽、可预测性和可靠性的通信。它支持在网络中实现实时数据流的时间同步，确保数据在不同设备之间以确定的时间间隔传输。此外，TSN还使用流量调度机制来确保实时流量的优先传输，避免网络拥塞和数据丢失。

TSN网络广泛应用于工业自动化领域，特别是工业控制系统、机器人控制、智能交通系统等需要实时和可靠通信的应用场景。它能够满足工业应用对高性能、低延迟和可靠性的要求，提供高效的数据传输和实时控制能力。

TSN技术基于开放标准，受到了许多工业和通信设备供应商的支持。它是IEEE 802.1标准的一部分，可与现有的以太网设备兼容，并能够与其他通信网络集成。TSN的发展也得到了工业自动化组织和研究机构的关注和推动，以促进标准化和采用。

TSN本身并非是一个全新的技术，IEEE于2002年发布了IEEE1588精确时钟同步协议，而2005年，IEEE802.1成立了IEEE802.1AVB工作组，开始制定基于以太网架构的音频视频传输协议集，用于解决数据在以太网中的实时性、低延时以及流量整形的标准，同时又确保与以太网的兼容性。而AVB又引起了汽车工业、工业领域的技术组织及企业的关注，并成立了TSN工作组，并开发了时钟同步、流量调度、网络配置系列标准集。

二.时间敏感网络TSN与以太网

1.TSN网络报文在以太网报文的基础上的改变

TSN是基于IEEE802.1Q标准的VLAN虚拟局域网)，该标准允许在以太网帧增加4个字节用于定义其特征。

VLAN标签允许将以太网帧划分为多个虚拟局域网，从而在单个物理网络中实现逻辑上的分离。每个VLAN都有一个唯一的标识符，称为VLAN ID，它被插入到帧的VLAN标签字段中。这样，交换机在转发帧时可以根据VLAN标签来决定将帧转发到哪个VLAN中的端口。

在TSN中，对IEEE 802.1Q标准进行了扩展，以支持时间敏感的实时通信。TSN的扩展包括在VLAN标签中添加时间敏感信息，如时间同步信息、流量调度信息等。这样，TSN交换机可以根据VLAN标签中的时间敏感信息对实时数据进行优先处理和转发，从而实现低延迟和可预测性。

1)、标签协议识别:网络类型识别，代表这是一个 TSN网络，标记0X8100;

2)、优先级代码(Priority Code Point):3位代码构成三个优先级位，简称PCP;

3)、标志位:对于网络低QoS要求的数据，可以予以丢弃，以确保高优先级数据的QoS;

4)、VLAN Identifier(VID):VLAN网络的识别号，12位表示可支持的子网数量，2的12次方即4096个子网，VID=0用于识别帧优先级,4095(FFF)作为预留值，所以VID最多可以表示4094个子网，说明TSN是为了大型的数据传输而设计的。

2.TSN网络在标准以太网上的功能改进

时间敏感网络（TSN）是通过在标准以太网上进行一系列改进来实现的，以满足实时通信和时间敏感应用的要求。这些改进使得TSN网络能够提供低延迟、高可靠性和精确时钟同步，适用于各种实时应用场景。以下是TSN在以太网上进行的主要改进：

1. 时钟同步：在标准以太网中，设备的时钟通常是相互独立的，这可能导致数据在不同设备之间存在时钟偏差。在TSN中，引入了精确的时钟同步机制，如IEEE 802.1AS和IEEE 1588 Precision Time Protocol（PTP），以确保整个网络中的设备保持一致的时钟，并实现微秒级的同步精度。

2. 流量调度：标准以太网使用的是随机接入的MAC协议（如CSMA/CD或CSMA/CA），这可能导致数据包传输的时延不确定性。在TSN中，引入了基于时隙的流量调度机制，如IEEE 802.1Qbv Time-Aware Shaper（TAS），可以确保实时数据流在网络中的传输带宽和时延得到保证。

3. 流量整形：TSN引入了流量整形机制，如IEEE 802.1Qbv TBS（Time-Based Shaper）和IEEE 802.1Qav FQTSS（Frame Preemption and Time-Sensitive Stream）来限制实时数据流的传输速率和优先级，以避免拥塞和数据包丢失。

4. 时间敏感报文标签：TSN引入了专门的时间敏感报文标签，如TSN Tag，用于在数据包中标识时间敏感信息，包括流量调度信息、时钟同步信息等。这些标签可以在网络中传递并被交换机用来进行相应的处理和调度。

5. 优先级处理：TSN交换机可以根据时间敏感报文标签中的优先级信息对实时数据流进行优先处理，以确保实时数据获得更短的传输时延和更高的带宽。

6. 带宽保障：TSN网络通过引入带宽保障机制来确保实时数据包的传输。带宽保障可以确保网络中的实时数据流不会受到突发流量的影响，从而保证实时应用的稳定性和可靠性。