TSN交换机有望成为下一代工业网络通信核心设备

    TSN即Time-Sensitive Networking，中文名为时间敏感网络，是从传统以太网网络中衍生出来的一种技术，是指在非确定性以太网中实现确定性最小时间延时的协议族。TSN为标准以太网增加了确定性和可靠性，可实现对以太网网络功能的扩展，进而确保数据的实时、确定、可靠传输。TSN交换机则是一种支持TSN技术的工业以太网交换机，属于以太网交换机的升级产品之一。

    TSN交换机能够实现各类型网络终端的互联互通，与传统交换机相比，其具有体量小、功耗低、延迟低、可靠性高、抖动频率低、数据传输能力强、适用端口多等优点，可在工业网络、车联网以及航空航天、铁路、军工装备的机载网络互联互通中发挥出重要作用。

    新思界产业分析人士表示，TSN交换机是基于TSN技术而生成的交换机产品，属于以太网交换机的升级产品之一。近年来，TSN交换机凭借着良好优势在汽车、工业、航天、轨道交通等领域网络通信中展现出巨大发展潜力，被认为是下一代工业网络通信的核心设备。目前全球各国企业正在积极布局TSN交换机市场，未来TSN交换机市场发展空间有望加速拓展，行业发展前景广阔。来和海翎光电的小编一起了解一下TSN的发展史、常用TSN协议说明吧！

    背景介绍

    TSN（Time-Sensitive Networking）时间敏感网络，即在非确定性的以太网中实现确定性的最小时间延时的协议族，是IEEE 802.1工作组中的TSN工作组开发的一套协议标准，定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输。

    TSN的发展史

    早期的以太网采用的交换机主要使用半双工模式，传输带宽为100M，传输延时为5ms，单根线路的最大长度为100m。紧接着，在千兆以太网和全双工传输技术的快速发展中，局域网中基本普及了千兆交换机，默认情况下所有端口处于一个广播域，所有数据包的交换通过硬件的MAC地址表进行查询转发。

    随着以太网交换技术的成熟，并在城域网等更大范围的应用拓展，1980年2月，IEEE 802委员会成立，任务是制定局域网和城域网的通信标准，IEEE 802.1工作组则主要制定基于以太网的协议标准。

    1991，针对大量交换机的部署产生了冗余链路等的一系列问题，IEEE 802.1工作组发布了802.1D STP生成树协议，并于1998年发布了第二部RSTP快速生成树协议，基本解决了各厂商设备在组网时容易产生环路等问题。

    随着802.1D的制定，大规模用户组网条件已经成熟，1999年，IEEE 802.1发布802.1QVLAN协议作为802.1D的后续补充，能够将大规模的用户小区和城市区域使用虚拟网络标识的进行区分，解决了电信用户组网和城域网接入的IP限制问题。

    进入21世纪以后，随着以太网的普及，基于以太网的多媒体应用需求与日俱增，于是2006年IEEE成立了AVB工作组，制定了一系列新的802.1技术标准，对现有以太网进行功能扩充，包括带宽保持、限制延时和精确时钟同步，提供了高质量、低延时、时间同步的音视频局域网解决方案。

    随着工业4.0概念的提出和车联网时代的到来，工业和汽车对实时以太网技术的需求迅速增长，在2012年，AVB工作组更名为TSN工作组，在继承AVB已有的技术基础上，进一步针对实时通信的应用场景，制定并提出了更多可行的技术标准，籍此在未来的工业和汽车等领域继续引领以太网技术的发展。

    2. TSN系列规范

     TSN系列规范包含了非常多的技术标准，一部分来源于以往音视频、通信等领域的应用，一部分来源于芯片等技术厂商在技术实现上的探索。

    TSN协议系列规范

    当前已经发布的TSN系列规范大致分为四个部分：时间同步、调度延时、可靠性、资源管理。

    时间同步

    时间同步的协议规范主要是802.1AS/802.1AS-Rev，基于数据链路层进行以交换机为关键节点的时钟同步机制的实现，主要来自于IEEE1588时间同步协议的简化版本，更适用于车载网络中实时性精度要求较高的通信传输场景。

    目前主流的应用为2011版本，主要是基于单域或多域的时钟同步机制的实现，初步满足了基于以太网作为骨干网的电子电器架构的设计需求。

    802.1AS多域分布

    最新发布的为2020版本，增加了时钟冗余和时钟传输路径冗余的实现，对满足车辆功能安全的需求提供了统一的解决方案。

     802.1AS时钟实时冗余

    调度延时

    802.1Qbv是在交换机多个输出队列的严格优先级（报文中的优先级通常来自于VLAN或者IP）模式下，利用门循环列表GCL（Gate Control List）来控制每个队列的开关时间窗口，来实现时间感知整形器TAS（Time-aware Shaper）的功能；GCL通常有8~16组，可通过灵活配置来实现不同延时需求的调度规则集合，进而对应不同优先级帧的最大传输延时保证来实现传输延时确定性和带宽的稳定性。

    802.1Qbv GCL调度

    同时，802.1Qbv为了确保每个时间片的报文都能传输完成，预留了一个Gurad Band，长度最大可配置为一个标准以太网帧的MTU大小约1500字节，会增加约12.5us的延时损耗。为了不浪费这个带宽的等待时间，于是设计并引入了802.1Qbu规范。

    802.1Qbu将数据帧分为可被抢占帧（Preemptable Frame）和快速帧（Express Frame），通常在每个交换机端口以优先级来对帧进行以上分类，即高优先级的帧可以对低优先级未传输完成的帧进行抢占发送，以减少传输延迟。抢占的规则一般通过设置最小可被抢占帧长度，例如若设置为128字节，则必须等待可被抢占帧传输完128字节才能对快速帧进行抢占发送，等快速帧发送完成后，再对被抢占帧未发送完成的部分进行发送。

    802.1Qbu和802.1Qbv的同时使用，可以在保证链路延时和带宽相对确定的情况下，对高实时报文进一步降低传输延时。

    可靠性

    802.1CB主要是通过交换机硬件的报文复制功能实现发送端数据帧的在交换机指定转发端口处的复制，并通过不同的交换机传输路径发送至最终目的节点所在的交换机连接端口，然后在该交换机端口利用交换机硬件的对特定协议复制帧的重复消除，进而利用网络拓扑中的冗余路径实现在传输链路中实时的可靠性数据备份，并且不增加软件收发数据产生的额外负载；相比传统的通信错误恢复机制，能够在正常通信链路发生错误时，利用在冗余路径中的实时数据保证通信不间断，且延时仅是冗余路径中多余交换机节点的转发延时，一般在10us左右，可以非常好地满足高实时高可靠性的应用场景。

    802.1CB冗余策略

    资源管理

    资源管理的系列规范类似于网络管理之类的协议和配置格式的一些规定，适合于灵活组网、易于维护的一些应用环境，并不适用于汽车上稳定性要求高、固定资源分配的策略，所以这里就暂不详细介绍了。

常用TSN协议说明

IEEE 802.1AS-rev

确保连接在网络中各个设备节点的时钟同步，并达到微秒级甚至纳秒级的精度误差。

IEEE 802.1Qat

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。

IEEE 802.1Qav

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。

IEEE 802.1Qbv

通过Time Aware Shaper为优先级较高的时间敏感型关键数据分配特定的时间槽，并且在规定的时间节点，网络中所有节点都必须优先确保重要数据帧的通过。

IEEE 802.1Qbu

可以中断标准以太网或巨型帧的传输，以允许高优先级帧的传输，同时不丢弃之前传输被中断的消息。

已发布的标准(Published TSN Standards)

部分继承AVB的标准(Referred to AVB standards)

将发布的标准(Ongoing TSN Projects)