TSN時間敏感網絡技術分析

TSN時間敏感網絡技術分析

TSN 網絡是一個時間敏感的網絡。中文通常稱為時間敏感網絡或時間敏感網絡。 TSN 是一種兩層技術。 IEEE 802.1Q 標准在 OSI 第 2 層運行。TSN 是以太網標準，而不是 IP 協議標準。
隨著工業智能化的不斷發展，工業互聯網已成為工業智能化發展的關鍵綜合信息基礎設施。基礎網絡作為工業互聯網發展的基礎設施，未來將需要更強的互聯互通、高質量傳輸和智能化運維能力。 ，在智能製造和工業互聯網IT與OT融合的大趨勢下，需要統一的網絡技術解決方案打通底層基礎網絡。 TSN網絡端到端的極低時延和可靠的數據傳輸成為工業場景的基礎。網絡的最佳選擇。

TSN 時間敏感網絡
TSN 網絡是一個時間敏感的網絡。中文通常稱為時間敏感網絡或時間敏感網絡。 TSN 是一種兩層技術。 IEEE 802.1Q 標准在 OSI 第 2 層運行。TSN 是以太網標準，而不是 IP 協議標準。 TSN 網橋做出的轉發決定是基於以太網報頭的內容，而不是 IP 地址。以太網幀的有效載荷可以是任何東西，不限於 IP 協議。它實際上是一套基於 IEEE 802.1 框架滿足特殊需求的“子標準”。與其說TSN是新技術，不如說是對現有網絡技術以太網的改進。在此基礎上，增加時鐘同步、流量調度、網絡配置等關鍵技術，為時間敏感數據提供低時延、低時延抖動、低丟包率的傳輸服務。
TSN 時間敏感網絡的主要特點
時間同步
TSN的流量調度是基於時隙的，所以時鐘同步是TSN的基礎。 TSN 使用精確的時間協議來保證所有網絡設備的時鐘是一致的，不需要與自然時鐘同步。 IEEE 802.1AS-2011規定了整個TSN網絡的時鐘同步機制，並提出了通用精確時間協議（gPTP）。 gPTP是基於IEEE 1588-2008的精確時間協議（PTP）的擴展，兩者工作模式相同。

全局時間同步是大多數TSN標準的基礎，用於保證數據幀在各個設備中傳輸時隙的正確匹配，以滿足通信流端到端的確定性時延和無隊列傳輸要求。 TSN 使用 IEEE 802.1AS 在各種時間感知系統之間傳輸同步消息。它改進了以太網的同步協議，增加了分佈式網絡的同步，採用雙向信息通道提高了傳輸信號的準確性。

流量控制
TSN的流控過程主要包括流分類、流整形、流調度和流搶占。

流量分類的主要作用是通過識別流的屬性信息或統計信息來確定相應的流量類型和優先級信息，評價指標主要是分類準確度。

流量整形的主要作用是限制發送和接收流的最大速率，並對超過該速率的流進行緩衝，然後控制流以更均勻的速率發送，以達到穩定傳輸突發流量的目的。

流調度的主要作用是通過一定的規則（調度算法或機制）將排隊和整形的流調度到輸出端口，以確定流在交換機中的相應轉發順序，從而保證各種流的QoS需求。傳輸，並確保在一定時間內傳輸流。一定程度上減少網絡擁塞。

流搶占改變了低優先級流的調度順序，保證了高優先級流的及時轉發。它是流調度的一種特殊形式，是TSN的關鍵技術之一。流搶占的主要作用是通過幀間分片中斷低優先級幀的傳輸，避免流優先級倒置，從而保證高優先級幀的實時性或超低時延性能要求。

網絡配置
對於時間敏感的網絡應用，TSN需要配置網絡中的發送端、接收端和交換機，為時間敏感的數據提供預留帶寬等服務。 IEEE 802.1Qcc中定義的時間敏感網絡的配置模型分為三種：完全集中式配置模型、混合配置模型和完全分佈式配置模型。

集中式用戶配置（CUC），負責發送方和接收方的配置；集中式網絡配置（CNC），負責TSN交換機的配置，全集中式模型支持集中式用戶配置（CUC）實體發現終端和用戶需求，並在終端配置TSN特性。


圖 1. 完全集中的模型

混合配置模型使用集中式網絡配置控制器（CNC，Centralized Network Configuration controller）和分佈式用戶配置控制器（CUC，Centralized User Configuration controller）。在集中式網絡/分佈式模型中，配置信息被定向到集中式網絡配置 (CNC) 實體或從集中式網絡配置 (CNC) 實體發出。



圖 2. 混合配置模型

全分佈式配置模型使用分佈式網絡配置控制器（CNC，Centralized Network Configuration controller）和分佈式用戶配置控制器（CUC，Centralized User Configuration controller）。在這種模式下，用戶流的終端通過TSN用戶/網絡協議直接傳達用戶需求。網絡以完全分佈式的方式配置，沒有集中的網絡配置實體。



圖 3. 全分佈式模型

TSN時間敏感網絡應用場景示例
工業互聯網
隨著工業互聯網的不斷發展，不斷推動工業應用向數字化、網絡化、智能化方向快速升級。不僅要保證信息的交換，還要保證生產設備之間的數據安全。 IT（信息技術）、OT（運營技術三體融合）和CT（通信技術）已成為工業互聯網發展的大勢所趨，最終實現工業互聯互通。只有在這樣的底層基礎網絡上，才能更好地支持新一代的工廠級、車間級和現場級。應用工業應用。

TSN技術標準主要用於工業領域的相關協議，包括IEEE 802.1AS時鐘同步、IEEE 802.1Qbv時間感知調度器、IEEE 802.1Qcc網絡管理和配置、IEEE 802.1CB高可靠性、IEEE 802.1Qci stream-by-流過濾和管理等。

自動駕駛儀
隨著自動駕駛和車聯網的興起，車載設備的大量數據交互、傳統車載網絡技術的複雜性和高成本等問題對傳輸帶寬、互操作性提出了嚴格的要求。和車載網絡的成本。

目前，車載網絡仍有多條總線獨立並存。以音頻和視頻為代表的輔助媒體信號和控制信號仍然在不同的總線上分開傳輸，不能在同一鏈路上統一傳輸。之所以會這樣，是因為這裡有一個很大的技術難點。 TSN技術可以改善傳統以太網的盡力而為轉發特性，並根據數據流的不同優先級提供不同程度的端到端有界延遲。保證和更小的抖動等，可以在二層網絡中提供高帶寬、高可靠性、低延遲和時間同步的音視頻流服務。這些特性可以滿足車載網絡的發展需求，從而滿足車載以太網的應用。要求。