浅谈未来网络TSN技术应用

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浅谈未来网络TSN技术应用

时间敏感网络(TSN)相关综述

里程碑！支持TSN、APL和5G的OPC UA FLC——工业通信的未来王者？

传统以太网和时间敏感网络TSN的区别

一、浅谈未来网络TSN技术应用

随着5G、物联网、工业互联网等信息通信技术的发展，时间敏感网络TSN具有的确定性和微秒级交互特性，引发无人驾驶、边缘计算、虚拟现实等从科幻变现实。同时借助TSN打破智慧与机器的边界，将推动传统离散工业进行数字化转型和智能制造升级，释放出巨大潜力。

说起TSN的起源，实际上是一项从视频音频数据领域延伸至工业、汽车领域的技术。是基于标准以太网架构演进的新一代网络技术，其具有精准的时钟同步能力，确定性流量调度能力，以及智能开放的运维管理架构，可以保证多种业务流量的共网高质量传输，兼具性能及成本优势。

TSN的主要特性包括时间同步、确定性传输、网络的动态配置、兼容性和安全等。

（1）时间同步：全局时间同步是大多数 TSN 标准的基础，用于保证数据帧在各个设备中传输时隙的正确匹配，满足通信流的端到端确定性时延和无排队传输要求。TSN利用IEEE 802.1AS在各个时间感知系统之间传递同步消息，提供精确的时间同步。

（2）确定性传输：在数据传输方面，对于TSN而言，重要的不是“最快的传输”和“平均传输时延”，而是在最坏情况下的数据传输时延。TSN通过对数据流量的整形、无缝冗余传输、过滤和基于优先级调度等，实现对关键数据的高可靠、低时延、零分组丢失的确定性传输。

（3）网络的动态配置：大多数网络的配置需要在网络停止运行期间进行，这对于工业控制等应用来说几乎是不可能的。TSN通过IEEE 802.1Qcc引入集中网络控制器（centralized network configuration，CNC）和集中用户控制器（centralized user configuration，CUC）来实现网络的动态配置，在网络运行时灵活地配置新的设备和数据流。

（4）兼容性：TSN以传统以太网为基础，支持关键流量和尽力而为（best-effort，BE）的流量共享同一网络基础设施，同时保证关键流量的传输不受干扰。同时TSN是开放的以太网标准而非专用协议，来自不同供应商的支持TSN的设备都可以相互兼容，为用户提供了极大的便利。

（5）安全：TSN利用IEEE 802.1Qci对输入交换机的数据进行筛选和管控，对不符合规范的数据帧进行阻拦，能及时隔断外来入侵数据，实时保护网络的安全，也能与其他安全协议协同使用，进一步提升网络的安全性能。

伴随着TSN技术在各个应用领域的深入发展，针对TSN相关技术在垂直行业的部署应用也在逐步扩大。在汽车控制、工业控制、智能电网、5G等领域有着广阔的应用场景。

应用分享

公司聚焦TSN在智能制造质量检测领域内的创新应用打造了基于TSN确定性内网的机器视觉检测应用场景。主要是将基于TSN技术的确定性网络引入工厂机器视觉质检场景，通过对于车间产线网络进行局部改造，打造IT与OT融合的TSN确定性网络，实现摄像头数据及焊机设备的关键参数实时采集及训练数据的下发。

以新型工业互联网基础网络（CENI）和TSN确定性工业内网为基础，形成“一网一云一平台”的技术框架、以及基于TSN确定性内网的机器视觉技术体系，为客户提供从视觉数据采集、设备连接、网络传输、边缘计算到视觉数据分析等智能应用的工业互联网综合解决方案。

项目中除了融合技术之外，还运用了未来网络从芯片、模组、交换机到管控平台一系列TSN产品，实现工厂内生产管理、PLC控制、数据采集、视频监控、机器视觉等高实时控制流与高带宽数据流报文的共网传输，为各系统之间的协同工作提供可靠的网络支撑。

TSN在产业界的融合部署为工业物联网的发展提供了强大助力，未来将有越来越多基于TSN技术的应用涌现。作为工业网络解决方案提供商，未来公司仍将以应用需求为导向，积极拓展应用规模，推进TSN在重点行业、领域的应用，加快构建产业技术生态。

一、时间敏感网络(TSN)相关综述

姓名：刘家沐

学号：19011210553

资料来源于网上，自己编辑整理

【嵌牛导读】：时间敏感网络的目标就是实现同一个网络中实时性关键数据流与普通数据流有良好兼容性的共同传输。要实现这两种业务的融合就是要求时间敏感网络中设备对时间表有着精准的把控，实现实时性关键业务所要求的低时延低抖动。此外，如果能将各类设备错综复杂的业务流在同一网络上进行传输，这便意味着专用网络连线的减少，简化系统设备的部署流程，同时又能减少系统设备的体积与花销。

【嵌牛鼻子】：时间敏感网络      TSN   确定性传输

【嵌牛提问】：近些年来被提出的时间敏感网络相关问题

【嵌牛正文】：

一． 问题提出

传统的以太网通常采用的转发模式是“Best Effort”（尽力而为），但是这种转发方式往往缺乏确定性。当数据包到达发送端口后并准备发送时，发送端按照先入先出的原则进行转发，但是当某个发送端口同时有多个数据要进行发送的时候，这些数据就要进行排队，排队等待时长由队列长度，数据发送速度等多个因素决定。如果网络中流量过大，便会出现拥塞或者丢包等情况，排队等待时间也会变得无法预测，确定性也就无法保证，这就会引起流量调度，时间同步，流量监控，容错机制标准化等问题。

在带宽足够的情况下，这种尽力而为的以太网可以适应于目前大多数的情况，但在某些应用领域这种不确定性是不可容忍的，例如远程医疗或者网络辅助的自动驾驶。在这些安全或者生命攸关(Security or Life Critical)的网络应用中，某次信息的传输不确定性可能会带来无法挽回的后果。

这时，建立可靠的传送机制就成了摆在技术人员面前的首要问题。

为了保证某些较为重要的受控物理系统的确定性行为，需要实时网络具有确定且较低的网络延迟和延迟变化（抖动）。传统上，现场总线已经用于此目的，但由于总线的设计，花销，体积，重量等多种因素，时间敏感网络开始被提出。

时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）基于标准以太网。在标准以太网上的通信流量（如音视频流）可以与具有高优先级确定性信息流(如运动控制)等共享物理网络。不同的服务对时延的要求不一样，尤其是在那些需要确定传输的下行服务领域，对时延和抖动要求尤为敏感。

时间敏感网络的目标就是实现同一个网络中实时性关键数据流与普通数据流有良好兼容性的共同传输。要实现这两种业务的融合就是要求时间敏感网络中设备对时间表有着精准的把控，实现实时性关键业务所要求的低时延低抖动。此外，如果能将各类设备错综复杂的业务流在同一网络上进行传输，这便意味着专用网络连线的减少，简化系统设备的部署流程，同时又能减少系统设备的体积与花销。

TSN并非涵盖整个网络，而仅仅是对MAC层的定义，对数据帧进行处理的过程。

二．内容历史

AVB——以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的传输协议集。它有效地解决了数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。同时又保持了100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。其中包括：

1. 802.1AS：精准时间同步协议（Precision Time Protocol，简称PTP）

2. 802.1Qat：流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP）

3. 802.1Qav：排队及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称Qav）

4. 802.1BA：音视频桥接系统（Audio Video Bridging Systems）

5. 1722：音视频桥接传输协议（Audio/Video Bridging Transport Protocol，简称AVBTP）

6. 1733：实时传输协议(Real-Time Transport Protocol，简称RTP)

7. 1722.1：负责设备搜寻、列举、连接管理、以及基于1722的设备之间的相互控制。

AVB不仅可以传输音频也可以传输视频。用于音频传输时，在1G的网络中，AVB会自动通过带宽预留协议将其中750M的带宽用来传输双向420通道高质量、无压缩的专业音频。而剩下的250M带宽仍然可以传输一些非实时网络数据。用于视频传输时，可以根据具体应用调节预留带宽。比如：750M带宽可以轻松传输高清full HD视觉无损的视频信号。并且可以在AVB网络中任意路由。

IEEE 802.1任务组在2012年11月的时候正式将AVB更名为TSN – Time Sensitive Network时间敏感网络。也就是说，AVB只是TSN中的一个应用。

第一个应用就是我们的专业音视频(Pro AV)。在这个应用领域里强调的是主时钟频率。也就是说，所有的音视频网络节点都必须遵循时间同步机制。

第二个应用是在汽车控制领域。目前大多数的汽车控制系统非常复杂。比如说：刹车、引擎、悬挂等采用CAN总线。而灯光、车门、遥控等采用LIN系统。娱乐系统更是五花八门，有FlexRay和MOST等目前的车载网络。实际上，所有上述系统都可以用支持低延时且具有实时传输机制的TSN进行统一管理。可以降低给汽车和专业的A/V设备增加网络功能的成本及复杂性。

第三个应用是商用电子领域。比如说，你坐在家中，可以通过无线WIFI连接到任何家中的电子设备上，实时浏览任何音视频资料。

最后一个应用也是未来最广泛的应用。所有需要实时监控或是实时反馈的工业领域都需要TSN网络。比如：机器人工业、深海石油钻井以及银行业等等。TSN还可以用于支持大数据的服务器之间的数据传输。全球的工业已经入了物联网(Internet of Things，IoT)的时代，毫无疑问TSN是改善物联网的互联效率的最佳途径。

三. 研究现状与热点

TSN正在关键的小型封闭式汽车和工业网络中得到广泛采用，以建立可靠的ULL端到端连接。然而，关键的TSN限制恰恰是关注于封闭网络，例如车载网络和小规模机器人网络。在机器人和车载网络中运行的网络应用程序通常涉及与外部非TSN网络的显着交互。机器人和车载网络应用程序需要通过外部网络与移动性处理程序紧密集成。如果外部网络中没有适当支持高级网络功能（如移动性），那么TSN的好处基本上仅限于小型封闭网络。因此，TSN和不同外部网络之间的平滑互操作性对于异构网络场景中的TSN操作是必不可少的。理想情况下，TSN和非TSN网络之间的连接应该能够适应与TSN类似的特性，以确保异构部署中的整体端到端连接要求。

V2X通信：Lee和Park提出了iTSN，这是一种将大型TSN网络互连用于大规模应用的新方法。 iTSN方法利用诸如IEEE 802.11p的无线协议用于不同TSN网络之间的互联网。特别地，跨互连网络共享全球定时和同步信息对于建立公共定时平台以支持外部网络中的TSN特性是重要的。 因此，iTSN方法使得例如车载网络能够将安全关键信息发送到控制节点，例如路侧单元（RSU），在异构部署中具有微秒级的延迟。通过采用这种可靠的互连技术，可以在比当前可行的毫秒范围短得多的（微秒）时间跨度内实现车辆制动安全距离。总的来说，TSN和互连技术（如iTSN）可以为安全的自动驾驶系统创建一个通信平台。

网络建模：尽管TSN标准在汽车驾驶网络中得到了很大的重视，但网络部署的一个主要挑战是如何管理网络的复杂性。汽车行业随着技术的进步，对现有的车载网络基础设施提出了更多的要求。随着车载网络中传感器数量的增加，日益增加的连接 在网络规划中，应相应地满足传感器相互之间的连接和带宽要求。然而，车载控制系统网络需求的动态变化可能需要更广泛的网络基础设施，从而导致更高的支出。

硬件和软件设计：支持TSN功能的硬件和软件组件设计，例如TSN节点中的调度，抢占和时间触发事件生成，需要大量的工程和开发工作。硬件实现在计算资源利用率和执行延迟方面非常高效，但导致难以适应新应用程序要求的严格架构。 另一方面，软件实现可以灵活地适应新的应用程序要求，但由于网络功能的软件化，例如时间触发的调度和硬件虚拟化，可能使CPU过载。

总结和吸取的经验教训：迄今为止，大多数关于TSN的研究都集中在独立且与外部网络隔离的车载网络上。 TSN研究领域的另一个限制是缺乏包含大规模异构网络架构的仿真框架。应在基准评估中创建并考虑包括本地和外部网络交互（例如汽车驾驶）的有效用例。目前，大多数TSN研究中的一般用例是支持车载传感器连接和用于信息娱乐的音频/视频传输的车载网络。未来的定制TSN仿真框架应基于支持具有本地化和外部网络交互的下一代应用的网络，例如汽车驾驶。类似地，基于SDN的TSN管理可以利用分层控制器设计来将管理从诸如车辆网络之类的本地化网络扩展到诸如车辆到任何（vehicle-to-any （V2X））网络之类的外部网络。

 

四． 下一步研究趋势

TSN网络基础设施和协议必须支持有限的端到端延迟和可靠性，以支持与物联网，医药，汽车驾驶和智能家居中的关键应用相关的基本功能。用于满足这些应用要求的基于TSN的解决方案导致支持各种协议的复杂网络基础设施。因此，简化的TSN网络管理机制对于降低复杂性同时满足ULL应用的关键需求至关重要。

因此，多个TSN网络之间的可靠，安全和低延迟通信对于支持广泛的未来应用至关重要。 缺乏与外部TSN和非TSN网络连接和通信的TSN标准阻碍了互操作网络中的研究活动，需要紧急解决。总之，我们确定了TSN研究的以下主要未来设计要求：

①　支持从时间敏感到具有流量调度功能的延迟容忍应用程序的各种应用程序。

②　多个封闭TSN架构之间的连接。

③　灵活和动态的优先级分配，以确保较低优先级流量的有限端到端延迟。

④　采用SDN以全球网络视角集中管理TSN功能。

⑤　通过自我估计和本地时钟偏差校正来实现高效的定时信息共享和精确的时钟设计。

⑥　计算有效的硬件和软件设计。

1. TSN中低优先级数据的传输

TSN节点抢占正在进行的低优先级帧传输，用于发送进入的高优先级帧以保证高优先级帧的绝对最小TSN节点传输延迟。根据高优先级流量的强度，可以多次抢占低优先级帧。结果，由于抢占事件直接取决于高优先级业务强度，因此不能保证低优先级业务的端到端延迟特性。如果高优先级业务强度明显高于低优先级业务强度，则可以大大增加低优先级业务的端到端延迟。通常，低优先级流量承载延迟敏感数据，这不如高优先级流量数据重要，但仍应在最坏情况下的deadline内传送。在当前的技术水平中，没有研究机制或标准来确保抢占下的低优先级业务的最坏情况端到端延迟。

因此，未来的研究需要开发新的机制，以确保TSN网络中低优先级流量的有界最坏情况延迟.

2. 无线TSN的发展

为了将工业设备（工业传感器/执行器）以无线方式连接到TSN网络，5G是非常合适的解决方案。与4G相比，5G的新功能，尤其是无线接入网络（RAN），提供了更好的可靠性和传输延迟。而且，新的5G系统架构允许被灵活地部署。因此，5G可以实现不受电缆安装限制的TSN网络。

二、里程碑！支持TSN、APL和5G的OPC UA FLC——工业通信的未来王者？

“

OPC UA使用时间敏感网络(TSN)和以太网高级物理层(Ethernet APL)，来实现控制器到控制器的网络通信。

”

OPC UA（统一架构）经过不断扩展，已支持使用时间敏感网络(TSN)和先进物理层以太网（Ethernet-APL）以及控制器到控制器通信作为计划中的标准工业互操作性连接的一部分。

自2018年11月推出两年后，OPC基金会现场级通信(FLC)计划已经完成了基于OPC UA现场交换(UAFX)的初始候选版本，可用于“控制器到控制器”的通信应用。这标志着通过Ethernet-APL和TSN等关键技术，OPC UA作为标准化的现场级工业互操作性解决方案的重要里程碑。

FLC计划发表了一份40页的技术论文，详细介绍了将OPC UA扩展到现场层的技术方法和基本概念，以满足工厂和过程自动化的各种要求和用例。

截至2021年3月，FLC计划已有27家公司参与，包括全球领先的自动化制造商，已加入该计划的指导委员会，为其提供资金、人员和技术知识的支持。共同目标是将OPC UA的范围扩展到现场层，并使OPC UA成为工厂和过程自动化中统一、一致的通信标准。在向所有OPC基金会成员开放的技术工作组中，来自60多家公司的300多名专家，正在努力开发适用的概念和规范。

控制器到控制器的原型

虽然有COVID-19疫情的限制，但在过去的一年里，第一版规范的相关工作进展顺利。控制器到控制器（C2C）用例的基本概念已经形成，并纳入了第一版规范草案。第一个候选版本已于2020年11月完成，并已实施原型以验证规范草案。工作组正在制定测试规范，这些规范正被转换为OPC UA合规性测试工具（UACTT）的测试用例。

在规范的第二个版本中，已经开发的概念被扩展到控制器到设备(C2D)和设备到设备(D2D)的用例中，因此OPC UA可以用作跨所有自动化层的统一和一致的通信方式（图2）。这开辟了新的可能性，特别是在不同的工业4.0应用场景以及信息技术(IT)和运营技术(OT)融合的应用中。

现场层通信：系统架构

FLC计划的初始候选版本于2020年11月完成，由4个子规范（OPC UA Parts 80-83）组成，侧重于控制器到控制器通信，通过点对点连接和基本诊断来交换过程和配置数据：

• 第80部分(OPC 10000-80)包括介绍并概述了扩展OPC UA以与/在现场进行通信的基本概念。

• 第81部分(OPC 10000-81)指定了控制器和现场设备（自动化组件）的基本信息模型以及通信概念，以满足工厂和过程自动化的各种用例和要求。

• 第82部分(OPC 10000-82)描述了网络服务，例如拓扑检测和时间同步。

• 第83部分(OPC 10000-83)描述了使用描述符和数据包进行离线工程交换信息所需的数据结构。

支持TSN、APL和5G的OPC UA

OPC UA框架与传输无关，可与各种底层通信协议和传输物理一起使用。在将OPC UA扩展到工厂和过程自动化中的所有用例和要求的过程中，Ethernet-APL和TSN被OPC基金会视为其战略的重要组成部分，是创建可扩展的工业互操作解决方案愿景的一部分。

使用TSN可以促进建立在OPC UA之上的确定性数据传输，这对于要求苛刻的自动化应用是必不可少的。此外，TSN允许使用标准化硬件和公共网络基础设施，来运行不同的应用和协议。这使融合的工业自动化网络得以实施，其中的各种IT和OT协议可以共存。

FLC工作组正在研究，哪些TSN标准应强制用于基于OPC UA的终端设备和基础设施组件，以满足对性能、灵活性和易用性的特定要求。OPC基金会已明确承诺支持IEC/IEEE 60802工作组正在开发的TSN-IA（工业自动化）配置文件。为此，OPC基金会已与标准化机构IEC SC65C和IEEE 802.1签订了合作协议。

Ethernet-APL描述了专为过程工业要求而开发的以太网物理层。Ethernet-APL支持长距离高速数据传输、通过公共双绞线电缆提供能量和数据，以及在危险区域安全使用的保护措施。Ethernet-APL可用于在过程工业中启用OPC UA和其它基于以太网的协议。OPC基金会于2020年6月加入Ethernet-APL项目，与其它非营利组织和各工业伙伴一起合作开发和推广APL。

通过OPC UA进行的数据交换，不局限于有线或无线以太网通信。支持5G移动通信标准是OPC基金会的发展计划之一。5G映射将无缝集成到现有的OPC UA架构中，因此OPC UA FLC计划的所有协议和配置文件的扩展，都可以通过以太网、TSN以及未来的5G使用。

工业自动化互操作性

OPC UA框架(IEC 62541)与FLC计划规定的现场层扩展，结合APL、TSN和5G等底层通信标准，提供了一个完整、开放、标准化和可互操作的解决方案。它满足工业通信要求，并实现了从现场到云端的一致性和语义互操作性（图4）。通过这种方法，使用各种OPC UA配套规范可以在数据源处使用标准化语义提供信息。

考虑使用APL电缆时，流量计提供标准化的“OPC UA流量测量数据”的情况。当伺服驱动器被集成到一个具有以太网TSN的机器网络中时，伺服驱动器可以处理标准化的 “OPC UA驱动设定值”，并提供标准化的“OPC UA实际驱动值”。

关键概念：

OPC UA规范将允许控制器到控制器的通信。

Ethernet-APL和TSN还将支持控制器到设备和设备到设备的通信。

OPC基金会的OPC UA还集成了运动、安全和5G无线功能。

思考一下：

结合APL、TSN和5G等底层通信标准，OPC UA实现了从现场到云端的一致性和语义互操作性。

三、传统以太网和时间敏感网络TSN的区别

1) “传统以太网”的诞生
我们通常认为以太网是由鲍勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）于1973年提出的。并于1982年（Ethernet V2）投入商业市场且很快击败了与其同期的令牌环、FDDI和ARCNET等其他局域网技术被全球普遍采用。以太网技术从根本上解决了在局域网内的信息互传/共享的问题。然而在创建之初，以太网只考虑了一些非实时的静态信息。例如：文字和图片。即便是共享音频和视频，但只限于下载和互传。
1982年，第一台CD机在日本问世。这标志着音视频从此由纯模拟走入了“数字化”。而1996年由互联网工程任务组(IETF)开发的RTP（Realtime Transport Protocol）则奠定了音视频在网络中传输的基础，也就是说音视频又实现了从“数字化”进化到了“网络化”。之后的VoIP正是借用了RTP技术实现了在全球互联网上的“网络化数字通讯”。
由于本文即将阐述“时间敏感网络”，因此，为了加以区别，我们将目前大家所熟知的以太网称为“传统以太网”。那么究竟“传统以太网”是如何工作的呢？
2) “传统以太网”的基本原理
首先我们先要搞清楚以太网的工作原理。以太网是当今现有局域网采用的最广泛的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，目前通常使用双绞线（UTP线缆）进行组网。包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆网(1Gbit/s)和10G（10Gbit/s）以太网。它们都符合IEEE802.3。(注：bps=bit/s)
以千兆网(1Gbit/s)为例：假如说交换机的端口带宽是1Gbps，则说明每秒可传输1000,000,000个二进制的“位”。大家一定要注意以太网中所有的传输都是串行传输，就是说在网卡的物理端口会在每一个单位时间内“写入”或是“读取”一个电位值(0或1)。那么这个单位时间对于1Gbps带宽来说就是1÷1000,000,000=1ns。如图一所示：