TSN时间敏感网络技术浅析

SDNLAB

发布于 2022-04-22 18:41:55

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来源：浪潮网络业务

随着工业智能化的不断发展，工业互联网成为工业智能化发展的关键综合信息基础设施，基础网络作为工业互联网发展的基础设施，未来需要更为强大的互联互通、高质量传输和智能运维能力，在智能制造、工业互联网的IT与OT融合的大趋势下，需要统一的网络技术解决方案打通底层基础网络，TSN网络端到端极低时延和可靠的数据传输，成为了工业场景下基础网络的不二选择。

TSN时间敏感网络

TSN网络即是time-sensitive network，中文通常称为时效性网络或者时间敏感网络，TSN 是二层技术。IEEE 802.1Q 标准在 OSI 第二层工作。TSN 是以太网标准，而不是IP协议标准。TSN 网桥做出的转发决定基于以太网报头内容，而不是 IP 地址。以太网帧的有效载荷可以是任何内容，不限于IP协议。它实际上是基于IEEE 802.1的框架制定的一套满足特殊需求的“子标准”，与其说TSN是一项新技术，不如说它是对现有网络技术以太网的改进，TSN 在以太网的基础上加入时钟同步、流量调度和网络配置等关键技术，为时间敏感型数据提供低时延、低时延抖动和低丢包率特性的传输服务。

TSN时间敏感网络关键特性

时间同步

TSN 的流量调度是基于时隙的，因此时钟同步是TSN 的基础。TSN 使用的是精确时间协议，是保证所有网络设备的时钟一致，而不需要与自然界的时钟保持同步。IEEE 802.1AS-2011 规定了 TSN 整个网络的时钟同步机制，提出了广义精确时间协议( general precision time protocol，gPTP) 。gPTP 是在 IEEE 1588-2008 的精确时间协议( precision time protocol，PTP) 的基础上进行扩展，两者工作模式相同。
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，对以太网的同步协议更加完善，增加了分布式网络的同步，并且采用双向信息通道，提高了传输信号的精确度。

流量控制

TSN 流控过程主要包括流分类、流整形、流调度和流抢占。
流分类主要功能是通过识别流的属性信息或统计信息，以确定它们对应的流量类型和优先级信息，能评价指标主要为分类准确度。
流整形主要功能是限制收发流的最大速率并对超过该速率的流进行缓存，然后控制流以较均勾的速率发送，达到稳定传送突发流量的目的。
流调度主要功能是通过一定规则(调度算法或机制)将排队和整形后的流调度至输出端口,以确定流在交换机内对应的转发顺序，从而保证各种流传送时的 QoS 需求并在一定程度上降低网络拥塞。
流抢占改变了低优先级流的调度顺序，保证了高优先级流的及时转发，是流调度的一种特殊形式和TSN关键技术之一。流抢占主要功能是通过帧间切片打断低优先级帧传输的方式避免流优先级反转现象，以保证高优先级帧实时性或超低时延性能需求。

网络配置

面向时间敏感网络应用，TSN 需要对发送端、接收端和网络中的交换机进行配置，以便为时间敏感型数据提供预留带宽等服务。IEEE 802.1Qcc中定义的时间敏感网络的配置模型分为全集中式配置模型、混合式配置模型以及全分布式配置模型三种。
全集中式用户配置 ( Centralized user configuration，CUC) ，负责发送端和接收端的配置; 集中式网络配置( Centralized network configuration，CNC) ，负责 TSN 交换机的配置，完全集中的模型支持集中用户配置（CUC）实体来发现终端和用户需求，并在终端中配置TSN特性。

图1.完全集中式模型

混合式配置模型使用集中式网络配置控制器（CNC ， Centralized Network Configuration controller）与分布式用户配置控制器（ CUC ， Centralized User Configuration controller）。在集中式网络 / 分布式模型中，配置信息直接指向或来自集中式网络配置（CNC）实体。

图2.混合式配置模型

全分布式配置模型使用分布式网络配置控制器（CNC， Centralized Network Configuration controller）与分布式用户配置控制器（ CUC ， Centralized User Configuration controller）。该模式下，用户流的终端直接通过 TSN 用户 / 网络协议传达用户需求。网络以完全分布式的方式配置，没有集中的网络配置实体。

图3.完全分布式模型

TSN时间敏感网络应用场景示例

工业互联网

随着工业互联网的不断发展，不断推动工业应用面向数字化、网络化、智能化的快速升级，不仅要保证信息的互通，还要保证生产设备之间的数据安全，IT（information technology）、OT（operational technology）、CT（communication technology）三体融合，成为了工业互联网发展的大势所趋，最终实现工业互联，在这样的底层基础网络上，才能更好的支撑新一代的工厂级、车间级、现场级应用工业应用。
TSN技术标准主要用于工业领域的相关协议包括 IEEE 802.1AS 时钟同步、IEEE 802.1Qbv 时间感知调度程序、IEEE 802.1Qcc 网络管理和配置、IEEE 802.1CB 高可靠、IEEE 802.1Qci 逐一串流过滤与管理等。

自动驾驶

随着自动驾驶和车联网的兴起，车载设备的大量数据交互、传统车载网络技术的多样复杂性及高成本等问题对车载网络的传输带宽、互操作性及成本提出严格要求。
目前车载网络仍然多总线独立并存，以音视频等为代表的辅助媒体信号和控制信号仍然在不同的总线上分别传输，而不能在同一链路上进行统一传输。之所以如此，是因为这里存在一个最主要的技术难点，TSN 技术正是可以改善传统以太网尽力而为的转发特性，根据数据流的不同优先级，提供不同程度的端到端有界时延保障和更小抖动等，能够在二层网络提供高带宽、高可靠、低时延和时间同步的音/视频流服务，这些特征都能符合车载网络的发展需求，从而满足车载以太网的应用要求。

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