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TSN的重要協(xié)議是什么？
傳統(tǒng)以太網會采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD)的機制，當兩個工作站發(fā)生沖突時，必須延遲一定時間后重發(fā)報文。發(fā)生堵塞時，有的報文可能長時間發(fā)布不出去，造成通信時間的不確定性。以往對實時性要求高的數(shù)據(jù)通過實時以太網去實現(xiàn)。故現(xiàn)在信息技術和運營技術融合過程中會遇到很大的困難，為了實現(xiàn)部分數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r、確定性需求，有實時性要求的數(shù)據(jù)和沒有實時性要求的數(shù)據(jù)往往需要通過兩個網絡進行傳輸。所有的控制器都是兩個網口，一個是實時以太網，一個是標準以太網。而TSN不僅能確保數(shù)據(jù)的實時、確定性傳輸，還能實現(xiàn)時間敏感數(shù)據(jù)和非時間敏感性數(shù)據(jù)在同一網絡的傳輸。
TSN通過一套協(xié)議標準（TSN協(xié)議族）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)在同一網絡的實時、確定性傳輸，保證對實時性要求高的信息在標準以太網的不同場景下的順利傳輸。TSN協(xié)議族本身具有很高的靈活性，用戶可以根據(jù)應用的具體需求來選擇相應的協(xié)議組合。TSN協(xié)議族包含了時鐘同步、數(shù)據(jù)調度及流量整形、可靠性、資源管理這四個類別的子協(xié)議。
TSN重要協(xié)議及功能
時鐘同步
與IEEE 802.3 的標準以太網相比，時鐘在TSN 網絡中起著重要的作用。對于實時通信而言，端到端的傳輸延遲具有難以協(xié)商的時間界限，因此TSN 中的所有設備都需要具有共同的時間參考模型，因此需要彼此同步時鐘。目前TSN采用IEEE 1588 協(xié)議和IEEE 802.1AS協(xié)議來實現(xiàn)時間同步。
IEEE 1588 協(xié)議是一個精密時間協(xié)議 (PTP)，用于同步計算機網絡中的時鐘。 在局域網中，它能將時鐘精確度控制在亞微秒范圍內，使其適用于測量和控制系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)調度及流量整形
TSN通過定義不同的整形機制將數(shù)據(jù)流的時延限定在一定范圍內，以此滿足不同的低時延場景需求。在傳統(tǒng)以太網中，數(shù)據(jù)流的通信時延是不確定的，由于這種不確定性，數(shù)據(jù)接收端通常需要預置大緩沖區(qū)來緩沖輸出，但是這樣會導致數(shù)據(jù)流，例如音視頻流，缺失了實時方面的特性。TSN不僅要保證時間敏感流的到達，同時也要保證這些數(shù)據(jù)流的低時延傳輸。通過優(yōu)化控制時間敏感流和best-effort流、以及其它數(shù)據(jù)流在網絡中的傳輸過程，來保證對數(shù)據(jù)流的傳輸時間要求，這個優(yōu)化控制的方式就是整形。
數(shù)據(jù)傳輸時延對比圖（TSN vs 傳統(tǒng)以太網）
TSN用于數(shù)據(jù)調度和流量整形的協(xié)議有IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu、IEEE 802.1Qch及IEEE 802.1Qcr。其中，IEEE 802.1Qbv采用非搶占式的的數(shù)據(jù)調度，流量調度方式通過時隙進行控制，需要實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流優(yōu)先傳輸，同時為best-effort數(shù)據(jù)及預留數(shù)據(jù)預留帶寬，允許時間敏感流和非時間敏感流在同一個網絡中傳輸，并確保數(shù)據(jù)的實時傳輸。
如下圖（IEEE 802.1Qbv時隙劃分圖），使用IEEE 802.1Qbv，數(shù)據(jù)包傳輸被安排在一個重復周期中端到端。IEEE 802.1Qbv中定義了三種基本類型的流量：時間敏感流、best-effort流和預留流量。 時間敏感流適用于對實時性要求嚴格的關鍵消息， best-effort流是不需要任何QoS 的一般以太網流量。 此外，預留流量適用于需要預留特定帶寬并具有軟實時要求的幀。
IEEE 802.1Qbv定義了通過調度算法啟用或禁用幀傳輸?shù)拈T，將以太網通信劃分為固定長度、連續(xù)重復的周期。這些周期被分成時隙，在每個時隙中，數(shù)據(jù)通過被賦予不同的優(yōu)先級實現(xiàn)在指定時隙中的傳輸。由于此操作，時間敏感流可以擁有專用時隙，從而確保此流量在傳統(tǒng)以太網網絡上的確定性傳輸。另一方面，預留流量和best-effort流被容納在每個周期的剩余時隙中。預留流量保證有專用帶寬，而best-effort流可以使用剩余的帶寬。
IEEE 802.1Qbv時隙劃分圖
圖中時隙1為時間敏感流預留，時隙期間不存在其他流量。另一方面，時隙2由best-effort流和預留流量使用，同時為預留流量預留專用帶寬。
由于TSN的運行基于不同的時間時隙發(fā)送不同類型的流量，因此所有網絡設備必須在納秒級范圍內同步。
可靠性
對數(shù)據(jù)傳輸實時性要求高的應用除了需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，同時也需要高可靠的數(shù)據(jù)傳輸機制，以便應對網橋節(jié)點失效、線路斷路和外部攻擊帶來的各種問題，來確保功能安全和網絡安全。IEEE 802.1Qci、IEEE 802.1CB及IEEE 802.1Qca用于實現(xiàn)TSN這方面的性能。
IEEE 802.1CB為以太網提供雙鏈冗余特性，通過在網絡的源端系統(tǒng)和中繼系統(tǒng)中對每個數(shù)據(jù)幀進行序列編號和復制，并在目標端系統(tǒng)和其他中繼系統(tǒng)中消除這些復制幀，確保僅有一份數(shù)據(jù)幀被接收?？捎脕矸乐褂捎趽砣麑е碌膩G包情況，也可以降低由于設備故障造成分組丟失的概率及故障恢復時間，提高網絡可靠性。
IEEE 802.1 CB工作原理
資源管理
在TSN網絡中，每一種實時應用都有特定的網絡性能需求。使能TSN網絡的某個特性是對可用的網絡資源進行配置和管理的過程，其允許在同一網絡中通過配置一系列TSN子協(xié)議，來合理分配網絡路徑上的資源，以確保它們能夠按照預期正常運行。TSN資源管理子協(xié)議包括IEEE 802.1Qat協(xié)議和IEEE 802.1Qcc協(xié)議。IEEE 802.1Qcc協(xié)議是IEEE802.1Qat協(xié)議的增強。
IEEE802.1Qat即流預留協(xié)議。根據(jù)流的資源要求和可用的網絡資源情況指定數(shù)據(jù)準入控制，保留資源并通告從數(shù)據(jù)源發(fā)送端至數(shù)據(jù)接收端之間的所有網絡節(jié)點，確保指定流在整條傳輸路徑上有充足的網絡資源可用。
TSN的應用場景是什么？
TSN的典型應用就是工業(yè)互聯(lián)網，傳統(tǒng)的工業(yè)自動化實現(xiàn)通過在每個接入網側均采用硬編碼邏輯控制器（硬PLC）及人機交互界面（HMI）實現(xiàn)對機器人、夾具的控制來實現(xiàn)工業(yè)自動化。每個接入網側都需要相應的硬PLC分散地處理業(yè)務，使得管理困難，運維復雜，如下圖（傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案）。而且生產線往往變更頻繁，硬PLC由于采用硬編碼，其生產擴展不靈活，生產線變更時需要耗費很大的資源去進行生產線的適配和調測。
若將PLC直接接入到工廠數(shù)據(jù)中心，就可以采用軟件編碼的虛擬PLC（vPLC），如下圖（傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案vs采用TSN網絡園區(qū)工業(yè)解決方案）融合架構的IT基礎設施平臺（FushionCube）上的vPLC，一方面可實現(xiàn)對生產設備的遠程集中處理。另一方面，vPLC通過軟件編程就可以完成對生產線的適配，生產擴展靈活。但工廠數(shù)據(jù)中心往往統(tǒng)一納管信息技術和運營技術，生產業(yè)務流和辦公業(yè)務流及其它數(shù)據(jù)流均需通過同一網絡上送到工廠數(shù)據(jù)中心，而且工業(yè)自動化控制對數(shù)據(jù)流的確定性到達有毫秒級的需求。采用傳統(tǒng)實時以太網難以滿足實現(xiàn)確定性通信的同時實現(xiàn)時間敏感性數(shù)據(jù)和非時間敏感性數(shù)據(jù)在同一網絡的傳輸，故不能實現(xiàn)vPLC在工廠數(shù)據(jù)中心處對生產機器（機器人、夾具）的集中管理，而TSN網絡的出現(xiàn)可以解決這一難題。通過對vPLC和生產機器連接的網關均使能TSN的相關協(xié)議，可構建TSN網絡，如下圖（傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案vs采用TSN網絡園區(qū)工業(yè)解決方案），可實現(xiàn)時間敏感性數(shù)據(jù)和非時間敏感性數(shù)據(jù)在同一網絡傳輸?shù)耐瑫r實現(xiàn)數(shù)據(jù)在毫秒級乃至微秒級的確定性通信，從而實現(xiàn)vPLC的遠程集中管理，使生產更加安全，維護更加方便，產線調整更加靈活。
傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案
傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案vs采用TSN網絡園區(qū)工業(yè)解決方案
