了解浅析确定性网络的时间敏感网(TSN)技术2022/12/26 13:01:01

哦不明白

相对于其他确定性络技术，如工作在15层的灵活以太(FE)和工作在3层的确定(DN)，TSN主要是解决2层络确定性保障问题，通过一系列协议标准现零拥塞丢包的传输，提供有上界保证的低时延和抖动，为时延敏感流量提供确定性传输保证。作者|陆营川，单位：移动智慧家庭运营中心域名IP查询的具体问题可以到我们网站了解一下，也有业内领域专业的客服为您解答问题，为成功合作打下一个良好的开端！

?L导读相对于其他确定性络技术，如工作在15层的灵活以太(FE)和工作在3层的确定(DN)，TSN主要是解决2层络确定性保障问题，通过一系列协议标准现零拥塞丢包的传输，提供有上界保证的低时延和抖动，为时延敏感流量提供确定性传输保证。

现有的以太技术在1973年首次提出，并于1982年（EV2）正式投入商业应用，且很击败了同时期的令牌环和FDDI等技术，逐步被全球采用。虽然依靠服务质量(QS)技术，对所有的数据包进行分类和标注，在一定条件下能够达到按不同先级进行转发的目的。但络串行传输的特点和尽力而为(BE)的转发机制，使得数据在端到端传输时，时延、抖动和服务质量等不可控。基于此IEEE的8021任务组于2022年制定了音视频桥接(AVB，AVB)规范，这是一套用于时音视频传输的以太协议集，任务组于2022年11月正式更为时间敏感络(TSN,TSN)，同时成为基于以太的新一代络标准，具有时间同步、延时保证等时性功能，在工业控制、智能制造和5G等领域逐渐得到广泛应用。







P01TSN的定义

相对于其他确定性络技术，如工作在15层的灵活以太(FE)和工作在3层的确定(DN)，TSN主要是解决2层络确定性保障问题，通过一系列协议标准现零拥塞丢包的传输，提供有上界保证的低时延和抖动，为时延敏感流量提供确定性传输保证。





图1TSN协议层次



TSN是符合IEEE8021Q标准的VLAN，在标准的以太帧中插入4个字节长度的VLAN。TSN通过VLAN中的PCP（PCP）和VID（VLANID）定义流的不同先级协议层次[1]。



TPI：16长度，标签协议识别，标识TSN络，数值为0X8100PCP：3长度，先级代码，标识流量先级，3位PCP定义了8个先级。DEI：1长度，丢弃标识位，对于低QS要求的数据可置位，络拥塞时可丢弃，以确保高先级数据的QS。VLANI（VID）：12长度，VLAN络的识别号。VID=0用于识别帧先级，VID=FFF作为预留，其余值用于标识VLAN。



图2TSN的帧结构





P02TSN的技术

为了现局域的确定性传输，时间敏感络(TSN)现了精确的络时间同步机制，流程整形、分类和不同先级流量的流量调度机制，以及端到端、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进行系统化的络配置机制。





图3TSN关键技术





图4TSN协议组件集



21时间同步

时间同步是TSN的基础，也是后续基于时隙来进行流量调度的关键。TSN利用IEEE8021AS协议达到整个络时钟同步的目的。这是精确时间协议，是保证相关络设备的时钟一致，不需要与自然界的时钟保持同步。这一协议是在IEEE1588-2022的精确时间协议(，PTP)基础上扩展而来，提出了广义精确时间协议(，PTP)。全局时间同步是TSN真正现通信流端到端确定性时延和排队传输要求的基础。是对以太的同步协议进一步完善，增加了分布式络的同步，并且采用双向信息通道，提高了传输信号的精确度。同时更新和修订的IEEE8021AS-REV协议增加了针对多个时域进行时间同步的能力，能在某域内全局时钟发生故障时现速切换到其他域。



22流量控制

TSN流量控制主要涉及流量分类、流量整形和流量的调度与抢占。通过帧中VLAN的相关属性信息，确定对应流量的类型和先级；对已识别的TSN流进行限速或临时缓存等整形处理，控制流量以预设的速率收发；通过一定调度算法和机制，将整形后或排队中的流调度至输出端，以相应的顺序在交换机内完成转发，同时根据QS保证各种流传送时的服务质量需求。在此过程中，通过帧间切片打断低先级帧传输，保障高先级流的及时转发，比较终现高先级帧传输的时性和超低时延要求[2]。主要有CBS整形器(C-S，基于IEEE8021Q)，TAS整形器(T-S，基于IEEE8021Q)，CQF整形器(CQF，基于8021Q)和IEEEATS整形器(ATS，基于8021Q)。



23络配置

利用IEEE8021Q协议中为时间敏感络(TSN)定义配置模型，目前TSN可以根据具体需求，提供全集中式、混合式以及全分布式种不同的配置模型，对发送端、接收端和络中的交换机进行定制化配置，为后续在此络上传输的时间敏感型数据提供预留带宽等服务。





P03TSN的特点

与标准的以太相比，TSN比较大的特点是能够保证数据交换的确定性，在提前确定时间敏感数据流（称为）传输的周期，每个周期传输的数据大小后，只要数据发送方按照约定将数据发出，TSN就能够保证在确定的时间将数据交换到接受方[3]。









P04TSN的应用

TSN为局域的确定性服务质量提供保障，随着OT()、IT()与CT()的融合，TSN可在这些融合局域络中发送周期、非周期数据流。在车联、工业控制、智能电、5G等领域有着广阔的应用前景，TSN络将得到更的发展。



41工业互联

TSN可以有效兼顾工业物联场景下，高效率数据传输和高可靠性需求，有效推动了工业OT系统与IT系统的融合。同时结合5G下URLLC的确定性传输技术，现有的传感器、执行器等工业设备都能以线方式连接到TSN络中，可以现不受电缆安装限制的灵活部署和应用，整套系统可以更加自动化，减少人为干预和依赖，将持续推动工业互联底层架构的演进。



42车载络

随着汽车的智能化和自动化的发展，车载络需要满足高级辅助驾驶系统（ADAS）、智能车载诊断系统（OBD）、车载多媒体系统以及其他各类车载系统的承载和互联要求。现有车载络仍以各总线并存为主，而且媒体信号和控制信号不能在同一链路上进行统一传输。所以如何在混流的条件下，保证各种不同类型的流量对端到端传输时延、抖动、丢包率等需求均得到满足，是目前车载面临的技术难点和质疑所在。TSN能根据数据流量的不同先级，提供不同程度的端到端有界时延的保障和更小的抖动等。并且服务质量可以通过理论得到证。这些特征都能符合车载络的发展需求，从而满足车载以太的应用要求[4]。





参考文献[1]互联文档，一文读懂TSN，25482

[2]SDNLAB，TSN时间敏感络技术浅析，20224

[3]互联文档，基于FAST的TNS交换，0_3753770486747622

[4]工业互联产业联盟，时间敏感络产业白皮书，20228?