趙 奕，王海濤（南京審計大學金審學院，江蘇南京 210023）

0 引言

隨著信息技術的不斷發(fā)展，確定性的流量傳輸成為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)以太網(wǎng)只注重解決非實時數(shù)據(jù)的傳輸，實時流量和傳統(tǒng)TCP 流量競爭資源將導致較大的傳輸時延和抖動，使得傳統(tǒng)以太網(wǎng)無法滿足實時音視頻業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸需求［1］。為此，2006 年成立的IEEE AVB（Audio Video Bridging）工作組制定了一組802.1 以太網(wǎng)標準，包含802.1AS，802.1Qat，802.1Qav 等協(xié)議，該標準通過采用預留帶寬、流量優(yōu)先級和時間同步等技術來提供低傳輸時延的以太網(wǎng)服務。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）對以太網(wǎng)實時通信需求的迅速增長，2012年AVB 工作組更名為TSN（Time-Sensitive Networking）工作組，TSN 工作組通過擴展AVB 技術以統(tǒng)一解決網(wǎng)絡傳輸?shù)臅r效性問題。例如，TSN 在AVB 基礎上引入了時間調度流量（Time-scheduled traffic）和幀搶占（Framepreemption）機制，并且允許采用不同協(xié)議的時間敏感數(shù)據(jù)流和非時間敏感數(shù)據(jù)流混合交錯傳輸。此外，TSN 可以在數(shù)據(jù)源頭獲取精確的數(shù)據(jù)信息，快速診斷和及時修復網(wǎng)絡中出現(xiàn)的各種傳輸異常［2］。

時間敏感網(wǎng)絡（Time-Sensitive Networking，TSN）協(xié)議族的主體位于OSI 網(wǎng)絡模型的第2 層，即數(shù)據(jù)鏈路層，屬于IEEE 802.1 協(xié)議體系。TSN 在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎構架上重新定義了流量傳輸機制，利用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的包頭進行數(shù)據(jù)傳輸，適用于任何以以太網(wǎng)為傳輸媒介的應用場景，實現(xiàn)了現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡的技術突破。具體而言，TSN引入的新技術主要包括時間同步、時間感知調度、流量整形和調度以及冗余備份路徑機制等。通過綜合應用這些新技術實現(xiàn)的具有時間敏感特性的TSN 可以為上層業(yè)務提供具有確定性時延特征的信息傳輸。

1 研究概況

隨著信息網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，通信主體不再局限于人與人，人與物以及物與物為通信主體的通信業(yè)務日趨增加。面對互聯(lián)網(wǎng)通信主體的更新變化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等許多應用場景對數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和低時延的要求愈加嚴格。為滿足上述場景的數(shù)據(jù)傳輸需求，許多標準化組織和行業(yè)提出了諸如HSE、Profinet、EtherCAT、TCnet 等協(xié)議［3-5］，但由于這些協(xié)議互不兼容，其發(fā)展和應用受到諸多限制，在這種背景下TSN應運而生。

TSN 是一項從音視頻數(shù)據(jù)領域延伸到汽車領域并進一步推廣至工業(yè)領域的信息網(wǎng)絡技術。

2006 年IEEE 成立AVB 任務小組［6］，于2012 年更名為TSN 任務組，研究領域從原來的音/視頻拓展到車載網(wǎng)絡和工業(yè)控制網(wǎng)絡。2015 年TSN 和Interworking任務組合并，研究TSN 在運營商骨干網(wǎng)領域的標準。2017 年IEEE 與IEC 聯(lián)合建立60802 工作組，主要研究TSN在工業(yè)控制網(wǎng)絡的應用方案。2019年TSN任務組開始研究TSN 在車載控制網(wǎng)絡應用的標準。近年來，TSN 技術在各個應用場景不斷發(fā)展，并將與OPC UA、5G 和邊緣計算等新技術進行深度融合，實現(xiàn)TSN 在不同領域的創(chuàng)新應用［7］。截至2022 年8 月，已經(jīng)發(fā)布的TSN主要標準參見表1，部分研制中的標準見表2［8］。

表1 已發(fā)布的TSN標準

表2 研制中的部分標準

國內(nèi)外相關組織和研究院近年來也高度重視TSN的理論研究和實際應用。在2016年的SPS上，CISCO、NI、KUKA、Parker、SEW、TTTech 等主流的自動化與IT廠商都宣布了對OPC UA TSN 的支持。2018 年11 月27 日，在德國紐倫堡電氣自動化系統(tǒng)及元器件展（SPS IPC）上，CC-Link 協(xié)會正式發(fā)布最新的開放式工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議——CC-Link IE TSN。2019 年起，北京郵電大學、南京紫金山實驗室和廣東通信與網(wǎng)絡創(chuàng)新研究院從學術和產(chǎn)業(yè)角度研究了面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的確定性網(wǎng)絡的技術和市場需求。同年，PI 組織（工業(yè)通信組織）發(fā)布了新的使用TSN 技術的ProfiNet 協(xié)議。OPC UA 基金會也成立工作組，目標在于將TSN 技術和OPC UA 規(guī)范融合。2020 年，中國鐵道科學研究院基于以太網(wǎng)技術分析驗證了TSN 在列車以太網(wǎng)通信技術中應用的可行性。如今，市場上許多知名企業(yè)都投入TSN 領域的布局與研發(fā)生產(chǎn)中，例如華為、Intel、MOXA、研華等，先后推出了不同層級的TSN 相關產(chǎn)品。虹科電子也在2020 年推出TSN IP 核的開發(fā)方案以及TSN 端/橋設備的使用方案，致力于幫助國內(nèi)企業(yè)更快速、簡單地使用和集成TSN 技術［9］。2021 年，OpenTSN 項目組自主研發(fā)了一款低功耗TSN 芯片-楓林一號，以滿足確定性組網(wǎng)需求［10］。美國微芯科技公司（Microchip Technology Inc）同年發(fā)布SparX-5i 系列以太網(wǎng)交換機，提供了業(yè)界最全面的TSN 功能集［11］。2021 年4 月，ITU 在uRLLC R16 方面除了引入對工廠自動化、車聯(lián)網(wǎng)以及智能電網(wǎng)場景的支持，還考慮支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IIOT——Industrial IoT），滿足TSN 對接5GS［12］。MPLS-TSN 草 案［13］提 出MPLS 和TSN 需要協(xié)同提供服務保護、資源分配和顯性路由，但并未提供具體的網(wǎng)絡互聯(lián)方法。

總體來看，TSN 技術已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的關注重點，國外的自動化廠商、通信設備廠商以及行業(yè)組織對TSN 的研究都較優(yōu)先于國內(nèi)。隨著工業(yè)4.0 時代的到來，TSN+OPC UA、TSN+邊緣計算、TSN+5G 成為了國內(nèi)外的熱門研究。目前，TSN 與眾多技術的融合互通仍處于研究階段，各大廠家的TSN 設備并未做到對全部協(xié)議族的支持，如何完善接口協(xié)議和增強應用適配能力也成為今后TSN發(fā)展的技術重難點。

2 關鍵技術

2.1 系統(tǒng)架構

2018 年發(fā)布的IEEE 802.1Qcc 標準正式制定了TSN 的系統(tǒng)架構［14］，該系統(tǒng)架構非常類似于軟件定義網(wǎng)絡（SDN）的3 層架構，包含應用層、控制層和網(wǎng)絡層3個層次，如圖1所示。

圖1 IEEE 802.1Qcc的TSN系統(tǒng)架構

網(wǎng)絡層由各種網(wǎng)絡轉發(fā)設備組成，主要用于數(shù)據(jù)的轉發(fā)傳輸，同時將網(wǎng)絡狀態(tài)和自身資源信息上傳給控制層，用于全網(wǎng)監(jiān)控，并依據(jù)應用需求和網(wǎng)絡當前狀態(tài)做出動態(tài)調整?？刂茖又械木W(wǎng)絡控制器（NC）利用北向接口向上面的應用層開放網(wǎng)絡資源和能力，利用南向接口向轉發(fā)節(jié)點下發(fā)定制策略，實現(xiàn)設備監(jiān)控、拓撲發(fā)現(xiàn)、流量監(jiān)控等功能。此外，該層的網(wǎng)管系統(tǒng)提供運維服務，并實時監(jiān)控網(wǎng)絡狀態(tài)。應用層為各類業(yè)務應用提供接入TSN 的接口，用戶控制器（UC）通過北向接口按需向用戶提供自適應服務，支持在線測量以及運維相關協(xié)議，實現(xiàn)全網(wǎng)拓撲發(fā)現(xiàn)、狀態(tài)檢測和業(yè)務動態(tài)調度等功能。

基于IEEE 802.1Qcc標準提出的TSN體系架構，給出了一種TSN 網(wǎng)絡分層模型如圖2 所示，該分層模型同樣包括應用層、控制層和網(wǎng)絡層3層。其中，應用層的CUC 負責采集終端業(yè)務的帶寬、時延、抖動等網(wǎng)絡服務質量需求，并將其轉換后通過北向接口發(fā)給CNC，向用戶提供網(wǎng)絡能力。應用層借助控制層提供的網(wǎng)絡資源和狀態(tài)信息基于業(yè)務應用要求進行智能化的網(wǎng)絡應用及運維；控制層通過流預留協(xié)議來實現(xiàn)OPC UA 的發(fā)布—訂閱模式，通過添加CNC 網(wǎng)絡組件來實現(xiàn)TSN 的網(wǎng)絡功能和服務，具有計算拓撲路徑等網(wǎng)絡功能，通過南向接口下發(fā)更新路由路徑、門控列表等配置信息到TSN 交換機。TSN 工作組發(fā)布了一系列與Yang模型定義相關的標準草案，如基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)語言的信息模型和Yang 數(shù)據(jù)模型，基本的橋配置，結合Netconf 實現(xiàn)的時間感知整形、幀搶占、流過濾和策略的配置以及結合Netconf 的包復制和消除機制的配置；網(wǎng)絡層在設備中集成802.1AS 精確時鐘同步協(xié)議，并支持流預留、入端口每流過濾和策略、出端口時間感知整形、Yang數(shù)據(jù)模型等功能。

圖2 TSN的分層模型

2.2 時間同步

為了使全網(wǎng)絡圍內(nèi)的各個設備之間能夠協(xié)調配合，使數(shù)據(jù)幀能按照正確的時序到達下一個設備以保障數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡上順暢傳輸，TSN 中所有設備都必須在時間上保持高度一致，即TSN 必須基于可靠的時間同步協(xié)議來提供嚴格的時間同步。

經(jīng)典的網(wǎng)絡時間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）雖已得到了廣泛的應用與發(fā)展，但是時間精度僅限于微秒級別，不能滿足TSN 要求的亞微秒級精度。TSN 使用的精密時鐘同步協(xié)議源自于IEEE 1588V2協(xié)議，又稱精確時間協(xié)議（Precise Time Protocol，PTP），主要用于以太網(wǎng)和分布式計算網(wǎng)絡中各時間節(jié)點的時鐘同步［15］。在局域網(wǎng)環(huán)境中，PTP 可實現(xiàn)亞微秒級的時鐘精度，使其適用于測量和控制系統(tǒng)［16］。PTP 協(xié)議的同步過程主要包括主時鐘選擇、傳播時延和時鐘偏差計算以及偏差校準3 個階段［17］。PTP 協(xié)議的報文主要有同步、跟隨、延遲請求、管理4種報文，具體的報文收發(fā)流程如圖3 所示。主時鐘周期發(fā)送同步報文，并且依據(jù)主時鐘精確記錄同步報文發(fā)送的時間點t1。同步報文包含的時間戳是預發(fā)送時間點，而真正發(fā)出時間點在該同步報文發(fā)出后被記錄并由一個跟隨報文進行發(fā)送，然后從時鐘記錄下同步報文的到達時間t2。

圖3 PTP協(xié)議的報文收發(fā)流程

從時鐘發(fā)送時延請求響應報文并記錄發(fā)送時間點t3，主時鐘記錄報文到達時間點t4，然后把t4通過延時響應報文發(fā)送給從時鐘，此時從時鐘獲取到4 個確定的收發(fā)時間。在傳播路徑一致的情況下，2 次傳播時延可視為相等，且存時鐘偏差。根據(jù)圖3，可推算出：t2=t1+時延+偏差；t4=t3+時延-偏差。由此可以計算出延遲和偏差，然后通過修改本地時鐘來實現(xiàn)時間同步。

802.1AS-Rev 在802.1AS 的同步機制上擴充了冗余備份機制，包括主時鐘冗余和時鐘通路冗余。主時鐘冗余允許當前主時鐘和備份主時鐘同步運行，如果當前主時鐘發(fā)生問題，會立即切換到備份主時鐘，以確保系統(tǒng)正常運行。時鐘通路冗余規(guī)定每個主時鐘維護2條傳輸路徑，一條路徑發(fā)生故障或擁塞后，立即切換備用路徑。

2.3 時間感知流量調度和整形

2.3.1 時間敏感流量調度

時間感知流量調度是在時鐘同步的基礎上，對流量進行基于時間約束的傳輸調度，優(yōu)先執(zhí)行對時間因子更為敏感的數(shù)據(jù)傳輸。時間感知調度增加了時間維度，利用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）協(xié)議，把時間分割為固定周期長度的幀（也稱時元）；每一幀又分割為若干更細粒度的時間片，稱為時隙或時間槽。每個時隙被分配特定的以太網(wǎng)優(yōu)先級，不同優(yōu)先級的時隙構成一種虛擬信道，允許特定的實時流量能在非實時流量負載中交替?zhèn)鬏敚@著減小了突發(fā)故障或異常發(fā)送對實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。在使用TDMA 協(xié)議時，具體的時隙劃分應根據(jù)實際信道需求而定，并要兼顧通信實時性與網(wǎng)絡傳輸效率，時隙過小會導致效率低下，時隙過大則會降低傳輸?shù)膶崟r性。

上述的時間感知調度仍存在一些缺陷，如在一個時間段內(nèi)無法完成某個較大數(shù)據(jù)幀傳輸時，會導致該數(shù)據(jù)幀占用下一個周期的時間槽，進而造成傳輸故障或信息延遲。為此，TSN 工作組引入了保護帶機制。保護帶是在每個時間周期結束前劃分的一個時間段，規(guī)定在保護帶內(nèi)不允許有新的幀進行傳輸，而保護帶之前的幀若沒有傳輸完畢可以在保護帶內(nèi)繼續(xù)傳輸。因此，保護帶時長應不小于此鏈路中最長幀的傳輸時間。采用保護帶的時間敏感調度如圖4所示。

圖4 采用保護帶的時間敏感調度

網(wǎng)絡時延由傳播時延、處理時延、轉發(fā)時延、排隊時延等構成。在特定網(wǎng)絡場景下，傳播時延和處理時延一般可以確定，轉發(fā)時延通常較小可以忽略，而排隊時延有很強的不確定性。使用傳統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)先級隊列調度［18］不足以解決不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀的傳輸時效問題。例如，當一個低優(yōu)先級的幀已開始傳輸，即使有更高優(yōu)先級的幀到達，也需等到當前幀傳輸完畢，這樣會引入最長為以太網(wǎng)最大傳輸時間的時延，并且這種時延可以在多個節(jié)點累計，難以準確估計。為此，IEEE 802.1Qbu［19］和IEEE 802.3br［20］2 個標準都引入了提供延遲保障的幀搶占協(xié)議，該協(xié)議通過修改前導碼，將正常的以太網(wǎng)幀分為2 類：高優(yōu)先級的EMAC 幀和低優(yōu)先級的PMAC 幀。幀搶占工作原理簡述如下：如果在當前的傳輸線路上已經(jīng)有低優(yōu)先級幀在傳輸，高優(yōu)先級幀可視情況向低優(yōu)先級幀發(fā)出切片傳輸中斷的請求，并判斷是否能對低優(yōu)先級幀實施切片操作，如果滿足條件，則會在適當位置中斷低優(yōu)先級幀的傳輸并開始傳輸高優(yōu)先級幀。同時，被中斷的低優(yōu)先級幀會添加一個適當?shù)囊龑Тa，以便在高優(yōu)先級幀傳輸結束后繼續(xù)傳輸，接收端根據(jù)引導碼將切片的低優(yōu)先級幀重新組裝成完整的幀。

2.3.2 時間感知流量整形

流量整形技術是一種主動調控網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速度的技術。流量整形器將待發(fā)送的數(shù)據(jù)流量按需進行調整，調整為滿足TSN傳輸需求的形式再進行轉發(fā)。流量整形能減少數(shù)據(jù)在節(jié)點等待排隊的時間，減少丟包可能性，減小轉發(fā)節(jié)點的等待區(qū)空間大小。整形后的數(shù)據(jù)將以一種更為平滑的方式在網(wǎng)絡上傳輸，從而顯著改善網(wǎng)絡業(yè)務的服務性能［3］。時間感知整形（TAS）是在IEEE 802.1 Qbv 標準中被正式提出的［21］，旨在優(yōu)化不同優(yōu)先級幀的傳輸性能。TAS將通信時長分為等長周期，并利用門控列表決定當前優(yōu)先級的數(shù)據(jù)隊列能否進行傳輸，并視情況在某個特定時間片內(nèi)暫停低優(yōu)先級流量的傳輸，只允許時間敏感的高優(yōu)先級流傳輸，降低了普通流量對時間敏感流的影響，有效降低了時間敏感數(shù)據(jù)的傳輸時延和和時延抖動，保證信息傳遞的時效性。

2.4 冗余路徑機制

鑒于網(wǎng)絡通信中存在著大量難以預測的異常和突發(fā)故障，可能會導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮^大延遲甚至數(shù)據(jù)丟失，破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。為了緩解這種意外情況，TSN 引入了冗余路徑機制，在當前路徑發(fā)生故障時，允許流量及時切換至另一條處于激活狀態(tài)的備用路徑。802.1CB 協(xié)議主要負責數(shù)據(jù)的冗余備份傳輸，利用冗余機制解決環(huán)路網(wǎng)絡拓撲中可能由CRC、線路開路及節(jié)點故障等導致的信息傳輸錯誤或丟失問題。冗余傳輸路徑具體實現(xiàn)時，數(shù)據(jù)幀在傳輸前需要首先進行復制，然后分別通過2 條路徑進行傳輸。當?shù)?份數(shù)據(jù)幀可靠到達目標管理節(jié)點后，會被轉發(fā)至應用層，隨后第2份到達的冗余數(shù)據(jù)幀則會被識別并丟棄。當然，冗余路徑機制并不將同一數(shù)據(jù)流限制為2 條冗余路徑，它可以支持多條路徑同時傳輸。實施冗余路徑機制時，被發(fā)送的數(shù)據(jù)會被打上特殊的標簽和序列號，經(jīng)過不同節(jié)點復制傳輸。在進行數(shù)據(jù)幀匯聚時，會選擇優(yōu)先到達的數(shù)據(jù)，其他的復制數(shù)據(jù)幀將被丟棄，防止下一節(jié)點處理重復數(shù)據(jù)。

3 結語

TSN是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎上發(fā)展而來的用以提供確定性信息傳輸?shù)臉藴驶W(wǎng)絡技術。目前，TSN 處于快速發(fā)展階段，相關標準研究也在穩(wěn)步推進，并已得到工業(yè)界的普遍認可，成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的關鍵支撐技術之一。例如，隨著遠程管理運維系統(tǒng)和工業(yè)大數(shù)據(jù)采集分析等需求的涌現(xiàn)，工業(yè)網(wǎng)絡和標準以太網(wǎng)之間的深度融合變得迫在眉睫［22］，TSN 可支持時間敏感的控制流量與非時間敏感的普通以太網(wǎng)流量共存?zhèn)鬏?，并且具有實時性、低延遲和去抖動的特點，有著廣闊的應用場合和良好的發(fā)展前景。