隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的興起和工業(yè)4.0的提出，越來越多的設(shè)計師、工程師和最終用戶關(guān)注TSN（Time-Sensitive Networking，時間敏感網(wǎng)絡(luò)）。TSN為以太網(wǎng)提供確定性性能，本質(zhì)上是一個確定性以太網(wǎng)擴展集，同時也是音頻視頻橋接 （AVB） 的后繼者。那TSN到底是什么呢？在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中扮演什么角色？這些年發(fā)展的怎樣？下面扒一扒TSN的前世今生。
閱讀《從Ethernet到TSN：實時通信一小步，工業(yè)4.0一大步》可深入了解TSN.
TSN源于何處？
TSN是一項從視頻音頻數(shù)據(jù)領(lǐng)域延伸至工業(yè)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域的技術(shù)。TSN最初來源于音視頻領(lǐng)域的應用需求，當時該技術(shù)被稱為AVB，由于針對音視頻網(wǎng)絡(luò)需要較高的帶寬和最大限度的實時，借助AVB能較好的傳輸高質(zhì)量音視頻。
2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}。這一點立刻受到來自汽車和工業(yè)等領(lǐng)域人士的關(guān)注。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網(wǎng)的應用需求和適用范圍，并同時將任務組名稱改為現(xiàn)在的：TSN任務組。TSN是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的新一代網(wǎng)絡(luò)標準，具有時間同步、延時保證等確保實時性的功能。
TSN有何用武之地？
TSN使用標準以太網(wǎng)提供分布式時間同步和確定性通信。因此，任何需要分布式測量或控制的應用都可以從TSN中受益。客戶可使用TSN進行簡單的分布式同步測量、下一代計算機數(shù)控加工的改進、新型半導體加工機器以及未來的電網(wǎng)研究等。在其他行業(yè)的應用包括：
視頻/音頻傳輸
如前所述，TSN最初來源于視頻領(lǐng)域的應用需求。傳輸音頻和視頻信息的網(wǎng)絡(luò)需要遵守嚴格的時序規(guī)則。如果音頻或視頻分組不能按指定的時序規(guī)則到達目的地，則接收設(shè)備（例如視頻屏幕或揚聲器）可能會發(fā)生視頻幀被丟棄、音頻偽像的情況。此外，這種網(wǎng)絡(luò)還需要可預測的延遲，保證視頻和相關(guān)音頻流之間的同步。另一方面，足球賽事的實況轉(zhuǎn)播有很多高清的數(shù)據(jù)要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)教幚碇行模瑢挼男枨髽O大。而且為了最大限度的提供實時性，這些圖像、音頻必須實現(xiàn)高實時的傳輸與處理，可以想象其對帶寬和實時性的需求。
音頻視頻橋接
汽車駕駛
目前大多數(shù)的汽車控制系統(tǒng)非常復雜。比如說：剎車、引擎、懸掛等采用CAN總線。而燈光、車門、遙控等采用LIN系統(tǒng)。娛樂系統(tǒng)更是五花八門，有FlexRay和MOST等目前的車載網(wǎng)絡(luò)。實際上，所有上述系統(tǒng)都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統(tǒng)一管理。可以降低給汽車和專業(yè)的A/V設(shè)備增加網(wǎng)絡(luò)功能的成本及復雜性。
典型的汽車A / V系統(tǒng)
在車輛中，實時功能對于某些應用至關(guān)重要。 為確保這些實時功能可用，必須在以太網(wǎng)控制器中設(shè)置具有直接訪問硬件資源的機制。TSN使構(gòu)建可擴展的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)成為可能。為此，不同的消息按照其可用性分為了不同的等級，并對其延遲和優(yōu)先級進行了分類，每個消息類被分配到一個固定的帶寬。此外，TSN還支持冗余以太網(wǎng)系統(tǒng)，并且，為確保穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換，定義了安全標準。
以太網(wǎng)AVB如何在汽車流媒體應用中發(fā)揮核心作用
IEEE音頻/視頻橋接工作組定義了相關(guān)機制和協(xié)議，以確保低延遲數(shù)據(jù)正常交換、并在時間上同步應用。音頻/視頻橋接（AVB）主要應用在娛樂系統(tǒng)。如今駕駛員輔助系統(tǒng)的廣泛引入，要求在發(fā)送和接收行為方面有更嚴格的規(guī)范。因此，IEEE TSN工作組延續(xù)了AVB的工作，該工作組的重點是研究確定性數(shù)據(jù)傳輸機制，進一步減少以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的延遲，更加穩(wěn)定和安全地傳輸數(shù)據(jù)。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是未來TSN最廣泛的一個應用，所有需要實時監(jiān)控或是實時反饋的工業(yè)領(lǐng)域都需要TSN網(wǎng)絡(luò)。比如：機器人工業(yè)、深海石油鉆井以及銀行業(yè)等等。
標準以太網(wǎng)的本質(zhì)是一種非確定性網(wǎng)，但在工業(yè)領(lǐng)域必須要求確定性，一組數(shù)據(jù)包裹必須完整、實時、確定性的到達目的地，因此較新的TSN標準增加了中心控制、所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時間同步以及更低的延遲等特性。為了達到盡可能低的絕對延遲，IEEE 802.1Qbv定義了一個時間感知整形器，它可以無視定時流量門的存在。想象一下，你在曼哈頓從時代廣場開車到運河街，通常需要22分鐘。現(xiàn)在你的行程已經(jīng)計劃安排好，如果你準時出發(fā)，以60英里/小時的速度行駛，那么在2.7分鐘后就能到達運河街，TSN消除了標準以太網(wǎng)由于交通“擁堵”導致的非確定性。
TSN除了解決以太網(wǎng)的不確定性問題，還正在解決工業(yè)領(lǐng)域總線的復雜性問題。
如今工業(yè)中每種總線有著不同的物理接口、傳輸機制、對象字典，每種不同的技術(shù)背后都有不同的廠商在支持，難以統(tǒng)一。而且即使是采用了以太網(wǎng)來標準各個總線，仍然會在互操作層出現(xiàn)問題，這使得對于IT應用，如大數(shù)據(jù)分析、訂單排產(chǎn)、能源優(yōu)化等應用遇到了障礙。
TSN還可以用于支持大數(shù)據(jù)的服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸。全球的工業(yè)已經(jīng)入了物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）的時代，毫無疑問TSN是改善物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)效率的最佳途徑。
TSN到底是何方神圣呢？
時間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） 通過以太網(wǎng)提供確定性性能，它的持續(xù)發(fā)展已導致 IEEE 802.1 和 IEEE 802.3 標準發(fā)生重大更新。IEEE802.3開發(fā)并維護以太網(wǎng)的PHY和MAC標準，IEEE802.1開發(fā)并維護Bridging（akaSwitching）標準。通過AVB、TSN,使得以太網(wǎng)進入硬實時領(lǐng)域應用。
TSN是一組以太網(wǎng)標準，允許通過802網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)時間同步的低延遲流服務。通過標準以太網(wǎng)，TSN創(chuàng)建了分布式，同步，硬實時系統(tǒng)的機制。這些系統(tǒng)使用相同的基礎(chǔ)架構(gòu)來提供實時控制并傳達所有標準IT數(shù)據(jù)，從而為控制、測量、配置、UI和文件交換基礎(chǔ)架構(gòu)的融合提供動力。通過基于時間定義隊列，TSN可確保通過交換網(wǎng)絡(luò)的流量具有有限的最大延遲。這意味著標準以太網(wǎng)現(xiàn)在可以：
通過交換網(wǎng)絡(luò)保證消息延遲
關(guān)鍵和非關(guān)鍵流量可以在一個網(wǎng)絡(luò)中融合
更高層協(xié)議可以共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)
實時控制可以遠離操作區(qū)域
子系統(tǒng)可以更容易地集成
可以在不進行網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備更改的情況下添加組件
可以更快地診斷和修復網(wǎng)絡(luò)故障
TSN并非涵蓋整個網(wǎng)絡(luò)，TSN其實指的是在IEEE802.1標準框架下，基于特定應用需求制定的一組“子標準”，旨在為以太網(wǎng)協(xié)議建立“通用”的時間敏感機制，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性。而既然是隸屬于IEEE802.1下的協(xié)議標準，TSN就僅僅是關(guān)于以太網(wǎng)通訊協(xié)議模型中的第二層，也就是數(shù)據(jù)鏈路層（更確切的說是MAC層）的協(xié)議標準。請注意，是一套協(xié)議標準，而不是一種協(xié)議，就是說TSN將會為以太網(wǎng)協(xié)議的MAC層提供一套通用的時間敏感機制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時間確定性的同時，為不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互操作提供了可能性。
TSN關(guān)鍵組件
由IEEE 802.1制定的TSN標準文檔可以分為三個基本關(guān)鍵組件。每個標準規(guī)范都可以單獨使用，并且主要是自給自足的。但是，只有在每個規(guī)范協(xié)同使用的情況下，TSN作為通信系統(tǒng)才能充分發(fā)揮其潛力。三個基本組成部分是：時間同步，調(diào)度和流量整形，通信路徑的選擇、預留和容錯。
時間同步在這方面，“時間敏感網(wǎng)絡(luò)”這個名稱已經(jīng)非常具有描述性。端到端（End-to-End）的傳輸延遲具有難以協(xié)商的時間界限，因此網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都需要共同的時間參考，需要彼此同步時鐘。
TSN網(wǎng)絡(luò)中的時間同步可以通過不同的技術(shù)實現(xiàn)。從理論上講，可以為每個終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機配備GPS時鐘。然而，這種方法不僅昂貴，而且無法保證GPS時鐘始終接入衛(wèi)星信號。由于這些限制，TSN網(wǎng)絡(luò)中的時間通常從一個中央時間源直接通過網(wǎng)絡(luò)本身分配，也就是使用IEEE 1588精確時間協(xié)議完成。除了普遍適用的IEEE 1588規(guī)范之外，IEEE802.1委員會已經(jīng)指定了一個IEEE1588的概要文件，稱為IEEE802.1AS。此配置文件背后的想法是將大量不同的IEEE 1588選項縮小到可管理的幾個關(guān)鍵選項，這些選項適用于汽車或工業(yè)自動化環(huán)境中得網(wǎng)絡(luò)。
調(diào)度和流量整形由于端口轉(zhuǎn)發(fā)機制的限制，在標準的以太網(wǎng)中，實時性是難以保證的。調(diào)度和流量整形允許在同一網(wǎng)絡(luò)上共存不同優(yōu)先級的流量類別，每個類別對可用帶寬和端到端延遲都有不同的要求。因此，所有參與實時通信的設(shè)備在處理和轉(zhuǎn)發(fā)通信包時需遵循相同的規(guī)則。
通信路徑的選擇，預留和容錯，所有參與實時通信的設(shè)備在選擇通信路徑、預留帶寬和時隙方面遵循相同的規(guī)則，可以利用多條路徑來實現(xiàn)故障排除，支持保護諸如安全相關(guān)的控制回路或車輛中的自動駕駛之類的安全應用，以防止硬件或網(wǎng)絡(luò)中的故障。
TSN的相關(guān)協(xié)議標準
AVB標準由同一工作組在IEEE開發(fā)，通過部署流量保留和整形，確保在指定的時間段內(nèi)，從發(fā)送方到接收方的網(wǎng)絡(luò)傳輸流量不會突然變化。盡管AVB標準有其自己的特性，但它缺少以太網(wǎng)中高確定性流量類所需的一些關(guān)鍵屬性。TSN的調(diào)度、搶占和冗余功能提供更確定的延遲，更高效的數(shù)據(jù)包傳輸概率，以及跨網(wǎng)絡(luò)中冗余路徑的無縫時鐘同步。
AVB Gen1功能
AVB是由IEEE 802.1時間敏感網(wǎng)絡(luò)任務組定義的一組規(guī)范，它們共同為音頻/視頻流應用提供低延遲，時間同步的服務。AVB規(guī)范包括：
流預留協(xié)議（SRP）[IEEE 802.1Qat]，
時間敏感應用的時序和同步[IEEE 802.1AS]
時間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊增強[IEEE 802.1Qav]用于流媒體類應用，例如汽車攝像頭和信息娛樂應用。
IEEE 802.1AS它用于實現(xiàn)高精度的時鐘同步。IEEE 802.1Qat流預留協(xié)議（SRP）解決網(wǎng)絡(luò)中音視頻實時流量與普通異步數(shù)據(jù)流量之間的競爭問題。通過協(xié)商機制，在音視頻流從源設(shè)備到不同交換機再到終端設(shè)備的整個路徑上預留出所需的帶寬資源，以提供端到端（End-to-End）的服務質(zhì)量及延遲保障。IEEE 802.1Qav 是實時數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)和隊列控制協(xié)議，為數(shù)據(jù)流發(fā)送端和交換節(jié)點提供一個成形的數(shù)據(jù)流服務。確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不會干擾到AVB的實時音視頻流。為了避免普通數(shù)據(jù)流量與AVB流量之間對網(wǎng)絡(luò)資源的競爭，AVB交換機內(nèi)對時間敏感的音視頻流和普通數(shù)據(jù)流進行了區(qū)別處理，將實時幀與異步幀分別進行排隊，并且賦予實時幀最高的優(yōu)先級。
AVB標準通過定義流預留（SR）流量類來確保服務質(zhì)量（QoS）。例如，A類提供2ms的最大延遲，而B類提供50ms的最大延遲，用于網(wǎng)絡(luò)中的七個躍點。汽車音頻設(shè)備可支持SR類，其觀測間隔大于AVnu聯(lián)盟起草的汽車要求的B類。
盡管有基于信用的公平隊列（CBFQ），但在最壞的情況下，由于在其他業(yè)務干擾期間沒有搶占式調(diào)度，AVB流量仍然會在每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上延遲，因此還需要AVB Gen2。
TSN（AVB Gen2）功能
時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是由IEEE 802組開發(fā)的一套標準，它提供以下功能：
時間敏感應用的定時和同步，IEEE802.1ASbt
計劃流量的增強功能，IEEE802.1Qbv
Frame Preemption，IEEE802.1Qbu
冗余網(wǎng)絡(luò)的路徑控制和保留，IEEE802.1Qca
流保留協(xié)議（SRP）增強功能支持IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1 Qca / IEEE802.1CB，IEEE802.1Qcc
無縫冗余，IEEE802.1CB
IEEE 802.1ASbt是對IEEE 802.1AS的增強。IEEE 802.1ASbt增加了對一步時間戳的支持，相對于IEEE 802.1AS中的兩步過程，這減少了在網(wǎng)絡(luò)中傳送定時信息的分組數(shù)量。在具有時間感知系統(tǒng)的daisy-chain網(wǎng)絡(luò)中，分組流量和計算能力的減少是有用的。IEEE 802.1ASbt通過預先選擇好備用主時鐘，并確保在發(fā)生故障時快速地切換，來提高網(wǎng)絡(luò)的響應能力。這符合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中無縫切換（優(yōu)選零時間）的要求。
IEEE 802.1Qbv時間感知隊列通過時間感知整形器（Time Aware Shaper，TAS）使TSN交換機能夠來控制隊列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標識并指派給基于優(yōu)先級的VLAN Tag，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊列報文在預定時間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊列將被鎖定在規(guī)定時間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個交換機的延遲是確定的，可知的。而在TSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報文延時被得到保障。
TAS介紹了一個傳輸門概念，這個門有“開”、“關(guān)”兩個狀態(tài)。當傳輸?shù)倪x擇過程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊列的門是“開”狀態(tài)的信息。TAS保障時間要求嚴苛的隊列免受其它網(wǎng)絡(luò)信息的干擾，它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當優(yōu)先級非常高時，搶占機制可以被使用。
IEEE 802.1Qbv主要為那些時間嚴苛型應用而設(shè)計，其必須確保非常低的抖動和延時。IEEE 802.1Qbv確保了實時數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實時數(shù)據(jù)的交換。
IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr轉(zhuǎn)發(fā)與隊列機制是IEEE以太網(wǎng)標準的新補充，可以在信息傳輸?shù)臅r候讓高優(yōu)先級的幀打斷低優(yōu)先級的幀，最大限度地降低高優(yōu)先級信息流的延遲。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應用方面，搶占可以進一步將不同技術(shù)的多個網(wǎng)絡(luò)融合在一個以太網(wǎng)和IP的基礎(chǔ)架構(gòu)里，可以實現(xiàn)自動化操作以及訂單控制生產(chǎn)。通過大幅降低低優(yōu)先級信息流對重要信息流的影響，兩種信息流可以混合在同一鏈路上。
IEEE802.1Qcc Qcc用于為TSN進行基礎(chǔ)設(shè)施和交換終端節(jié)點進行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由1或多個CUC（集中用戶配置）和1個CNC（集中網(wǎng)絡(luò)配置）構(gòu)成。CUC制定用戶周期性時間相關(guān)的需求并傳輸過程數(shù)據(jù)到CNC，CNC計算TSN配置以滿足需求。
IEEE 802.1Qca為數(shù)據(jù)流提供顯式路徑控制，帶寬和流預留以及冗余。它通過攜帶用于時間同步和調(diào)度的信息，使用IS-IS擴展了最短路徑橋接（SPB）的功能，以控制橋接網(wǎng)絡(luò)。它通過使用PCE（路徑計算元素）提供顯式轉(zhuǎn)發(fā)路徑控制。PCE是一個實體，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的表示計算出通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。IEEE 802.1CB依賴于IEEE 802.1Qca在從發(fā)送方到接收方的網(wǎng)絡(luò)中的不相交路徑上傳送消息。
IEEE802.1CB標準通過在發(fā)送端復制多個不相交路徑中的分組并消除多個點處的重復來提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，使得監(jiān)聽器僅看到一個分組。無縫冗余（IEEE802.1CB）與IEEE802.1Qca和零擁塞相結(jié)合，可在數(shù)據(jù)包傳輸中提供最佳的QoS。它使用冗余標記（類似于VLAN標記）中攜帶的序列編號來復制和消除網(wǎng)絡(luò)中的重復數(shù)據(jù)包。
TSN相關(guān)標準及進程
雖然成套的TSN特性還在繼續(xù)擴展，功能不斷改進，但現(xiàn)有標準提供了豐富的功能選擇，使基于標準的解決方案能夠在與傳統(tǒng)通信共存的網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)確定性，時間敏感，可靠的通信。
具體詳見https://1.ieee802.org/
圍繞TSN，都有哪些玩家呢？他們最近都在干什么呢？
TSN 不再只是一個理想化項目，而是已成為被行業(yè)組織認證的廣泛使用的標準。目前國內(nèi)外有大量的組織、企業(yè)在推動TSN發(fā)展。大量廠商正在對其進行測試與互操作測試。
在2016年的SPS上各個廠商宣布了對OPC UA TSN的支持，包括了ABB、B&R、Bosch Rexroth、CISCO、GE、NI、KUKA、Parker、Phoenix、Schneider、SEW、TTTech等主流的自動化與IT廠商。
2016年2月下旬，Bosch Rexroth、Schneider Electric、National Instruments和Kuka宣布他們將聯(lián)手開發(fā)全球首個TSN測試平臺。該測試平臺旨在將不同業(yè)務流量整合到以太網(wǎng)TSN網(wǎng)絡(luò)上。它將測試TSN的多供應商互操作性，以及其安全特性、性能、延遲、與基于云的控制系統(tǒng)的集成National Instruments主持測試平臺開發(fā)工作。其高管Eric Starkloff 評論說，TSN是“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的必要條件”，并強調(diào)其從專業(yè)視聽技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的融合式確定性以太網(wǎng)，可謂進步驚人。
2017年紐倫堡SPS展會上EPSG組織展臺展出的OPC UA TSN演示系統(tǒng)，針對200個I/O站、5個高清視頻，達到100μS的數(shù)據(jù)刷新能力。
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 ），CC-Link協(xié)會正式發(fā)布最新的開放式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議“CC-Link IE TSN”，宣布工業(yè)通信迎來新的變革時代。CC-Link IE TSN規(guī)范在全球率先將千兆以太網(wǎng)帶寬與時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN） 相結(jié)合，在確保控制數(shù)據(jù)通信的實時性的同時，實現(xiàn)在同一個網(wǎng)絡(luò)中與其它開放式網(wǎng)絡(luò)、以及與IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)“多網(wǎng)互連互通”。
結(jié)語
TSN的核心思維是提出了一個可互操作的系統(tǒng)，并支持多個制造商、協(xié)議和機構(gòu)在同一個網(wǎng)絡(luò)上共享，同時數(shù)據(jù)使用相同的語言進行解析，不僅可得，而且可用。作為底層的通用架構(gòu)，TSN使得更多企業(yè)可以在此架構(gòu)上實現(xiàn)OT和IT的融合。這種融合提高了工業(yè)設(shè)備的連接性和通用性，并且面向未來，為大數(shù)據(jù)分析、邊緣智能、新型業(yè)務提供了更快更好的發(fā)展路徑。