作者：研究小组
由于以太网的普及度高，针对以太网的实时应用衍生出多种技术。2001年，贝加莱推出了工业领域应用的以太网POWERLINK；2003年，Siemens基于Profibus开发了PROFINET；Rockwell、ABB基于DeviceNet开发了Ethernet/IP;Beckhoff 开发了EtherCAT；Rexroth基于SERCOS开发了SERCOSIII。这些实时以太网通常采用HUB透传的方式，不支持交换机。实时以太网与标准以太网无法在同一网络中进行数据传输。
工业4.0要求IT与OT深度融合，工控现场所需的实时数据和生产管理所需的非实时数据能够通过统一网络传输，在统一的数据平台处理与分析，并能够下发到各个控制器执行。
TSN 是IEEE802.1的扩展协议，旨在提升以太网的性能，使其更具备确定性、鲁棒性、可靠性，通过IEEE802网络保证数据包的延迟、抖动、丢包，实现IT与OT流量的统一承载。
TSN定义
IEEE802.1于2007年创建了AVB（音视频桥接）任务组，目标是用以太网取代家庭中的HDMI、扬声器和同轴电缆。AVB仅适用于桥接的第2层网络。2012年，IEEE802.1AVB任务组更名为时间敏感网络任务组（TSN）任务组。TSN扩展了AVB技术，成为基于以太网的新一代网络标准，具有时间同步、延时保证等实时性功能。TSN主要应用于汽车控制、工业控制、智能电网、5G等领域。
TSN是符合IEEE802.1Q标准的VLAN，在标准的以太帧中插入4个字节长度的VLAN tag。TSN通过VLAN tag中的PCP（Priority Code Point）和VID（VLAN ID）定义流的不同优先级。
TSN VLAN tag各字段的含义如下：
1）Tag Protocol Indentifier：16bit长度，标签协议识别，标识TSN网络，数值为0X8100。
2）Priority Code Point：3bit长度，优先级代码，标识流量优先级，3位PCP定义了8个优先级，传输类型对应关系参见表1。
3）Drop Eligible Indicator：1bit长度，丢弃标识位，对于低QoS要求的数据可置位，网络拥塞时可丢弃，以确保高优先级数据的QoS。
4）VLAN Identifier（VID）：12bit长度，VLAN网络的识别号。VID=0用于识别帧优先级，VID=FFF作为预留，其余值用于标识VLAN。
TSN协议栈
TSN协议栈包括五大类组件：时钟同步组件、可靠性组件、时延控制组件、资源管理组件。
（1）时间同步组件
TSN中，所有的任务都是基于基准时间的，精准的时钟同步是TSN工作的基础。TSN采用IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-REV实现时间同步。IEEE802.1AS在IEEE1588的基础上对其进行了删减调整，形成了更具针对性的时间同步机制。IEEE802.1AS又被称为gPTP广义时钟同步协议，嵌入在MAC层硬件中，在链路层工作，对数据帧插入时间信息，传输至每个网络节点，在最大7跳的网络环境中，能够保证时钟同步误差在1uS以内。IEEE802.1AS-REV作为IEEE802.1AS的更新版本，支持WIFI连接类型，增加了多时域时间同步的功能和冗余能力，当域内GM（Grand Master）时钟发生故障时，能够快速切换到其他域时钟，同时提高了时间测量精度。
（2）延迟控制组件
TSN延迟控制通过流量整形机制实现。流量整形通过为高优先级流量提供确定的传输时隙确保传输时延，避免突发流量造成的重传和丢包。
流量整形标准包括：
IEEE802.1Qav（Forwarding and Queuing for Time-Sensitive Streams，FQTSS）：基于信用指标将传输时间分为高优先级流量和普通优先级流量两类时隙，单跳延迟≤250us，增加了网络平均延迟，主要用于音视频流量。
IEEE802.1Qbv（Time-aware Shaper，TAS）：所有网络节点时间同步，利用门控列表控制不同优先级队列的传输。该协议有效减小了传输时延，可以提供更精确的确定性时延保障，但是配置复杂，对网络节点的同步精度要求高。同时要求保护间隔（保护间隔与最大可能的干扰帧长度相同）。
IEEE802.1Qch（Cyclic Queuing and Forwarding，CQF）：通过同步入口和出口队列操作，实现了与网络拓扑无关的零拥塞和有界延迟，但是对网络节点的时间同步要求高。CQF与FQTSS兼容。CQF与802.1Qbv、802.1Qbu/802.3br相结合能够降低最小周期时间。
IEEE802.1Qcr（Asynchronous Traffic Shaping， ATS）：采用基于紧急度的调度机制，紧急度高的数据可以优先传输。ATS以异步形式运行，桥和终端节点无需时钟同步。
IEEE802.1Qbu（Frame Preemption，FP）：帧抢占机制，允许高优先级的流量抢占低优先级流量传输时隙。帧抢占造成的低优先级帧中断在下一个网桥中被重新整合成完整的帧。Qbu能显著减小保护间隔长度。
（3）资源管理组件
TSN的资源管理有两类机制，包括分布式管理和集中式管理。
资源管理协议有如下几类：
IEEE802.1Qat流预留协议（Stream Reservation Protocol， SRP）：采用分布式的注册和预留方式，使用48位扩展唯一标识符识别业务流。注册请求的变更有可能使网络过载从而导致关键流量的延迟。
IEEE802.1Qcc（TSN configuration）：高速通道带宽预留协议，是SRP的增强模式，采用集中式的管理方式，通过集中式的网络配置节点（Centralized Network Configuration，CNC）通过远程管理协议（如NETCONF或RESTCONF）执行资源预留，通过改善预留消息大小和频率，改善关键流量类的延迟。此外，远程可配置性，支持NETCONF网络配置协议服务，YANG被用作NETCONF上的数据建模语言。
IEEE802.1Qcp（Basic YANG）：面向桥接的YANG数据模型可结合NETCONF在网桥之间实现基本桥接配置数据的通信。
IEEE802.1Qcx（YANG for CFM）：连接失败YANG数据模型。基于UML（Unified Modeling Language）定义了信息模型和YANG数据模型。
IEEE802.1ABcu（YANG for LLDP）：LLDP 的YANG数据模型。
IEEE802.1Qcw（YANG for Qbv，Qbu & Qci）：面向Qbv、Qbu、Qci的YANG模型扩展了802.1Qcp的功能，结合NETCONF支持在网桥之间实现调度、抢占和监督配置数据的通信。
IEEE802.1CBcv（YANG & MIB for FRER）：扩展了802.1Qcp功能，结合NETCONF支持在网桥之间实现冗余配置数据的通信。
IEEE802.1CBdb（Extended Stream Identification）：FRER扩展流识别功能。
IEEE802.1CS（Link-local Registration Protocol）：本地链路预留协议，在点对点链路的两端之间有效地复制MRP数据库，并在网桥报告新的网络状态时逐步复制更改。同时，提供清除功能，当此类数据库的源无响应时，删除复制的数据库。
IEEE802.1dd（Resource Allocation Protocol）：资源分配协议。
IEEE802.1Qdj（Configuration Enhancements）：TSN的配置增强。
IEEE802.1ABdh（LLDPv2）：支持多帧协议数据单元。
（4）传输可靠性组件
TSN传输可靠性保证协议：
IEEE802.1CB（FRER，Frame Replication and Elimination for Reliability）：在不相交的路径上发送关键流量的备份，主动实现无缝数据冗余。
IEEE802.1Qca（PCR，Path Control and Reservation）：提供显式转发路径控制所需要的协议，如预定义的保护路径、带宽预留、数据流冗余、流同步和流控制信息的控制参数的分配。
IEEE802.1AS-2020（Reliability for Time sync）：在IEEE802.1AS中添加了多域冗余和对“一步法”的支持，保障时间同步。
（5）安全协议
IEEE802.1X-2010 Network Access：基于端口的网络接入控制协议，在局域网接入设备的端口验证用户身份并控制访问权限。
IEEE802.1Qci-2017 PSFP（Per-Stream Filtering and Policing，单个流过滤和策略管理）：对转发前的数据进行筛选和过滤，对特定标识的数据帧加以控制。
IEEE802.1AEcg-2017（E2E）MACSec：通过密码技术认证数据起源，保护信息完整性并提供重放保护和保密性，通过提供逐跳的安全性，保护网络基础设施的可信赖部件之间的通信。
TSN的应用
通过对TSN协议栈中不同协议组件的有机组合，构建TSN不同的应用领域。
（1）TSN在音视频通信上的应用
音视频通信是TSN领域的基础性应用。IEEE802.1AVB工作组在传统以太网络的基础上制定了一系列标准，建立保障带宽、限制延迟、精确时间时间同步的音视频以太网，支持实时音视频流在普通数据流中的传输。AVB增强了传统以太网中传输音视频的实时性，同时又能兼容传统以太网。
AVB是一系列IEEE802.1标准集合。
主要包括六个协议：
1）媒体传输协议1722-2011；
2）精准时间同步协议IEEE802.1AS-2011；
3）流预留协议802.1Qat（SRP）；
4）流量整形采用了802.1Qav；
5）安全协议802.1X-2010；
6）以及AVB系统标准802.1BA。
IEEE802.1BA定义了一系列在生产制造AVB兼容设备过程中使用的预设值。
AVB网络系统包括端节点和AVB交换机。端节点既可以做Talker，也可以做Listener。AVB交换机提供时间敏感数据转发功能。
AVB发送和接收音视频数据流的特性：
1）系统的延时降至2ms以下；
2）传输质量有保证，软硬件均支持QoS；
3）支持256种不同格式音视频数据流在同一个网络中传输，且互不干扰。
（2）TSN在汽车领域的应用
IEEE802.1DG草案定义了车内以太通信网络配置要求，用以保障车内应用对安全性、高可靠性、高可用性、可维护性以及限定延时的要求。
在IEEE802.1DG草案中传输协议采用了1722-2016；时钟同步采用802.1AS-2020（冗余gPTP）；流预留采用802.1Qcc-2018、802.1Qca-2015；流整形采用802.1Qbv-2015、802.1Qbu-2016、802.1Qch-2017；可靠性协议：802.1CB-2017、802.1AS-2020；安全协议采用802.1Qci-2017、802.1AEcg-2017。
其他应用领域还包括移动fronthaul网络（IEEE802.1CM Fronthaul for cellular networks/802.1CMde Amendment for Fronthaul)；工业自动化（60802，Industrial Automation）；电力自动化。
小 结
随着OT与IT的融合，TSN网络将得到更快的发展。TSN在网络二层实现了网络的确定性，能够兼容有线、无线的物理接入方式，在汽车控制、工业控制、智能电网、5G等领域有着广阔的应用场景。
参考：
http://www.elecfans.com/tongxin/123/20171107576304.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/265799490
http://i4.cechina.cn/20/0218/09/20200218092258.htm
未来网络白皮书——确定性网络技术体系白皮书（2021版）
