【AIOT科普大讲堂】第十七期：详解：TSN如何实现确定性的数据传输？

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传统网络朝着为用户提供互联服务、扩大业务带宽、保证服务质量的方向发展。直到现在，基于网络的服务主要以人为中心，几十毫秒的延迟并不是什么大问题。然而，随着机器对机器 (M2M) 和物联网 (IoT) 等应用的出现，网络服务面临着新的挑战，在车联网、工业互联网等场景下，即使最轻微的延迟也会导致服务中断。TSN（时间敏感网络）技术是 IEEE 802.1 标准化的一种基于以太网的网络技术，为需要超低延迟和高精度特性的应用提供服务。

背 景

以太网技术不仅被证明非常成功，更是一种存在于整个IT世界的通信方法。然而，到目前为止，还不存在对 IEEE 标准以太网的实时支持。当流量集中在某个特定节点上时，现有以太网可能会遇到数十毫秒或更长时间的流量延迟。已经成为企业网络的全球标准的以太网，还没有满足确定性的要求。

由第四次工业革命引发的工业自动化，如实时监控和高精度远程控制，需要高可用性和极低延迟（小于 1ms）的通信服务，虽然 IEEE 802.3 以太网是一种广泛部署的低成本技术，但它并不满足极低延迟和零丢失的确定性要求。为了实现确定性性能，大多数工厂选择继续使用现场总线技术和以太网的专有增强功能（例如 EtherCat、PROFINET 或 SERCOS III）。

因此，目前的工业网络并不统一，呈现出了不同的形态。这些单个产品的使用面临着低安全性和互操作性的限制，这也是目前工业互联网网络集成和向第四次工业革命过渡的障碍。

然而，TSN 的出现改变了局面。本文将讨论 TSN 是什么，它如何实现确定性通信，以及它的应用和局限性。

TSN概述

TSN的定义

TSN 是基于 AVB 开发的一套标准，旨在为网络上共存的各种时间敏感数据流提供零拥塞损失和有限延迟，具有延迟有限、数据包转发可靠、与以太网共存等优点。

TSN 通过引入新的流概念扩展了 IEEE 802 最佳网络模型，可增强流实时能力。换句话说，它可以被视为一种保证以太网网络中节点间数据到达时间的技术集。

TSN的优势

有限延迟和零拥塞损失

拥塞损失是网络节点中输出缓冲区的统计溢出，是尽力而为网络中丢包的主要原因。为了解决这个问题，TSN 通过将优先级的概念嫁接到一种类似于传统时分复用（TDM）的方法上进行传输。根据优先级为数据包分配可用的传输时间，因此保证了到达时间，即使出现瓶颈，也可以在不影响预定优先级的情况下进行传输。因此，TSN 在任何情形下都可以保证最坏情况的到达时间，这是传统以太网无法具备的明显优势。

可靠的数据包传递

除拥塞丢失外，丢包的最主要原因之一是设备故障。TSN 网络可以在传输过程中发送数据副本，并在目的地对重复数据进行删除。这样一来，所有的数据包都被复制并传输到目的地，所以不会因为单个设备故障而丢失单个数据包。这一特性与准时到达的优势相结合，使 TSN 功能更加强大。

与以太网共存，降低网络成本和复杂性

TSN 可以与传统的以太网方法共存。此外，非 TSN 流量可以使用 TSN 流未使用的任何约定带宽。由于它是在传统以太网的基础上实现的，因此无需更换设备，可以直接进行集成和管理。这对于 TSN 的应用来说是一个巨大的优势。

TSN如何实现确定性的数据传输？

确定性通信意味着保证和可靠。然而，标准以太网是概率性的，网络操作依赖于节点（或设备）“不会同时传输”的假设。当两个节点试图同时传输时，就发生了“冲突”，这使得数据无法在正确的时间内完成传输。

确定性通信是一个始终传递相同值或到达相同状态的网络。根据维基百科，确定性系统意味着“系统未来状态的发展过程中没有任何随机性”。如果我们将其应用于网络上，确定性通信可以理解为始终在同一时间准确传输事件的网络。

简而言之，确定性意味着可以保证数据传输时序在一定的误差范围内。那么，TSN又是如何实现确定性的数据传输？

时间同步（IEEE 802.1AS-REV）

参与 TSN 网络的所有设备都与全局时间同步，由 IEEE 802.1AS 标准 intel18处理。它确保在任何时间点，端点节点或交换机读取的本地计算机时间大致相同。

TSN/AVB 的时钟同步协议被标准化为 IEEE 802.1AS，与 IEEE 1588 标准有很大的重叠。IEEE 1588 精确时间协议 (PTP) 标准用于在网络上的设备和交换机之间分配准确的时间参考。它还允许基于外部参考（例如全球定位系统 (GPS) ）进行时间同步。

例如，假设有一个 TSN/AVB 网络，由五个连接的终端站（标签 1-5）和三个网桥（标签 AC）组成，如左图所示。左图中的网络使用右图中所示的具有时间同步的生成树连接。从这个例子可以看出，网桥 A 充当主时钟，为所有其他网桥和端点提供本地时间。

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时间同步前的TSN/AVB网络（左图）

使用生成树协议选择主时钟后（右图）

预定流量（IEEE 802.1Qbv）

TSN 使用 IEEE 802.1Qbv 的时间感知整形器来实现确定性交付的流量优先级。时间感知整形器将时间划分为周期，然后通过将周期划分为时隙来分配周期。每个时隙可以分配八个以太网优先级中的一个或多个。

下图显示了原理图的周期、时隙和优先级。参与网络的节点同意 TSN 通信将这些周期划分为时隙。

具有时间感知功能的整形器结构

TSN 定义了三种类型的流量：关键流量、预留流量和尽力而为的流量。

• 关键流量：关键流量示例包括需要有限延迟和零拥塞丢失的工业自动化和控制流量。
• 尽力而为流量：尽力而为流量由通用以太网流量组成，没有特定的服务质量(QoS)要求。
• 预留流量：预留流量类型包括在具有指定带宽预留的不同时隙中分配的帧。

综上所述，对于确定性通信，时间整形器将时间划分为周期并分配给每个时隙，时隙可以根据其优先级传输数据。

逐流过滤和监管 (IEEE 802.1Qci) &循环排队和转发 (IEEE 802.1Qch)

802.1Qci 使用流标识为每个流提供过滤和策略功能。通过将标头字段的组合映射到确定类的内部优先级值 (IPV) 来标识流。MAC 源地址、目标地址、VLAN 和 IP 报头字段的各种组合可用于识别流。流过滤器可以通过流门将流量导向特定的仪表和输出队列，并检测和阻止特定的错误情况。

此分类流进入循环队列。IEEE 802.1Qch 根据传入流量的类别收集数据包，一次传送一个数据包。这种循环队列和队列清空过程提供了一个已定义的（但不是最佳的）延迟上限，并确保帧在有限延迟内发送。

帧抢占（IEEE 802.3br、IEEE 802.1Qbu）

现有的以太网一次只传输一个数据包，不能根据不同的紧急度或优先级传输。另外，由于大数据包比小数据包的开销少，所以在现有的以太网中，大包的传输是很常见的。大包传输时间长，不符合时间敏感流量的要求。

解决这个问题的一种方法是停止发送数据包，转而发送更紧急的数据包，这就是 802.3br 和 802.1Qbu 所做的事情。紧急数据包标记为“Express”，可抢占数据包标记为“Preemptable”。Preemptable数据包在 Express 数据包正在传输时暂停自身的传输，并在 Express 数据包传输完成时从中断的位置恢复传输。

如下图所示，Express 数据包通过抢占实现所需的有限延迟。

这样，“快车道”就可以用于高优先级的流量，在确定性通信中发挥重要作用。

帧复制和消除可靠性（IEEE 802.1CB）

对于关键基础设施来说，停机时间是不可接受的。TSN 使用冗余来避免这种停机。有两种类型的冗余，称为动态复制和静态复制。某些应用程序可能无法接受动态复制，因为动态复制需要一些时间才能从设备故障中恢复。所以TSN 主要使用静态复制。

下图显示了动态冗余。如果一侧发生故障，它会识别并通过选择替代路由重新传输。这个过程很快，但恢复仍然需要时间。

动态复制

下图显示了帧复制和消除可靠性 (FRER) 使用的静态冗余。数据包被复制，创建两个（或更多）相同的数据包流。这些流可以是单播流或多播流，在接收端站或其附近检测并删除复制数据包。FRER 使用这种静态冗余方法使恢复时间为零。

静态复制

网络的动态配置（IEEE 802.1Qcc）

TSN 通过 IEEE 802.1Qcc 引入集中网络控制器（centr alized network configuration，CNC）和集中用户控制器（centralized user configuration， CUC）来实现网络的动态配置，在网络运行时灵活地配置新的设备和数据流。

IEEE 802.1Qcc 中定义的时间敏感网络的配置模型分为全集中式配置模型、混合式配置模型以及全分布式配置模型三种。

全集中式用户配置(Centralized user configuration，CUC)，负责发送端和接收端的配置；集中式网络配置(Centralized network configuration，CNC)，负责TSN交换机的配置，完全集中的模型支持集中用户配置(CUC)实体来发现终端和用户需求，并在终端中配置TSN特性。

混合式配置模型使用集中式网络配置控制器(CNC， Centralized Network Configuration controller)与分布式用户配置控制器(CUC，Centralized User Configuration controller)。在集中式网络/分布式模型中，配置信息直接指向或来自集中式网络配置(CNC)实体。

全分布式配置模型使用分布式网络配置控制器(CNC， Centralized Network Configuration controller)与分布式用户配置控制器(CUC，Centralized User Configuration controller)。该模式下，用户流的终端直接通过TSN用户 / 网络协议传达用户需求。网络以完全分布式的方式配置，没有集中的网络配置实体。

总 结

标准以太网一直以来扮演着数据传输的角色，但它不能保证实时性和可扩展性。本文介绍了 TSN 的产生、背景、优势、底层技术和局限性。TSN以确定性通信为武器，正在逐步拓展应用领域。虽然还有一些挑战需要解决，但总的来说，TSN的未来是光明的。

原文链接：

https://www.cse.wustl.edu/~jain/cse570-21/ftp/tsn/index.html

部分转载自SDNLAB