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TSN的重要協議是什么？
傳統(tǒng)以太網會采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD)的機制，當兩個工作站發(fā)生沖突時，必須延遲一定時間后重發(fā)報文。發(fā)生堵塞時，有的報文可能長時間發(fā)布不出去，造成通信時間的不確定性。以往對實時性要求高的數據通過實時以太網去實現。故現在信息技術和運營技術融合過程中會遇到很大的困難，為了實現部分數據傳輸的實時、確定性需求，有實時性要求的數據和沒有實時性要求的數據往往需要通過兩個網絡進行傳輸。所有的控制器都是兩個網口，一個是實時以太網，一個是標準以太網。而TSN不僅能確保數據的實時、確定性傳輸，還能實現時間敏感數據和非時間敏感性數據在同一網絡的傳輸。
TSN通過一套協議標準（TSN協議族）來實現數據在同一網絡的實時、確定性傳輸，保證對實時性要求高的信息在標準以太網的不同場景下的順利傳輸。TSN協議族本身具有很高的靈活性，用戶可以根據應用的具體需求來選擇相應的協議組合。TSN協議族包含了時鐘同步、數據調度及流量整形、可靠性、資源管理這四個類別的子協議。
TSN重要協議及功能
時鐘同步
與IEEE 802.3 的標準以太網相比，時鐘在TSN 網絡中起著重要的作用。對于實時通信而言，端到端的傳輸延遲具有難以協商的時間界限，因此TSN 中的所有設備都需要具有共同的時間參考模型，因此需要彼此同步時鐘。目前TSN采用IEEE 1588 協議和IEEE 802.1AS協議來實現時間同步。
IEEE 1588 協議是一個精密時間協議 (PTP)，用于同步計算機網絡中的時鐘。 在局域網中，它能將時鐘精確度控制在亞微秒范圍內，使其適用于測量和控制系統(tǒng)。
數據調度及流量整形
TSN通過定義不同的整形機制將數據流的時延限定在一定范圍內，以此滿足不同的低時延場景需求。在傳統(tǒng)以太網中，數據流的通信時延是不確定的，由于這種不確定性，數據接收端通常需要預置大緩沖區(qū)來緩沖輸出，但是這樣會導致數據流，例如音視頻流，缺失了實時方面的特性。TSN不僅要保證時間敏感流的到達，同時也要保證這些數據流的低時延傳輸。通過優(yōu)化控制時間敏感流和best-effort流、以及其它數據流在網絡中的傳輸過程，來保證對數據流的傳輸時間要求，這個優(yōu)化控制的方式就是整形。
數據傳輸時延對比圖（TSN vs 傳統(tǒng)以太網）
TSN用于數據調度和流量整形的協議有IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu、IEEE 802.1Qch及IEEE 802.1Qcr。其中，IEEE 802.1Qbv采用非搶占式的的數據調度，流量調度方式通過時隙進行控制，需要實時傳輸的數據流優(yōu)先傳輸，同時為best-effort數據及預留數據預留帶寬，允許時間敏感流和非時間敏感流在同一個網絡中傳輸，并確保數據的實時傳輸。
如下圖（IEEE 802.1Qbv時隙劃分圖），使用IEEE 802.1Qbv，數據包傳輸被安排在一個重復周期中端到端。IEEE 802.1Qbv中定義了三種基本類型的流量：時間敏感流、best-effort流和預留流量。 時間敏感流適用于對實時性要求嚴格的關鍵消息， best-effort流是不需要任何QoS 的一般以太網流量。 此外，預留流量適用于需要預留特定帶寬并具有軟實時要求的幀。
IEEE 802.1Qbv定義了通過調度算法啟用或禁用幀傳輸的門，將以太網通信劃分為固定長度、連續(xù)重復的周期。這些周期被分成時隙，在每個時隙中，數據通過被賦予不同的優(yōu)先級實現在指定時隙中的傳輸。由于此操作，時間敏感流可以擁有專用時隙，從而確保此流量在傳統(tǒng)以太網網絡上的確定性傳輸。另一方面，預留流量和best-effort流被容納在每個周期的剩余時隙中。預留流量保證有專用帶寬，而best-effort流可以使用剩余的帶寬。
IEEE 802.1Qbv時隙劃分圖
圖中時隙1為時間敏感流預留，時隙期間不存在其他流量。另一方面，時隙2由best-effort流和預留流量使用，同時為預留流量預留專用帶寬。
由于TSN的運行基于不同的時間時隙發(fā)送不同類型的流量，因此所有網絡設備必須在納秒級范圍內同步。
可靠性
對數據傳輸實時性要求高的應用除了需要保證數據傳輸的時效性，同時也需要高可靠的數據傳輸機制，以便應對網橋節(jié)點失效、線路斷路和外部攻擊帶來的各種問題，來確保功能安全和網絡安全。IEEE 802.1Qci、IEEE 802.1CB及IEEE 802.1Qca用于實現TSN這方面的性能。
IEEE 802.1CB為以太網提供雙鏈冗余特性，通過在網絡的源端系統(tǒng)和中繼系統(tǒng)中對每個數據幀進行序列編號和復制，并在目標端系統(tǒng)和其他中繼系統(tǒng)中消除這些復制幀，確保僅有一份數據幀被接收?？捎脕矸乐褂捎趽砣麑е碌膩G包情況，也可以降低由于設備故障造成分組丟失的概率及故障恢復時間，提高網絡可靠性。
IEEE 802.1 CB工作原理
資源管理
在TSN網絡中，每一種實時應用都有特定的網絡性能需求。使能TSN網絡的某個特性是對可用的網絡資源進行配置和管理的過程，其允許在同一網絡中通過配置一系列TSN子協議，來合理分配網絡路徑上的資源，以確保它們能夠按照預期正常運行。TSN資源管理子協議包括IEEE 802.1Qat協議和IEEE 802.1Qcc協議。IEEE 802.1Qcc協議是IEEE802.1Qat協議的增強。
IEEE802.1Qat即流預留協議。根據流的資源要求和可用的網絡資源情況指定數據準入控制，保留資源并通告從數據源發(fā)送端至數據接收端之間的所有網絡節(jié)點，確保指定流在整條傳輸路徑上有充足的網絡資源可用。
TSN的應用場景是什么？
TSN的典型應用就是工業(yè)互聯網，傳統(tǒng)的工業(yè)自動化實現通過在每個接入網側均采用硬編碼邏輯控制器（硬PLC）及人機交互界面（HMI）實現對機器人、夾具的控制來實現工業(yè)自動化。每個接入網側都需要相應的硬PLC分散地處理業(yè)務，使得管理困難，運維復雜，如下圖（傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案）。而且生產線往往變更頻繁，硬PLC由于采用硬編碼，其生產擴展不靈活，生產線變更時需要耗費很大的資源去進行生產線的適配和調測。
若將PLC直接接入到工廠數據中心，就可以采用軟件編碼的虛擬PLC（vPLC），如下圖（傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案vs采用TSN網絡園區(qū)工業(yè)解決方案）融合架構的IT基礎設施平臺（FushionCube）上的vPLC，一方面可實現對生產設備的遠程集中處理。另一方面，vPLC通過軟件編程就可以完成對生產線的適配，生產擴展靈活。但工廠數據中心往往統(tǒng)一納管信息技術和運營技術，生產業(yè)務流和辦公業(yè)務流及其它數據流均需通過同一網絡上送到工廠數據中心，而且工業(yè)自動化控制對數據流的確定性到達有毫秒級的需求。采用傳統(tǒng)實時以太網難以滿足實現確定性通信的同時實現時間敏感性數據和非時間敏感性數據在同一網絡的傳輸，故不能實現vPLC在工廠數據中心處對生產機器（機器人、夾具）的集中管理，而TSN網絡的出現可以解決這一難題。通過對vPLC和生產機器連接的網關均使能TSN的相關協議，可構建TSN網絡，如下圖（傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案vs采用TSN網絡園區(qū)工業(yè)解決方案），可實現時間敏感性數據和非時間敏感性數據在同一網絡傳輸的同時實現數據在毫秒級乃至微秒級的確定性通信，從而實現vPLC的遠程集中管理，使生產更加安全，維護更加方便，產線調整更加靈活。
傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案
傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案vs采用TSN網絡園區(qū)工業(yè)解決方案
