作者 | 陸營川，單位：中國移動智慧家庭運營中心
?Labs 導讀相對于其他確定性網絡技術，如工作在1.5層的靈活以太網(FlexE)和工作在3層的確定網(DetNet)，TSN主要是解決2層網絡確定性保障問題，通過一系列協議標準實現零擁塞丟包的傳輸，提供有上界保證的低時延和抖動，為時延敏感流量提供確定性傳輸保證。
現有的以太網技術在1973年首次提出，并于1982年（Ethernet V2）正式投入商業應用，且很快擊敗了同時期的令牌環和FDDI等技術，逐步被全球采用。雖然依靠服務質量(QoS)技術，對所有的數據包進行分類和標注，在一定條件下能夠達到按不同優先級進行轉發的目的。但網絡串行傳輸的特點和盡力而為(Best Effort)的轉發機制，使得數據在端到端傳輸時，時延、抖動和服務質量等不可控。基于此IEEE的802.1任務組于2005年制定了音視頻橋接(AVB，Audio Video Bridging)規范，這是一套用于實時音視頻傳輸的以太網協議集，任務組于2012年11月正式更名為時間敏感網絡(TSN,Time Sensitive Network)，同時成為基于以太網的新一代網絡標準，具有時間同步、延時保證等實時性功能，在工業控制、智能制造和5G等領域逐漸得到廣泛應用。
【資料圖】
相對于其他確定性網絡技術，如工作在1.5層的靈活以太網(FlexE)和工作在3層的確定網(DetNet)，TSN主要是解決2層網絡確定性保障問題，通過一系列協議標準實現零擁塞丟包的傳輸，提供有上界保證的低時延和抖動，為時延敏感流量提供確定性傳輸保證。
圖1 TSN協議層次
TSN是符合IEEE802.1Q標準的VLAN，在標準的以太幀中插入4個字節長度的VLAN tag。TSN通過VLAN tag中的PCP（Priority Code Point）和VID（VLAN ID）定義流的不同優先級協議層次[1]。
Tag Protocol Identifier：16bit長度，標簽協議識別，標識TSN網絡，數值為0X8100.Priority Code Point：3bit長度，優先級代碼，標識流量優先級，3位PCP定義了8個優先級。Drop Eligible Indicator：1bit長度，丟棄標識位，對于低QoS要求的數據可置位，網絡擁塞時可丟棄，以確保高優先級數據的QoS。VLAN Identifier（VID）：12bit長度，VLAN網絡的識別號。VID=0用于識別幀優先級，VID=FFF作為預留，其余值用于標識VLAN。圖2 TSN的幀結構
Part 02TSN的技術為了實現局域網的確定性傳輸，時間敏感網絡(TSN)實現了精確的網絡時間同步機制，流程整形、分類和不同優先級流量的流量調度機制，以及端到端、網絡中的交換機進行配置，以便為時間敏感型數據提供預留帶寬等服務進行系統化的網絡配置機制。
圖3 TSN關鍵技術
圖4 TSN協議組件集
2.1 時間同步時間同步是TSN的基礎，也是后續基于時隙來進行流量調度的關鍵。TSN利用IEEE 802.1AS協議達到整個網絡時鐘同步的目的。這是精確時間協議，是保證相關網絡設備的時鐘一致，不需要與自然界的時鐘保持同步。這一協議是在IEEE 1588-2008 的精確時間協議(precision time protocol，PTP)基礎上擴展而來，提出了廣義精確時間協議( general precision time protocol，gPTP)。全局時間同步是TSN真正實現通信流端到端確定性時延和無排隊傳輸要求的基礎。是對以太網的同步協議進一步完善，增加了分布式網絡的同步，并且采用雙向信息通道，提高了傳輸信號的精確度。同時更新和修訂的IEEE802.1 AS-REV協議增加了針對多個時域進行時間同步的能力，能在某域內全局時鐘發生故障時實現快速切換到其他域。
2.2流量控制TSN流量控制主要涉及流量分類、流量整形和流量的調度與搶占。通過幀中VLAN tag的相關屬性信息，確定對應流量的類型和優先級；對已識別的TSN流進行限速或臨時緩存等整形處理，控制流量以預設的速率收發；通過一定調度算法和機制，將整形后或排隊中的流調度至輸出端，以相應的順序在交換機內完成轉發，同時根據QoS保證各種流傳送時的服務質量需求。在此過程中，通過幀間切片打斷低優先級幀傳輸，保障高優先級流的及時轉發，最終實現高優先級幀傳輸的實時性和超低時延要求[2]。主要有CBS整形器(Credit-based Shaper，基于IEEE 802.1Qav)，TAS整形器(Time-aware Shaper，基于IEEE 802.1Qbv)，CQF整形器(Cyclic Queuing and Forwarding，基于802.1Qch)和 IEEE ATS整形器(Asynchronous Traffic Shaping，基于802.1Qcr)。
2.3 網絡配置利用IEEE 802.1Qcc協議中為時間敏感網絡(TSN)定義配置模型，目前TSN可以根據具體需求，提供全集中式、混合式以及全分布式三種不同的配置模型，對發送端、接收端和網絡中的交換機進行定制化配置，為后續在此網絡上傳輸的時間敏感型數據提供預留帶寬等服務。
Part 03TSN的特點與標準的以太網相比，TSN最大的特點是能夠保證數據交換的確定性，在提前確定時間敏感數據流（稱為scheduled traffic）傳輸的周期，每個周期傳輸的數據大小后，只要數據發送方按照約定將數據發出，TSN就能夠保證在確定的時間將數據交換到接受方[3]。
Part 04TSN的應用TSN為局域網的確定性服務質量提供保障，隨著OT(operational technology)、IT(information technology)與CT(communication technology)的融合，TSN可在這些融合局域網絡中發送周期、非周期數據流。在車聯網、工業控制、智能電網、5G等領域有著廣闊的應用前景，TSN網絡將得到更快的發展。
4.1 工業互聯網TSN可以有效兼顧工業物聯網場景下，高效率數據傳輸和高可靠性需求，有效推動了工業OT系統與IT系統的融合。同時結合5G下URLLC的確定性傳輸技術，現有的傳感器、執行器等工業設備都能以無線方式連接到TSN網絡中，可以實現不受電纜安裝限制的靈活部署和應用，整套系統可以更加自動化，減少人為干預和依賴，將持續推動工業互聯網底層架構的演進。
4.2 車載網絡隨著汽車的智能化和自動化的發展，車載網絡需要滿足高級輔助駕駛系統（ADAS）、智能車載診斷系統（OBD）、車載多媒體系統以及其他各類車載系統的承載和互聯要求。現有車載網絡仍以各總線并存為主，而且媒體信號和控制信號不能在同一鏈路上進行統一傳輸。所以如何在混流的條件下，保證各種不同類型的流量對端到端傳輸時延、抖動、丟包率等需求均得到滿足，是目前車載網面臨的技術難點和質疑所在。TSN能根據數據流量的不同優先級，提供不同程度的端到端有界時延的保障和更小的抖動等。并且服務質量可以通過理論得到證實。這些特征都能符合車載網絡的發展需求，從而滿足車載以太網的應用要求[4]。
參考文獻[1] 互聯網文檔，一文讀懂TSN，https://www.sdnlab.com/25482.html.
[2] SDNLAB，TSN時間敏感網絡技術淺析，2022.4.
[3] 互聯網文檔，基于FAST的TNS交換，https://blog.csdn.net/m0_37537704/article/details/86747622.
[4] 工業互聯網產業聯盟，時間敏感網絡產業白皮書，2020.8.?
標簽： 網絡技術
