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TSN时间敏感网络
一.TSN时间敏感网络概述
-1.1.TSN发展史
-1.2.TSN帧结构
二.TSN协议栈
-2.1.时间同步组件
-2.2.延时控制组件
-2.3.资源管理组件
-2.4.传输可靠性组件
-2.5.安全组件
三.TSN的应用
-1.1.TSN在音视频通信上的应用
-1.1.TSN在汽车上的应用
四.TSN小结
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TSN时间敏感网络
一.TSN时间敏感网络概述
-1.1.TSN发展史
-1.2.TSN帧结构
二.TSN协议栈
-2.1.时间同步组件
-2.2.延时控制组件
-2.3.资源管理组件
-2.4.传输可靠性组件
-2.5.安全组件
三.TSN的应用
-1.1.TSN在音视频通信上的应用
-1.1.TSN在汽车上的应用
四.TSN小结
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# TSN时间敏感网络 ## 一.TSN时间敏感网络概述<a name="TSN时间敏感网络概述"></a> TSN：Time-Sensitive Network时间敏感网络，TSN是IEEE 802.1 TSN工作组开发的一系列数据链路层协议规范的统称，用于指导和开发低延迟、低抖动，并具有传输时间确定性的以太网局域网，是传统以太网在汽车、工业控制等特定应用环境下的增强功能实现。 ### 1.1.TSN发展史<a name="TSN发展史"></a> 随着以太网交换技术的成熟，并在城域网等更大范围的应用拓展，1980年2月，IEEE 802委员会成立，任务是制定局域网和城域网的通信标准，其中IEEE 802.1工作组则主要制定基于以太网的协议标准。 1991，针对大量交换机的部署产生了冗余链路等的一系列问题，IEEE 802.1工作组发布了802.1D STP生成树协议，并于1998年发布了第二部RSTP快速生成树协议，基本解决了各厂商设备在组网时容易产生环路等问题。随着802.1D的制定，大规模用户组网条件已经成熟，1999年，IEEE 802.1发布802.1QVLAN协议作为802.1D的后续补充，能够将大规模的用户小区和城市区域使用虚拟网络标识的进行区分，解决了电信用户组网和城域网接入的IP限制问题。 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。 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。  ### 1.2.TSN帧结构<a name="TSN帧结构"></a> 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下表。 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。  ## 二.TSN协议栈<a name="TSN协议栈"></a> TSN协议栈包括五大类组件：时间同步组件、延时控制组件、资源管理组件、传输可靠性组件、安全组件。  ### 2.1.时间同步组件<a name="时间同步组件"></a> 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。  ### 2.2.延时控制组件<a name="延时控制组件"></a> TSN延时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。 ### 2.3.资源管理组件<a name="资源管理组件"></a> 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。 ### 2.4.传输可靠性组件<a name="传输可靠性组件"></a> 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。 ### 2.5.安全组件<a name="安全组件"></a> 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。 ## 三.TSN的应用<a name="TSN的应用"></a> 通过对TSN协议栈中不同协议组件的有机组合，TSN的主要应用领域有音视频通信，车载通信，工业自动化，电力自动化等。 ### 3.1.TSN在音视频通信上的应用<a name="TSN在音视频通信上的应用"></a> 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典型拓扑图如下图所示。  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。 ### 3.2.TSN在汽车上的应用<a name="TSN在汽车上的应用"></a> TSN在汽车上的应用主要使用了基于802.1AS-Rev的时钟同步协议，以及随后推出的802.1Qbv、802.1CB、802.1Qbu等一系列满足车载网络流量调度需求的协议规范。 **车载网络** 未来的车载网络将以中央计算大脑为车辆中心，以区域控制器为局部中心，基于以太网作为骨干网的环状拓扑进行部署，为全车的智能化提供超大的带宽和连通性。  随着网络拓扑的巨大变更，未来的车型将能够把整车线束总长度从3.5km以上降低至1.5km左右，减重100~200kg，实现电动汽车10%以上的续航提升，在降低硬件损耗的同时，带来非常可观的综合经济效益，对实现碳中和的国家战略提供强有力的支撑。 **时钟同步** 在具有辅助驾驶和自动驾驶的功能的车型中，时钟同步精度是各个传感器实现高精度响应和定位外部环境的基础，包括激光雷达，毫米波雷达，超声波雷达，摄像头等，通过车内网络节点具备的硬件支持的802.1AS gPTP时钟同步功能，可以将各个传感器的时钟同步误差压缩到100ns~1us以内，基本上满足了车辆在高速和低速运行中各个场景的驾驶控制需求。 **延时确定** 对于新一代车型的车辆控制，通过区控制器的交换机功能进行大量实时性周期数据传输，依赖优化验证后的Qbv和Qbu配置，10ms、20ms、50ms、100ms等传统车辆运行中的CAN控制数据，均可以按照抖动性要求的误差等级，实现分批分时的确定带宽和确定延时的数据传输，基本能够满足100us~1ms的延时区间，实现与传统CAN网络数据转发性能要求的完全兼容。 同时，通过区域控制器进行毫米波雷达的数据传输能够保留足够的实时带宽，车联网的地图等应用也能够保证及时响应，在线音视频应用也能够流畅播放，进而实现了多域融合在以太网作为骨干网的网络环境下的良好示范效应。 **实时冗余** 功能安全在应用汽车以太网作为骨干网的拓扑中主要关注的是通信安全。传统的CAN网络通信具有天然的组播通信方式，某一个节点的故障不会中断其他节点间的通信。汽车以太网使用以交换机为中心转发节点的网络拓扑，使用的是集中式的点对点通信，需要使用队列来缓存报文和控制通信策略；如果传输路径中的转发节点出现故障，则可能会立刻中断整车各个区控制器之间的大量通信，会造成车辆控制中不可预知的风险。 802.1CB针对汽车以太网的先天性缺陷给出了一个利用硬件冗余通道来保持实时数据备份的方式，可以将需要备份的数据实时保留在通信线路中，提供硬件线路和软件流量的双重备份，能够有效地提升通信的功能安全等级。  ## 四.TSN小结<a name="TSN小结"></a> 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。对于智能新能源汽车行业，基于TSN的电子电气架构有助于进行下一代智能车型的研发。
