0 引言
隨著信息技術（informationtechnology,IT）與運營技術（operation technology,OT）的不斷融合,，對于統(tǒng)一網(wǎng)絡架構的需求變得迫切。智能制造,、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng),、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，都使得這一融合變得更為緊迫,。而IT與OT對于通信的不同需求也導致了在很長一段時間,，融合這兩個領域出現(xiàn)了很大的障礙：互聯(lián)網(wǎng)與信息化領域的數(shù)據(jù)需要更大的帶寬，而對于工業(yè)而言,，實時性與確定性則是問題的關鍵,。這些數(shù)據(jù)通常無法在同一網(wǎng)絡中傳輸。因此,，尋找一個統(tǒng)一的解決方案已成為產(chǎn)業(yè)融合的必然需求,。
時間敏感型網(wǎng)絡（timesensitive network，TSN）是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動的全新工業(yè)通信技術,。時間敏感型網(wǎng)絡允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡中傳輸,，使得標準以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢，并通過廠商獨立的標準化進程,，已成為廣泛聚焦的關鍵技術,。目前,，IEEE、IEC等組織均在制定基于TSN的工業(yè)應用網(wǎng)絡的底層互操作性標準與規(guī)范[1],。
1 實時通信技術的發(fā)展及需求
1.1總線時代
早在20世紀70年代,，隨著可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的產(chǎn)生,，為了分布式控制所需的總線也誕生,。至今，總線技術已經(jīng)發(fā)展了近50年,，各始創(chuàng)公司開發(fā)了多種總線,，其在介質、信號電平,、校驗方式,、物理接口、波特率等多個指標方面都有不同,。20世紀90年代,，隨著競爭的加劇，各公司在IEC爭取主導地位,，產(chǎn)生了“總線之爭”,。IEC因此產(chǎn)生了多達18個總線標準，對訪問造成很大障礙,。
1.2 實時以太網(wǎng)階段
進入21世紀,，隨著標準以太網(wǎng)成本的下降，總線開始進入基于以太網(wǎng)的實時網(wǎng)絡時代,。2001年,，貝加萊推出了工業(yè)應用的Ethernet POWERLINK；2003年,，在Profibus基礎上,，Siemens開發(fā)了PROFINET，Rockwell,、 ABB開發(fā)了基于DeviceNet應用層協(xié)議的Ethernet/IP,，Beckhoff開發(fā)了EtherCAT，Rexroth開發(fā)了基于SERCOS的SERCOSIII,。這些網(wǎng)絡均采用了標準以太網(wǎng)介質,，即在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層統(tǒng)一了標準，而在應用層仍然保持原有的應用層,，旨在保護用戶的軟件資產(chǎn)投入,。
1.3 在智能時代的網(wǎng)絡融合需求
2014年以后，隨著工業(yè)4.0的提出,，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng),、智能制造的需求逐漸變得迫切，對于連接的需求產(chǎn)生了變化,。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通常不支持交換機網(wǎng)絡（考慮到延時,，通常采用HUB的透傳方式），其輪詢機制（如Profinet,、POWERLINK,、Ethernet/IP）或集束幀技術（如EtherCAT、SERCOSIII）使得標準以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)無法在同一網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)的傳輸,。但是,，對于邊緣計算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng),、智能制造的全局優(yōu)化而言,，制造現(xiàn)場控制所需的實時性數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理與優(yōu)化層所需的非實時性數(shù)據(jù)要通過統(tǒng)一網(wǎng)絡進行集中，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)處理與分析,，并能夠下發(fā)到各個控制器執(zhí)行,；而一些全局優(yōu)化的工作并不需要通過層級的控制器，而是希望直接到邊緣側或者云端,。這使得同一網(wǎng)絡的需求變得迫切,。另外，對于制造業(yè)的終端用戶而言,，生產(chǎn)系統(tǒng)往往由來自不同企業(yè)的設備與系統(tǒng)構成,，必須有統(tǒng)一的網(wǎng)絡與協(xié)議規(guī)范。因此,，獨立于廠商的總線在智能時代變得更為必要,。
工業(yè)通信技術的發(fā)展過程如圖1所示[2]。
圖1 工業(yè)通信技術的發(fā)展過程
2 TSN的簡要發(fā)展
TSN本身并非是一項全新的技術,。IEEE于2002年發(fā)布了IEEE 1588[3]精確時鐘同步協(xié)議,。2005年，IEEE 802.1成立了IEEE 802.1AVB工作組,，開始制定基于以太網(wǎng)架構的音頻/視頻傳輸協(xié)議集,，用于解決數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的實時性、低延時以及流量整形的標準,，同時又確保與以太網(wǎng)的兼容性,。AVB引起了汽車工業(yè)、工業(yè)領域的技術組織及企業(yè)的關注,。其成立了TSN工作組,，進而開發(fā)了時鐘同步、流量調(diào)度,、網(wǎng)絡配置系列標準集,。在這個過程中,，由AVnu、IIC,、OPC UA基金會等組織共同積極推進TSN技術的標準,。工業(yè)領域的企業(yè)（包括B&R、TTTech,、SEW,、Schneider等）著手為工業(yè)領域的嚴格時間任務制定整形器，成立了整形器工作組,，并于2016年9月在維也納召開了第一次整形器工作組會議,。然后，有更多的企業(yè)和組織（包括德國工業(yè)4.0組織LNI,、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC,、中國的邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟AII等）加入TSN技術的研究,，并構建了多個測試床,。2019年，IEC與IEEE合作成立IEC 60802工作組,，并在日本召開了第一次工作組會議,，以便工業(yè)領域的TSN開發(fā)可以實現(xiàn)底層的互操作。同時,，在OPC UA基金會也成立了（field level communication,FLC）工作組,，將TSN技術與OPC UA規(guī)范融合，以提供適用于智能制造,、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域的高帶寬,、低延時、語義互操作的工業(yè)通信架構,。
圖2簡要說明了IEEE組織TSN相關標準的發(fā)布過程[4],。其中，IEEE802.1Qat[5]是早期的網(wǎng)絡配置方法,，而IEEE 802.1Qcc[6]則是其增強版,，于2018年底發(fā)布。
圖2 TSN相關標準的發(fā)布過程
3 TSN基本概念
TSN由一系列技術標準構成,。其主要分為時鐘同步,、數(shù)據(jù)流調(diào)度策略（即整形器）以及TSN網(wǎng)絡與用戶配置三個部分相關標準。
3.1 VLAN技術
按照網(wǎng)絡架構,，網(wǎng)絡通常分為標準以太網(wǎng),、確定性以太網(wǎng)。TSN實現(xiàn)了混合網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸能力,，滿足標準以太網(wǎng)的分布式對等架構,、確定性網(wǎng)絡所采用的輪詢/集束幀技術各自的存在的要求,，并使得網(wǎng)絡能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢功能。TSN基于IEEE 802.1Q[7]的虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network,，VLAN）和優(yōu)先級標準,。IEEE802.1Q支持服務質量（quality of service，QoS）,。QoS是一種基礎網(wǎng)絡技術，用于為網(wǎng)絡通信提供更好的服務,。它是一種網(wǎng)絡安全機制,，用于解決網(wǎng)絡延時與擁塞的問題。最初的Internet并未設計QoS機制,。為滿足用戶不同應用的服務質量需求,，需要網(wǎng)絡能夠根據(jù)用戶需求進行配置與資源調(diào)度。IEEE 802.1Q標準是一種包含了QoS機制的網(wǎng)絡,，能夠提供網(wǎng)絡性能的可預知性,，并有效分配網(wǎng)絡帶寬，以便合理利用資源,。
3.1.1 TSN
TSN是IEEE 802.1Q標準的VLAN,。該標準在標準以太網(wǎng)幀中插入4個字節(jié)用于定義其特征。TSN的標簽位定義[8]如圖3所示,。
圖3 TSN的標簽位定義
?、贅撕瀰f(xié)議識別：網(wǎng)絡類型識別，代表這是一個TSN網(wǎng)絡,，標記0X8100,。
②優(yōu)先級代碼（prioritycode point,，PCP）由3位代碼構成,。
③丟棄標志位：對于網(wǎng)絡低QoS要求的數(shù)據(jù),，可以丟棄,，以確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的QoS。
?、躒LANIdentifier（VID）：VLAN網(wǎng)絡的識別號,，12位表示可支持的子網(wǎng)數(shù)量，2的12次方即4 096,，VID＝0 用于識別幀優(yōu)先級,，4 095（FFF）作為預留值。所以,，VID最多可以表示4 094個子網(wǎng),。這表明TSN是為了大型的數(shù)據(jù)傳輸而設計的,。
3.1.2 優(yōu)先級的定義
TSN有一個服務等級（class of service,CoS）的概念。對TSN網(wǎng)絡而言,，不同優(yōu)先級的服務對應圖3中的PCP碼,。3位PCP碼定義了0（最低）～7（最高）這8個優(yōu)先級，傳輸類型分別對應
基礎,、最大努力,、卓越努力、嚴苛應用,、延時和抖動小于100 ms的視頻,、延時和抖動小于10 ms的音頻、內(nèi)部網(wǎng)絡控制,、網(wǎng)絡控制,。其會對網(wǎng)絡場景進行不同的匹配，是后續(xù)調(diào)度,、配置設計中會考慮到的數(shù)據(jù)流調(diào)度因素,。
3.2 TSN在ISO/OSI模型中的位置
TSN在IEEE 802.1Q僅指ISO/OSI參考模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層的標準。TSN在七層架構中的位置[9]如圖4所示,。
圖4 TSN在七層架構中的位置
3.3 精確時鐘同步與延時計算
對于通信,、工業(yè)控制等領域而言，所有的任務都是基于時間基準的,。因此,，精確時鐘同步是基礎的標準。TSN首先要解決網(wǎng)絡中的時鐘同步與延時計算問題,，以確保整個網(wǎng)絡的任務調(diào)度具有高度一致性,。
3.3.1 時鐘同步機制
TSN標準由IEEE 802.1AS[10]和為工業(yè)所開發(fā)的升級版IEEE 802.1AS-rev[11]構成。
IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時鐘同步協(xié)議發(fā)展的,，稱為gPTP-廣義時鐘同步協(xié)議,。gPTP是一個分布式主從結構，它對所有gPTP網(wǎng)絡中的時鐘與主時鐘進行同步,。首先由最佳主時鐘算法（best clock master algrothms,，BCMA）建立主次關系，分別稱為主時鐘（clock master,CM）和從時鐘（clock slave,CS）,。每個gPTP節(jié)點會運行一個gPTP Engine,。IEEE1588所采用的PTP是由網(wǎng)絡的L3和L4層的IP網(wǎng)絡傳輸，通過IPv4或IPv6的多播或單播進行分發(fā)時鐘信息,。而gPTP則是嵌入在MAC層硬件中,，只在L2工作，直接對數(shù)據(jù)幀插入時間信息，并隨著數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡每個節(jié)點,。
gPTP應用快速生成樹協(xié)議（papid spanning tree protocol,，RSTP）。這是一種網(wǎng)絡中的節(jié)點路徑規(guī)劃,，網(wǎng)絡配置后生成一個最優(yōu)路徑,。其由TSN橋接節(jié)點計算并以表格形式分發(fā)給每個終端節(jié)點存儲。當一個TSN節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時,，它會先檢查這個表格,，計算最短路徑，整個網(wǎng)絡以最短路徑傳送至需要接收的節(jié)點,。IEEE 802.1AS的時鐘結構[2]如圖5所示,。
圖5 IEEE802.1AS的時鐘結構
圖5中，最左下方的802.1AS端點從上游CM接收時間信息,。該時間信息包括從GM到上游CM的累計時間。對于全雙工以太網(wǎng)LAN,，計算本地CS和直接CM對等體之間的路徑延時測量并用于校正接收時間,。在調(diào)整（校正）接收時間后，本地時鐘應與gPTP域的GM時鐘同步,。SN網(wǎng)絡也支持交叉通信,，每個節(jié)點都會有RSTP所給出的路徑表。
802.1AS的核心在于時間戳機制（Timestamping）,。PTP消息在進出具備802.1AS功能的端口時,，會根據(jù)協(xié)議觸發(fā)對本地實時時鐘（real time clock,RTC）采樣，并將自己的RTC值與來自該端口相對應的CM信息進行比較,；利用路徑延時測算和補償技術,，將RTC時鐘值匹配到PTP域的時間。當PTP同步機制覆蓋整個AVB局域網(wǎng),，各網(wǎng)絡節(jié)點設備間就可以通過周期性的PTP消息的交換,，精確地實現(xiàn)時鐘調(diào)整和頻率匹配算法。最終,，所有的PTP節(jié)點都將同步到相同的“掛鐘”（Wall Clock）時間,，即主節(jié)點時間。在最大7跳的網(wǎng)絡環(huán)境中,，理論上PTP能夠保證時鐘同步誤差在1 μs以內(nèi),。
IEEE 802.1AS-rev則是一種多主時鐘體系，主要優(yōu)勢是支持新的連接類型（如WiFi）,、改善冗余路徑的支持能力,、增強了時間感知網(wǎng)絡的主時鐘切換時間等性能。當有一個GrandMaster宕機時，其可確?？焖偾袚Q到一個新的主時鐘,，以便實現(xiàn)高可用性系統(tǒng)。對于車載系統(tǒng)而言,，采用IEEE 802.1AS即可,；而對于工業(yè)領域則考慮高可用性，采用AS-Rev版本,。
3.3.2 TSN網(wǎng)絡中的延時測量方法
對于網(wǎng)絡時鐘而言,，其時鐘同步精度主要取決于駐留時間（residence time）和鏈路延時（link latency）。
在gPTP中,，時間同步的過程與IEEEStd 1588-2008采用相同的方式：主時鐘發(fā)送同步時間信息給所有直接與其連接的時間感知系統(tǒng),。這些時間感知系統(tǒng)在收到這個同步時間信息后必須通過加上信息從主時鐘傳播到本節(jié)點的傳輸時間來修正同步時間信息。如果這個時間感知系統(tǒng)是一個時間感知網(wǎng)橋,，則它必須向與它連接的其他時間感知系統(tǒng)轉發(fā)修正后的同步時間信息（包含額外的轉發(fā)過程的延時）,。
數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時[12]如圖6所示。這些延時可以被精確計算,。
圖6 數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時
為了保證上述過程正常工作,，整個過程中有兩個時間間隔必須精確已知：①轉發(fā)延時（駐留時間）；②同步時間信息在兩個時間感知系統(tǒng)之間的傳輸路徑的延時,。駐留時間是在時間感知網(wǎng)橋內(nèi)部測量的,，比較簡單；而傳輸路徑上的延時則取決于諸多因素,，包括介質相關屬性和路徑長度等,。
對于每一類型的局域網(wǎng)或傳輸路徑，有不同的方法來測量傳播時間,。但這些方法都基于同一原理：測量從一個設備發(fā)送某個消息的時間以及另一個設備接收到此消息的時間,，然后以相反方向發(fā)送另一個消息，并執(zhí)行相同的測量,。
在這個過程中,，可以計算Pdelay：
（1）
其比率r為：
?。?）
網(wǎng)絡的延時測量原理[13-14]如圖7所示,。
（a） 1步法
?。╞） 2步法
圖7 網(wǎng)絡的延時測量原理圖
Fig.7Schematic diagram of network delay measurement
由圖7可知,，網(wǎng)絡的延時測量有1步法和2步法兩種。因為在這個網(wǎng)絡中可能有一個節(jié)點無法提供準確的時鐘,。對于時間感知型節(jié)點而言,，由于時間信息是隨著數(shù)據(jù)載荷發(fā)送的，因此每個節(jié)點都會帶有時間信息。而對于有一些非時間感知網(wǎng)絡,，則需要在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后再向另一個節(jié)點發(fā)送一個發(fā)送的時間信息,。因此，IEEE 802.1AS-Rev增強了對1步法的支持,，使得實時性得以提高,。
3.4 網(wǎng)絡傳輸過程
對于TSN而言，其數(shù)據(jù)調(diào)度機制是關鍵,。TSN中數(shù)據(jù)的傳輸過程[15]如圖8所示,。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通過接收端口，進行幀濾波,、流量計量,、幀排隊。在傳輸選擇部分,，TSN的調(diào)度機制將發(fā)揮作用,。IEEE 802.1Q工作組定義了不同的整形器（Shaper）機制來實現(xiàn)這些調(diào)度。它是一種傳輸選擇算法（transmission selection algorithm,，TSA）,。每種算法對應一種調(diào)度機制，適用于不同的應用場景,。
TSN網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的傳輸過程如圖8所示。
圖8 TSN中數(shù)據(jù)的傳輸過程
3.5 流預留協(xié)議
從圖8可以看到,，網(wǎng)絡存在濾波數(shù)據(jù)庫,、傳輸端口狀態(tài)監(jiān)測、隊列管理,。這些都用于解決網(wǎng)絡資源分配與調(diào)度問題,。而IEEE 802.1Qat所采用的流預留協(xié)議（stream reservation protocol，SRP）機制是一個對TSN進行配置的標準,。其在2010年SRP標準化成為IEEE802.1Qat,，并入IEEE 802.1Q-2011標準中。SRP定義了OSI模型第2層的流概念,。
SRP的工作在于建立AVB域,、注冊流路徑、制定AVB轉發(fā)規(guī)則,、計算延時最差情況,、為AVB流分配帶寬。SRP在于讓網(wǎng)絡中的發(fā)言者（Talker）用合適的網(wǎng)絡資源將數(shù)據(jù)發(fā)送給聽者（Listener）,，并在網(wǎng)絡中傳播這些信息。而在終端節(jié)點之間的網(wǎng)橋則維護一個發(fā)言者對一個或多個聽者注冊的相同數(shù)據(jù)流的路徑帶寬等資源的需求記錄。SRP是在原有IEEE 802.1Qak-MRP多注冊協(xié)議之上的一個實現(xiàn),。SRP標準則提供了一個新的多協(xié)議注冊協(xié)議（multiple multicast registration protocol，MMRP）來管理相關流帶寬服務的屬性,，MSRP、MVRP,、MMRP提供了整個SRP協(xié)議的網(wǎng)絡信號處理過程,。關于SRP機制，可以參考AVnu的SRP文檔[16],。
4 流控制相關標準
對于TSN而言,，數(shù)據(jù)流的管理標準由一系列主要方式構成。通用網(wǎng)絡通常遵循嚴格優(yōu)先級的方式,，而TSN則為這種缺乏傳輸確定性的機制引入了新的網(wǎng)絡調(diào)度,、整形方法，并根據(jù)不同的應用場景需求提出了多種不同的整形器（Shaper）,。這也是整個TSN的核心調(diào)度機制,。
4.1 基于信用的整形器機制
IEEE 802.1Qav定義了時間敏感流轉發(fā)與排隊（forwarding and queuing for time-sensitive streams，F(xiàn)QTSS）的數(shù)據(jù)敏感性轉發(fā)機制,，并成為了IEEE 802.1Q的標準,。作為一個主要對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)排隊轉發(fā)機制的增強標準，最初它的開發(fā)主要用于限制A/V信息緩沖,。增強的突發(fā)多媒體數(shù)據(jù)流會導致較大的緩沖擁堵,，并產(chǎn)生丟包。丟包會產(chǎn)生重新發(fā)包,，使得服務體驗下降,。它采用了基于信用的整形器（credit-based shaper,CBS），以應對數(shù)據(jù)突發(fā)和聚集,，可限制爆發(fā)的信息,。
CBS的工作隊列時序[17]如圖9所示。
圖9 CBS的工作隊列時序圖
CBS將隊列分為Class A（Tight delay bound）和Class B（Loose delay bound）,。如果沒有數(shù)據(jù)傳輸,，隊列的信用設置為0，A隊列的信用非負時可以傳輸,。如果有數(shù)據(jù)傳輸,，其信用將按照SendSlope下降，而另一個隊列則IdelSlope速度上升,，idleSlope是實際帶寬（bit/s）,，而SendSlope是端口傳輸率，由MAC服務支持,。
CBS控制每個隊列最大數(shù)據(jù)流不超過配置的帶寬限制（75%最大帶寬）,。CBS和SRP融合,，可以提供250 μs/橋的延時。整體來說,，IEEE802.1Qav以太網(wǎng)保證在7個跳轉（hop）最差2 ms Class A和50 ms Class B延時,。
當然，這個延時對于工業(yè)應用來說是不能接受的,。為了獲取更好的QoS,，IEEE 802.1TSN TG又進一步開發(fā)了Qbv時間感知整形器、Qbu搶占式MAC等機制,。
4.2 時間感知整形器機制
時間感知整形器（Time Awareness Shaper,，TAS）是為了更低的時間粒度、更為嚴苛的工業(yè)控制類應用而設計的調(diào)度機制,，目前被工業(yè)自動化領域的企業(yè)所采用,。TAS由IEEE 802.1Qbv定義，是基于預先設定的周期性門控制列表,，動態(tài)地為出口隊列提供開/關控制的機制,。Qbv定義了一個時間窗口，是一個時間觸發(fā)型網(wǎng)絡（Time-trigged）,。這個窗口在這個機制中是被預先確定的,。這個門控制列表被周期性的掃描，并按預先定義的次序為不同的隊列開放傳輸端口,。
出口硬件有8個軟件隊列,，每個都有唯一的傳輸選擇算法。傳輸由門控制列表（gate control list,GCL）控制,。它是多個門控制實體確定軟件的隊列開放,。
TAS的工作原理如圖10所示。
圖10 TAS的工作原理圖
在TAS機制中,，為了確保數(shù)據(jù)傳輸前網(wǎng)絡是空閑的，在整個啟動傳輸前需要設置一個保護帶寬（Guardbound）[18],。Guardband占用最大的以太網(wǎng)幀傳輸長度,，以確保最差情況——即使前面有一個標準以太網(wǎng)幀正在傳輸，也不會讓GCL在重啟下一個周期前被占用網(wǎng)絡,。
4.3 搶占式MAC機制
在TAS機制中,，會存在兩個問題：①保護帶寬消耗了一定的采樣時間；②低優(yōu)先級反轉的風險,。因此,，TSN的802.1Qbu和IEEE 802.3工作組共同開發(fā)了IEEE 802.3br，即可搶占式MAC機制,?；趽屨际組AC的傳輸機制[19]如圖11所示,。其采用了802.3TG中的幀搶占機制，將給定的出口分為2個MAC服務接口,，分別稱為可被搶占MAC（pAMC-Preemptable MAC）和快速MAC（eMAC-express MAC）,。pMAC可以被eMAC搶占，進入數(shù)據(jù)堆棧后等待eMAC數(shù)據(jù)傳輸完成,，再傳輸,。
圖11 基于搶占式MAC的傳輸機制
通過搶占，保護帶寬可以被減少至最短低優(yōu)先級幀片段,。然而,，在最差情況下，低優(yōu)先級的片段可以在下一個高優(yōu)先級前完成,。當然,，搶占這個傳輸過程僅在連接層接口——即對于搶占式MAC，交換機需要專用的硬件層MAC芯片支持,。
4.4 周期性排隊與轉發(fā)機制
由于CBS機制僅可實現(xiàn)軟實時級,，路徑拓撲會導致持續(xù)的延時增加。而最差延時情況與拓撲,、跳數(shù),、交換機的緩沖需求相關。因此,，TSN工作組推進了周期性排隊與轉發(fā)（cyclic quening forwarding,CQF）機制（又稱蠕動整形器）,。作為一個同步入隊和出隊的方法，CQF使得運行允許LAN橋與幀傳輸在一個周期內(nèi)實現(xiàn)同步,，以獲得零堵塞丟包以及有邊界的延時,，并能夠獨立于網(wǎng)絡拓撲結構而存在。IEEE 802.1Qch標準定義了CQF要與IEEE 802.1Qci標準相互配合使用,。IEEE 802.1Qci-t表明,，它會根據(jù)達到時間、速度,、帶寬,，對橋節(jié)點輸入的每個隊列進行濾波和監(jiān)管，用于保護過大的帶寬使用,、突發(fā)的傳輸尺寸以及錯誤或惡意端點,。IEEE 802.1Qch所采用的CQF機制遵循了一個“每周期走一步”的策略，為數(shù)據(jù)傳輸賦予了確定性,。
CQF可以與幀搶占IEEE 802.1Qbu合并使用,，以降低完整尺寸幀到最小幀片段的傳輸周期時間。為使CQF正常工作,，必須將所有幀保持在其分配的周期內(nèi),。因此,，需要考慮周期時間，使得中間網(wǎng)橋的周期與第一次和最后一次傳輸?shù)臅r間都對齊,，以確保達到所需的等待時間邊界,。為此，CQF結合Qci入口策略和IEEE 802.1Qbv整形器,，可確保所有幀保持在確定的延時范圍,，并保證在其分配時間內(nèi)發(fā)送。
4.5 異步流整形機制
CQF和TAS提供了用于超低延時的數(shù)據(jù),，依賴網(wǎng)絡高度時間協(xié)同,，以及在強制的周期中增強的包傳輸。但其對帶寬的使用效率并不高,。因此,，TSN工作組提出IEEE 802.1Qcr異步流整形（asynchronous traffic shaper，ATS）機制,。ATS基于緊急度的調(diào)度器設計,。其通過重新對每個跳轉的TSN流整形，以獲得流模式的平滑,，實現(xiàn)每個流排隊,，并使得優(yōu)先級緊急的數(shù)據(jù)流可以優(yōu)先傳輸。ATS以異步形式運行,，橋和終端節(jié)點無需同步時間,。ATS可以更高效地使用帶寬，可運行在高速連接應用的混合負載時間,，如周期和非周期數(shù)據(jù)流,。
5 TSN網(wǎng)絡配置標準IEEE 802.1Qcc
對于TSN而言，在時鐘同步,、調(diào)度策略之后,，就必須考慮網(wǎng)絡配置的問題。在AVB中,，SRP是一種分布式網(wǎng)絡配置機制,。而在更為嚴格的工業(yè)應用中，需要更為高效,、易用的配置方式,。IEEE 802.1Qcc是目前普遍接受的配置標準,。TSN網(wǎng)絡配置的集中式模式原理[20]如圖12所示,。
圖12 TSN網(wǎng)絡配置的集中式模式原理圖
對于IEEE802.1Qat所提供的SRP機制而言，這是一種分布式方式的網(wǎng)絡需求與資源分配機制,。新的注冊或退出注冊,、任何變化與請求都將導致網(wǎng)絡延時和超負荷,，降低網(wǎng)絡的傳輸效率。因此,，TSN工作組又提供了IEEE 802.1Qcc支持集中式的注冊與流預留服務,，稱為SRP增強模式。在這種模式下,，系統(tǒng)通過降低預留消息的大小與頻率（放寬計時器）,，以便在鏈路狀態(tài)和預留變更時觸發(fā)更新。
此外,，IEEE802.1Qcc提供了一套工具,，用于全局管理和控制網(wǎng)絡，通過UNI來增強SRP,，并由一個集中式網(wǎng)絡配置（centralized network configuration,，CNC）節(jié)點作為補充。UNI提供了一個通用L2層服務方法,。CNC與UNI交互以提供運行資源的預留,、調(diào)度以及其他類型的遠程管理協(xié)議，如NETCONF或RESTCONF,；同時,，IEEE 802.1Qcc與IETF YANG/NETCONF數(shù)據(jù)建模語言兼容。
對于完全集中式網(wǎng)絡,，可選的CUC節(jié)點通過標準API與CNC通信,，用于發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點、檢索終端節(jié)點功能和用戶需求,，以及配置優(yōu)化的TSN終端節(jié)點的功能,。其與更高級的流預留協(xié)議（例如RSVP）的交互是無縫的，類似于AVB利用現(xiàn)有的SRP機制,。
IEEE 802.1Qcc仍然支持原有的SRP的全分布式配置模式,，允許集中式管理的系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)間共存。此外,，IEEE 802.1Qcc支持一種稱為混合配置模式,，從而為舊式設備提供遷移服務。這個配置管理機制與IEEE 802.1Qca路徑控制與預留,，以及TSN整形器相結合,，可以實現(xiàn)端到端傳輸?shù)牧愣氯麚p失。
對于整個網(wǎng)絡而言,，必須有高效,、易用的網(wǎng)絡配置，以獲得終端節(jié)點,、橋節(jié)點的資源,、每個節(jié)點的帶寬,、數(shù)據(jù)負載、目標地址,、時鐘等信息,，并匯集到中央節(jié)點進行統(tǒng)一進調(diào)度，以獲得最優(yōu)的傳輸效率,。
6 TSN應用前景
TSN的應用前景非常廣闊,，目前來說聚焦于以下幾個方面。
6.1 汽車領域
在汽車工業(yè)領域,，隨著高級輔助駕駛系統(tǒng)（advanced driver assistance system,，ADAS）的發(fā)展，迫切需要更高帶寬和響應能力的網(wǎng)絡來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CAN總線,。IEEE 802.1AVB就是汽車行業(yè)發(fā)起并正在執(zhí)行的標準組,。目前，奧迪,、奔馳,、大眾等已經(jīng)開始進行基于TSN的以太網(wǎng)應用測試與驗證工作。2019年,，由三星所發(fā)起的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟向TTTech投資9 000萬美元,，共同開發(fā)基于以太網(wǎng)的車載電子系統(tǒng)。
6.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將意味著更為廣泛的數(shù)據(jù)連接需求,，通過機器學習,、數(shù)字孿生技術來更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)作用，為整體的產(chǎn)線優(yōu)化提供支撐,。而這些數(shù)據(jù)（包括機器視覺,、AR/VR數(shù)據(jù)）將需要更高的帶寬。因此,，來自于ICT領域的CISCO,、華為等廠商都將目標聚焦于通過OPC UA over TSN的網(wǎng)絡架構來實現(xiàn)這一互聯(lián)需求。OPC UA扮演了數(shù)據(jù)規(guī)范與標準的角色,，而TSN則賦予它實時性傳輸能力,。這樣的架構可以實現(xiàn)從傳感器到云端的高效連接，在很多場景可以直接省略掉傳統(tǒng)工業(yè)架構中的控制器層,，形成一個新的分布式計算架構,。
6.3 工業(yè)控制
目前，在工業(yè)領域,，包括貝加萊,、三菱、西門子、施耐德,、羅克韋爾等主流廠商已經(jīng)推出其基于TSN的產(chǎn)品。貝加萊推出新的TSN交換機,、PLC,，而三菱則采用了TSN技術的伺服驅動器。未來,，TSN將成為工業(yè)控制現(xiàn)場的主流總線,。
TSN的意義對于工業(yè)而言并非僅僅是實時性，而在于通過TSN實現(xiàn)了從控制到整個工廠的連接,。TSN是IEEE的標準,，更具有“中立性”，因而得到了廣泛的支持,。未來,，TSN將會成為工業(yè)通信的共同選擇。
7 結論
本文旨在通過對當前國際產(chǎn)業(yè)界前沿的時間敏感型網(wǎng)絡進行全景的介紹,，對其發(fā)展的必要性,、技術的前沿性進行探索，并通過對其關鍵技術進行的解析來探尋其應用場景,、技術實現(xiàn)路徑,。希望通過這一前沿技術的解讀，使得國內(nèi)在推進智能制造,、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng),、大數(shù)據(jù)應用領域的研發(fā)人員及時了解這些產(chǎn)業(yè)動態(tài)，緊追國際前沿,，開發(fā)有利于適應于我國自身的相應產(chǎn)品與技術,。