傳統(tǒng)以太網(wǎng)的傳輸機(jī)制類似于公路運(yùn)輸,，從一個地方去到另一地方所需的時間取決于沿途公路的擁堵情況,，時延往往波動較大并具有不確定性,。隨著以太網(wǎng)應(yīng)用的推廣,，音視頻應(yīng)用首先對以太網(wǎng)傳輸提出了確定性時效的需求。想象在一個廣闊的球場上東西兩側(cè)各有一個以太網(wǎng)連接的揚(yáng)聲器,，揚(yáng)聲器中間可能經(jīng)過多個交換機(jī)設(shè)備,，當(dāng)主持人講話時，我們希望兩個揚(yáng)聲器能夠同時發(fā)聲,，而不會出現(xiàn)一前一后疊音的情況,；進(jìn)一步的，即使同個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞€有其他應(yīng)用在使用流量,，我們也希望兩個揚(yáng)聲器的效果是穩(wěn)定的。

　　為了解決以太網(wǎng)中音視頻同步穩(wěn)定傳輸?shù)膯栴},，IEEE AVB （Audio Video Bridging） 工作組制定了一組802.1的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),，包含802.1AS, 802.1Qat, 802.1Qav等協(xié)議。隨著工業(yè)自動化和汽車市場對以太網(wǎng)實(shí)時通信需求的迅速增長,，2012年AVB工作組更名為TSN （Time-Sensitive Networking） 工作組,，擴(kuò)展AVB技術(shù)的適用范圍以統(tǒng)一解決網(wǎng)絡(luò)傳輸中的時效性問題。相對于傳統(tǒng)以太網(wǎng),，AVB 主要提供了以下三個能力：

　　預(yù)留帶寬 （Bandwidth-reservation）

　　流量優(yōu)先級 （Traffic-priorititzation）

　　時間同步 （Time-synchronization）

　　TSN 擴(kuò)展了AVB的能力,，增加了兩個新的能力：

　　時間調(diào)度流量 （Time-scheduled traffic）

　　搶占幀 （Frame-preemption）

　　TSN 是一組IEEE 802.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括  802.1AS-Rev, 802.1Qbv, 802.1Qbu, 802.1CB等多個協(xié)議,，工作在OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層 - 數(shù)據(jù)鏈路層,。

　　802.1AS（-Rev） Timing and Synchronization

　　全局時鐘同步是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)確定性通信的重要機(jī)制。802.1AS是IEEE 1588 PTP （Precision Time Protocol） 同步協(xié)議的一個推廣,，它支持兼容不同TSN設(shè)備之間的同步,。時鐘同步為每個參與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的流量調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。TSN中還定義了802.1AS-Rev來增加對容錯和多個主時鐘源的支持,。

　　如下圖,，時鐘同步在多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中進(jìn)行時，Slave節(jié)點(diǎn)同步到的時間為原主節(jié)點(diǎn)時間累加上鏈路延時（Pdelay）,，數(shù)據(jù)傳輸用時（transmissionTime）以及停留時間（residenceTime）：

　　TimeSynced = preciseOriginTimestamp + correctionField（1） + Pdelay（2） + transmissionTime（2）

　　correctionField（1） = Pdelay（1） + residenceTime + transmissionTime（1）

　　802.1Qbv Scheduled Traffic

　　流量調(diào)度是TSN中的一個核心概念,。基于802.1AS提供的共享全局時間,，802.1Qbv在參與的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間創(chuàng)建和分發(fā)一個時間計(jì)劃表,。802.1Qbv定義了控制TSN交換機(jī)出口處發(fā)送隊(duì)列的閥門開關(guān)的機(jī)制。計(jì)劃流量所在隊(duì)列在預(yù)定的時間窗口到達(dá)后會被放行傳輸,，而在同個時間窗口中其他非計(jì)劃流量的隊(duì)列會被阻止傳輸,，因此排除了計(jì)劃流量被非計(jì)劃流量阻塞的可能性。這意味著通過每個交換機(jī)的延遲是確定的，通過TSN網(wǎng)絡(luò)的消息延遲可以得到保證,。

　　如下圖示意,，交換機(jī)出口隊(duì)列的閥門好比十字路口的紅綠燈，當(dāng)有計(jì)劃好的關(guān)鍵消息需要傳輸時,，關(guān)鍵消息所在的隊(duì)列綠燈放行,，而其他非關(guān)鍵消息的隊(duì)列則紅燈暫停傳輸。在汽車領(lǐng)域,，新興的以太網(wǎng)作為主干的汽車電子架構(gòu)中,，傳輸在車載以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)既有需要實(shí)時響應(yīng)的關(guān)鍵車控信號數(shù)據(jù)（如剎車信號）也有重要性略低的車載娛樂應(yīng)用流量，802.1Qbv使得我們可以針對不同類型的流量調(diào)度,，實(shí)現(xiàn)車控信號實(shí)時傳輸而娛樂流量則見縫插針的使用車載以太網(wǎng)帶寬,。

　　802.1Qbu Frame Preemption

　　雖然802.1Qbv機(jī)制保護(hù)關(guān)鍵消息不受其他網(wǎng)絡(luò)流量的干擾，但它并不一定導(dǎo)致最佳帶寬使用或最小的通信延遲,。當(dāng)這些因素很重要時,，可以使用802.1Qbu中定義的搶占機(jī)制。802.1Qbu允許中斷標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸,，以便允許高優(yōu)先級幀的傳輸,，然后在不丟棄之前傳輸?shù)闹袛嘞⑵蔚那闆r下恢復(fù)傳輸。

　　如下圖所示,，綠色幀為關(guān)鍵消息,，橙色幀為非關(guān)鍵消息，橙色幀先到達(dá)并開始傳輸,。在可搶占式的MAC中,，當(dāng)綠色幀到達(dá)時，允許中斷橙色幀的傳輸,，先傳輸綠色幀,，完成后再繼續(xù)橙色幀的傳輸，從而使得關(guān)鍵消息更早完成傳輸,。

　　802.1CB Frame Replication & Elimination

　　802.1CB定義了在多鏈路中通過復(fù)制幀冗余管理實(shí)現(xiàn)消息高可用傳輸?shù)姆椒?。為了提高可用性，相同消息的冗余副本通過不相交的路徑并行在網(wǎng)絡(luò)中傳輸（用于路徑控制和保留的802.1Qca標(biāo)準(zhǔn)定義了如何設(shè)置這些路徑）,。冗余管理機(jī)制將這些來自不同鏈路的冗余消息聚合在一起,，去除重復(fù)消息后生成發(fā)送給接收方的單個信息流。

　　如下圖,，同樣的消息在上下兩條鏈路中傳輸,，即使其中一條鏈路中某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，消息仍能從另外的鏈路被投遞到目的節(jié)點(diǎn),。由于802.1CB工作在數(shù)據(jù)鏈路層,，幀復(fù)制和重復(fù)幀消除的操作對應(yīng)用層透明,。

　　802.1Qcc Central Configuration Method

　　802.1Qcc定義了TSN的網(wǎng)絡(luò)管理接口和協(xié)議。它對流保留協(xié)議（802.1Qat）的增強(qiáng)包括支持更多流,、可配置流保留類和流,、更好地描述流特性、支持第3層流,、確定性流保留收斂以及用于路由和保留的用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）,。802.1Qcc支持TSN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的離線和在線配置，采用集中配置模式,，由1或多個CUC（集中用戶配置）和1個CNC（集中網(wǎng)絡(luò)配置）構(gòu)成,。CUC制定用戶周期性時間相關(guān)的需求并傳輸過程數(shù)據(jù)到CNC，CNC計(jì)算TSN配置以滿足需求,。

　　802.1Qci Per-stream Filtering and Policing

　　為了防止流量過載影響網(wǎng)絡(luò)中的接收節(jié)點(diǎn),，802.1Qci可以在交換機(jī)入口處根據(jù)到達(dá)時間，速率和帶寬等信息過濾掉部分?jǐn)?shù)據(jù)幀,，避免錯誤的或惡意的節(jié)點(diǎn)破壞整個網(wǎng)絡(luò),，將故障隔離在網(wǎng)絡(luò)中的特定區(qū)域。

　　802.1Qca Path Control and Reservation

　　802.1Qca用于發(fā)現(xiàn)和收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械墓?jié)點(diǎn)信息,，以發(fā)現(xiàn)拓?fù)渲锌捎糜谌哂鄶?shù)據(jù)傳輸?shù)牟幌嘟宦窂健?/p>

　　TSN消除了傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于交通擁堵導(dǎo)致的不確定性，對于具有關(guān)鍵時間約束的應(yīng)用TSN是必不可少的,。目前TSN的發(fā)展已經(jīng)可以滿足汽車對可預(yù)測延遲和保證帶寬不斷增長的需求,。NXP推出的SJA1105QEL/SEL系列車載以太網(wǎng)千兆交換機(jī)在支持802.1Qav及802.1AS等AVB特性的基礎(chǔ)上擴(kuò)張支持了IEEE 802.1Qbv及IEEE 802.1Qci等TSN特性。隨著車載以太網(wǎng)逐漸成為汽車電子架構(gòu)中的主干網(wǎng),，TSN技術(shù)也將被越來越多的應(yīng)用在汽車領(lǐng)域中,。