時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )（TSN）技術(shù)綜述——最系統最全面的TSN技術(shù)解讀

0 引言

　　隨著(zhù)信息技術(shù)（informationtechnology,IT）與運營(yíng)技術(shù)（operation technology,OT）的不斷融合，對于統一網(wǎng)絡(luò )架構的需求變得迫切。智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數據的發(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(cháng)一段時(shí)間，融合這兩個(gè)領(lǐng)域出現了很大的障礙：互聯(lián)網(wǎng)與信息化領(lǐng)域的數據需要更大的帶寬，而對于工業(yè)而言，實(shí)時(shí)性與確定性則是問(wèn)題的關(guān)鍵。這些數據通常無(wú)法在同一網(wǎng)絡(luò )中傳輸。因此，尋找一個(gè)統一的解決方案已成為產(chǎn)業(yè)融合的必然需求。

　　時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )（timesensitive network，TSN）是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動(dòng)的全新工業(yè)通信技術(shù)。時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )允許周期性與非周期性數據在同一網(wǎng)絡(luò )中傳輸，使得標準以太網(wǎng)具有確定性傳輸的優(yōu)勢，并通過(guò)廠(chǎng)商獨立的標準化進(jìn)程，已成為廣泛聚焦的關(guān)鍵技術(shù)。目前，IEEE、IEC等組織均在制定基于TSN的工業(yè)應用網(wǎng)絡(luò )的底層互操作性標準與規范[1]。

1 實(shí)時(shí)通信技術(shù)的發(fā)展及需求

1.1總線(xiàn)時(shí)代

　　早在20世紀70年代，隨著(zhù)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(xiàn)也誕生。至今，總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近50年，各始創(chuàng )公司開(kāi)發(fā)了多種總線(xiàn)，其在介質(zhì)、信號電平、校驗方式、物理接口、波特率等多個(gè)指標方面都有不同。20世紀90年代，隨著(zhù)競爭的加劇，各公司在IEC爭取主導地位，產(chǎn)生了“總線(xiàn)之爭”。IEC因此產(chǎn)生了多達18個(gè)總線(xiàn)標準，對訪(fǎng)問(wèn)造成很大障礙。

1.2 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)階段

　　進(jìn)入21世紀，隨著(zhù)標準以太網(wǎng)成本的下降，總線(xiàn)開(kāi)始進(jìn)入基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )時(shí)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(kāi)發(fā)了PROFINET，Rockwell、 ABB開(kāi)發(fā)了基于DeviceNet應用層協(xié)議的Ethernet/IP，Beckhoff開(kāi)發(fā)了EtherCAT，Rexroth開(kāi)發(fā)了基于SERCOS的SERCOSIII。這些網(wǎng)絡(luò )均采用了標準以太網(wǎng)介質(zhì)，即在物理層和數據鏈路層統一了標準，而在應用層仍然保持原有的應用層，旨在保護用戶(hù)的軟件資產(chǎn)投入。

1.3 在智能時(shí)代的網(wǎng)絡(luò )融合需求

　　2014年以后，隨著(zhù)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。傳統的以太網(wǎng)通常不支持交換機網(wǎng)絡(luò )（考慮到延時(shí)，通常采用HUB的透傳方式），其輪詢(xún)機制（如Profinet、POWERLINK、Ethernet/IP）或集束幀技術(shù)（如EtherCAT、SERCOSIII）使得標準以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)無(wú)法在同一網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行數據的傳輸。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，制造現場(chǎng)控制所需的實(shí)時(shí)性數據和生產(chǎn)管理與優(yōu)化層所需的非實(shí)時(shí)性數據要通過(guò)統一網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行集中，在統一的數據平臺進(jìn)行數據處理與分析，并能夠下發(fā)到各個(gè)控制器執行；而一些全局優(yōu)化的工作并不需要通過(guò)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(luò )的需求變得迫切。另外，對于制造業(yè)的終端用戶(hù)而言，生產(chǎn)系統往往由來(lái)自不同企業(yè)的設備與系統構成，必須有統一的網(wǎng)絡(luò )與協(xié)議規范。因此，獨立于廠(chǎng)商的總線(xiàn)在智能時(shí)代變得更為必要。

　　工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展過(guò)程如圖1所示[2]。

　　圖1 工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

2 TSN的簡(jiǎn)要發(fā)展

　　TSN本身并非是一項全新的技術(shù)。IEEE于2002年發(fā)布了IEEE 1588[3]精確時(shí)鐘同步協(xié)議。2005年，IEEE 802.1成立了IEEE 802.1AVB工作組，開(kāi)始制定基于以太網(wǎng)架構的音頻/視頻傳輸協(xié)議集，用于解決數據在以太網(wǎng)中的實(shí)時(shí)性、低延時(shí)以及流量整形的標準，同時(shí)又確保與以太網(wǎng)的兼容性。AVB引起了汽車(chē)工業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)組織及企業(yè)的關(guān)注。其成立了TSN工作組，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了時(shí)鐘同步、流量調度、網(wǎng)絡(luò )配置系列標準集。在這個(gè)過(guò)程中，由AVnu、IIC、OPC UA基金會(huì )等組織共同積極推進(jìn)TSN技術(shù)的標準。工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)（包括B&R、TTTech、SEW、Schneider等）著(zhù)手為工業(yè)領(lǐng)域的嚴格時(shí)間任務(wù)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(kāi)了第一次整形器工作組會(huì )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(shù)的研究，并構建了多個(gè)測試床。2019年，IEC與IEEE合作成立IEC 60802工作組，并在日本召開(kāi)了第一次工作組會(huì )議，以便工業(yè)領(lǐng)域的TSN開(kāi)發(fā)可以實(shí)現底層的互操作。同時(shí)，在OPC UA基金會(huì )也成立了(field level communication,FLC)工作組，將TSN技術(shù)與OPC UA規范融合，以提供適用于智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的高帶寬、低延時(shí)、語(yǔ)義互操作的工業(yè)通信架構。

　　圖2簡(jiǎn)要說(shuō)明了IEEE組織TSN相關(guān)標準的發(fā)布過(guò)程[4]。其中，IEEE802.1Qat[5]是早期的網(wǎng)絡(luò )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(guān)標準的發(fā)布過(guò)程

3 TSN基本概念

　　TSN由一系列技術(shù)標準構成。其主要分為時(shí)鐘同步、數據流調度策略（即整形器）以及TSN網(wǎng)絡(luò )與用戶(hù)配置三個(gè)部分相關(guān)標準。

3.1 VLAN技術(shù)

　　按照網(wǎng)絡(luò )架構，網(wǎng)絡(luò )通常分為標準以太網(wǎng)、確定性以太網(wǎng)。TSN實(shí)現了混合網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸能力，滿(mǎn)足標準以太網(wǎng)的分布式對等架構、確定性網(wǎng)絡(luò )所采用的輪詢(xún)/集束幀技術(shù)各自的存在的要求，并使得網(wǎng)絡(luò )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(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)。QoS是一種基礎網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，用于為網(wǎng)絡(luò )通信提供更好的服務(wù)。它是一種網(wǎng)絡(luò )安全機制，用于解決網(wǎng)絡(luò )延時(shí)與擁塞的問(wèn)題。最初的Internet并未設計QoS機制。為滿(mǎn)足用戶(hù)不同應用的服務(wù)質(zhì)量需求，需要網(wǎng)絡(luò )能夠根據用戶(hù)需求進(jìn)行配置與資源調度。IEEE 802.1Q標準是一種包含了QoS機制的網(wǎng)絡(luò )，能夠提供網(wǎng)絡(luò )性能的可預知性，并有效分配網(wǎng)絡(luò )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(gè)字節用于定義其特征。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(luò )類(lèi)型識別，代表這是一個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò )，標記0X8100。

　?、趦?yōu)先級代碼（prioritycode point，PCP）由3位代碼構成。

　?、蹃G棄標志位：對于網(wǎng)絡(luò )低QoS要求的數據，可以丟棄，以確保高優(yōu)先級數據的QoS。

　?、躒LANIdentifier（VID）：VLAN網(wǎng)絡(luò )的識別號，12位表示可支持的子網(wǎng)數量，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(gè)子網(wǎng)。這表明TSN是為了大型的數據傳輸而設計的。

3.1.2 優(yōu)先級的定義

　　TSN有一個(gè)服務(wù)等級(class of service,CoS)的概念。對TSN網(wǎng)絡(luò )而言，不同優(yōu)先級的服務(wù)對應圖3中的PCP碼。3位PCP碼定義了0（最低）～7(最高）這8個(gè)優(yōu)先級，傳輸類(lèi)型分別對應

　　基礎、最大努力、卓越努力、嚴苛應用、延時(shí)和抖動(dòng)小于100 ms的視頻、延時(shí)和抖動(dòng)小于10 ms的音頻、內部網(wǎng)絡(luò )控制、網(wǎng)絡(luò )控制。其會(huì )對網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景進(jìn)行不同的匹配，是后續調度、配置設計中會(huì )考慮到的數據流調度因素。

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據鏈路層的標準。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(shí)鐘同步與延時(shí)計算

　　對于通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域而言，所有的任務(wù)都是基于時(shí)間基準的。因此，精確時(shí)鐘同步是基礎的標準。TSN首先要解決網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)鐘同步與延時(shí)計算問(wèn)題，以確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)調度具有高度一致性。

3.3.1 時(shí)鐘同步機制

　　TSN標準由IEEE 802.1AS[10]和為工業(yè)所開(kāi)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(shí)鐘同步協(xié)議發(fā)展的，稱(chēng)為gPTP-廣義時(shí)鐘同步協(xié)議。gPTP是一個(gè)分布式主從結構，它對所有g(shù)PTP網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)鐘與主時(shí)鐘進(jìn)行同步。首先由最佳主時(shí)鐘算法（best clock master algrothms，BCMA）建立主次關(guān)系，分別稱(chēng)為主時(shí)鐘（clock master,CM）和從時(shí)鐘(clock slave,CS)。每個(gè)gPTP節點(diǎn)會(huì )運行一個(gè)gPTP Engine。IEEE1588所采用的PTP是由網(wǎng)絡(luò )的L3和L4層的IP網(wǎng)絡(luò )傳輸，通過(guò)IPv4或IPv6的多播或單播進(jìn)行分發(fā)時(shí)鐘信息。而gPTP則是嵌入在MAC層硬件中，只在L2工作，直接對數據幀插入時(shí)間信息，并隨著(zhù)數據幀傳輸到網(wǎng)絡(luò )每個(gè)節點(diǎn)。

　　gPTP應用快速生成樹(shù)協(xié)議（papid spanning tree protocol，RSTP）。這是一種網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)路徑規劃，網(wǎng)絡(luò )配置后生成一個(gè)最優(yōu)路徑。其由TSN橋接節點(diǎn)計算并以表格形式分發(fā)給每個(gè)終端節點(diǎn)存儲。當一個(gè)TSN節點(diǎn)要發(fā)送數據時(shí)，它會(huì )先檢查這個(gè)表格，計算最短路徑，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )以最短路徑傳送至需要接收的節點(diǎn)。IEEE 802.1AS的時(shí)鐘結構[2]如圖5所示。

　　圖5 IEEE802.1AS的時(shí)鐘結構

　　圖5中，最左下方的802.1AS端點(diǎn)從上游CM接收時(shí)間信息。該時(shí)間信息包括從GM到上游CM的累計時(shí)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(shí)測量并用于校正接收時(shí)間。在調整（校正）接收時(shí)間后，本地時(shí)鐘應與gPTP域的GM時(shí)鐘同步。SN網(wǎng)絡(luò )也支持交叉通信，每個(gè)節點(diǎn)都會(huì )有RSTP所給出的路徑表。

　　802.1AS的核心在于時(shí)間戳機制（Timestamping）。PTP消息在進(jìn)出具備802.1AS功能的端口時(shí)，會(huì )根據協(xié)議觸發(fā)對本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘（real time clock,RTC）采樣，并將自己的RTC值與來(lái)自該端口相對應的CM信息進(jìn)行比較；利用路徑延時(shí)測算和補償技術(shù)，將RTC時(shí)鐘值匹配到PTP域的時(shí)間。當PTP同步機制覆蓋整個(gè)AVB局域網(wǎng)，各網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備間就可以通過(guò)周期性的PTP消息的交換,精確地實(shí)現時(shí)鐘調整和頻率匹配算法。最終，所有的PTP節點(diǎn)都將同步到相同的“掛鐘”（Wall Clock）時(shí)間，即主節點(diǎn)時(shí)間。在最大7跳的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，理論上PTP能夠保證時(shí)鐘同步誤差在1 μs以?xún)取?/div>