AII_TSN时间敏感网络解决方案 -TSN 解决方案白皮书.docx

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1、TSN解决方案白皮书-、TSN发展现状(一)TSN技术发展现状1. TSN标准发展现状TSN标准协议由电气与电子工程师协会(IEEE)的TSN任务组定义,是基于标准以太网技术提供确定性服务的解决方案，最大的特点就是通过精确的时间调度、确定的时延完成数据包的传输，从而满足工业等领域严苛的传输要求。如下图所示，TSN协议族包含定时与同步、时延控制、可靠性、资源管理四个类别的子协议，同时还定义了不同场景下的应用行规。类别协议定时与同步IEEE802.IAS,IEEE802.IAS-REV时延控制IEEE802.IQav,IEEE802.IQbv,IEEE802.IQbu,IEEE802.IQch,I

2、EEE802.IQcr可靠性TEEE802.1CB,IEEE802.IQca,IEEE802.IQci资源管理IEEE802.IQat,IEEE802.IQcc,IEEE802.IQcp应用行规IEEE802.IBA,IEEE802.1CM,IEC/1EEEP60802,IEEEP802.1DF,TEEEP802.IDG,IEEEP802.IDP图1TSN协议族分类情况定时与同步TSN采用IEEE802.IAS和IEEE802.IAS-REV实现时间同步。IEEE802.IAS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.IAS又被称为gPTP广

3、义时钟同步协议，嵌入在MAC层硬件中。该协议工作于链路层，在数据帧中插入时间信息,并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Ius以内。时延控制TSN不仅要保证时间敏感数据流的可靠到达，同时也要保证这些数据流有界的确定性的时延传输。TSN时延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带宽和传输时间，从而保证关键业务的可靠性和时延确定性。流量整形涉及的协议包括：IEEE802.IQav:一种基于信用的整形器，可以实现毫秒级的时延上限保证；IEEE802.IQbv:基于队列的时间感知整形器实现类似时间触发的通信，可保证微秒级的延迟上限及

4、亚微秒级的抖动；IEEE802.IQch:一种循环队列转发的整形机制，旨在构建具有固定延迟上限和抖动的传输环境；IEEE802.IQbu:帧抢占功能可以进一步减小关键流量的时延，配合TAS和CQF等门控机制一起使用可以提高网络带宽利用率；IEEE802.IQcr:TSN交换机和端系统的异步整形机制，避免了同步依赖。可靠性对数据传输实时性要求高的应用也需要高可靠的数据传输机制以便应对Bridge节点失效、线路断路和外部攻击等带来的各种问题，来确保功能安全和网络安全。TSN传输可靠性保证协议包括：IEEE802.ICB：通过冗余消息以及在网络中设置冗余链路进行并行传输来提高可靠性，减少链路和节点失

5、效对网络造成的影响；IEEE802.IQca：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中控制参数的分配等；IEEE802.IQci：TSN协议簇中的PSFP协议类似于防火墙的机制。它工作于交换机的入口，通过各种约束来监管每个流的输入，将故障隔离到网络中的特定区域，以防止出站队列被非法帧淹没。资源管理在TSN网络中，每一种实时应用都有特定的网络性能需求。使能TSN网络的某个特性是对可用的网络资源进行配置和管理的过程，该操作允许在同一网络中通过配置一系列TSN子协议，来合理分配网络路径上的资源，以确保它们能够按照预期正常运行。应用行规除了TSN

6、功能相关的标准外，TSN任务组还定义了TSN在不同场景的应用规范，包括IEEE802.IBA音视频桥接网络、IEEE802.ICM移动前传网络、IEC/IEEE60802工业自动化、IEEEP802.IDG车载网络和IEEEP802.1DPSAEAS6675航空航天等，其中前两个应用规范已正式发布，后面三个还处在草案讨论阶段，尚未发布正式标准。2. TSN技术研究发展现状近年来TSN技术研究主要集中在控制架构、调度算法以及与其他技术融合等方面。(1)TSN控制架构IEEE802.1QCC协议定义了TSN控制平面的架构模型，包括全分布式、分布式用户/集中式网络、全集中式等3种控制架构模型。全分布

7、式架构模型中没有集中的网络控制器，终端通过资源预留协议携带用户需求信息逐跳传输，并在沿途的交换机上预留资源。由于交换机仅具备本地可用资源信息，无法以全局视角进行资源分配，因此全分布式模型仅适用于采用IEEE802.1QaV机制的音视频系统，难以支持需要更低延时和更高精度的工业控制等应用。分布式用户/集中式网络模型为分布式的用户管理和集中式的网络控制模型，终端通过UNl向TSN网络提交需求，网络通过集中式网络控制器(CNC),实现所有交换机的集中管控，并基于全局网络视图计算最优的路径和时隙，通过标准化的南向接口下发到交换机。全集中式模型体现在用户管理和网络控制均为集中式架构。增加了集中式用户配置

8、(CUC)单元对用户终端进行集中管理，能够发现终端节点、检索终端功能和用户需求。此模式下所有的用户需求均在CUC与CNC之间交互，CUC采集终端业务的带宽时延抖动等网络服务质量需求，并将其转换后通过UNI接口发给CNC,CNC完成计算后将结果返回CUC,并由CUC完成终端的配置。(2)调度与路由的研究IEEE802.1QbV标准中定义了时间感知整形器，旨在优化以太网帧的传输优先级，保证时间敏感信息在规定时间送达，通过一定的调度算法在所有交换机出端口确定每个数据帧的传输顺序和时间，保证所有帧在出口链路上依次传输而不会发生冲突，同时在全网范围保证每个帧能够顺利通过传输路径的所有出端口，并满足流量各

9、自的延时和带宽要求，使不同类别的流量在同一网络上得以共存。当前主流的调度算法主要包含：整数线性规划、启发式算法、可满足性模理论/优化模理论、禁忌搜索、贪心随机自适应搜索等。(3) TSN与OPCUA、5G等工业新技术融合TSN仅提供了数据链路层的协议标准，保证数据实时可靠的传输。但作为完整的确定性网络解决方案，TSN必然面临与其他技术融合的问题。TSN实现了开放的、“一网到底”的网络，解决了网络互联的问题，但各个工业以太网协议在数据层面依旧无法互通。而OPCUA使用一套通用的数据解析机制解决了工业互联网中水平信息集成与垂直信息集成两个维度“语义互操作”的复杂问题，实现设备与设备、设备和企业、以

10、及不同厂商设备之间的交互。OPCUA作为工业4.0参考架构模型(RAMI4.0)中唯一推荐的通信层实现方法，是异构数据交互最通用的国际标准。TSN+0PCUA真正做到了不同工业设备之间既能听得见又能听得懂，解决了网络互联和数据互通的问题，是构建开放工业网络的理想架构和未来必然的发展方向。随着5G网络系统技术的发展及建设的深入，垂直行业对于网络的需求向超低时延、确定性、高可靠等高性能方向发展。TSN与5G网络系统融合，一方面可以利用5G将工业设备以无线的方式接入到有线网络，为TSN网络提供不受电缆限制的、可靠的设备接入能力。另一个方面，将TSN的核心机制深度集成到5G技术当中，如TSN中灵活的流

11、量调度机制和高精度的时钟同步机制等，以保证数据在5G网络中端到端的确定性传输。通过对TSN技术的集成，可进一步增强5G的可靠性和确定性。5G+TSN正在成为工业有线-无线融合、IT-OT融合的关键技术。(4) TSN与已有工业技术的融合当前工业以太网协议在工厂OT网络中发挥重要作用，对于任何工业应用而言，保持技术的稳定性、继承性是一种必须的考量。因此，技术的升级必须尽量的平滑，TSN不会迅速取代现有的工业网络，而是会有长期共存的阶段。自TSN技术问世以来，主要工业以太网协议组织开始积极制定新的标准，开发与TSN兼容的工业以太网协议，使得不同工业以太网协议生态系统用户能平滑升级到最新TSN技术，

12、如PrOfinetoverTSNEtherCATTSN.CC-1.inkIETSN等。（二）TSN解决方案发展现状1 .国内发展现状工业互联网产业联盟（An）于2020年启动了“时间敏感网络（TSN）产业链名录”计划，打造设备厂商产品研制和工业企业采购选型的风向标，加速TSN成为网络化改造与智能化升级的技术支撑。产业链名录从7大行业场景、7种产品门类、8个技术维度梳理了产业需求、明确产业供给能力。并于2021年对TSN交换机和网关产品进行测试认证，极大的推进了TSN产业生态的发展。此外，国内许多高校、企业和研究机构，在TSN方面进行了相关研究。国防科大研发了支持TSN关键技术验证的开源项目OP

13、enTSN,提供了面向航空航天、车载和工业控制的解决方案；鹏城实验室完成了基于TSN的端到端确定性原型系统网络构建和平台发布；飞腾研发了基于TSN芯片的高性能国产化处理器，助力国产TSN嵌入式控制的市场创新；三旺通信研发了基于特定场景的端到端TSN应用解决方案。整体来看，国内TSN解决方案发展正处于蓄势期。2 .国际发展现状国际主流的自动化厂商都已发布TSN产品或测试产品，贝加莱发布了支持OPCUAoverTSN的交换机、P1.C、总线控制器等产品。SIEMENS在2018年汉诺威展发布了ProfinetoverTSN的产品。对于TSN在工业网络的应用，西门子在整个控制系统网络中采用OPCUA

14、overTSN来实现北向通信；使用PROFINEToVerTSN来实现南向通信。通过OPCUA和Profinet共享同一个基于TSN的以太网网络，轻松将现场级设备数据实时、高速地传输至SCADA,MES和ERP系统以及云等整个企业网络，实现真正的互联互通。此外，2019年三菱发布了CC-1.inkIETSN产品。TTTech.CISCO,赫斯曼等厂商也发布了TSN交换机产品。芯片和模组方面的产品日渐成熟，BCM博通、MARVE1.1.美满电子、ADl亚德诺、INTE1.英特尔和NXP恩智浦等多家头部企业都发布了面向工业、车载的TSN芯片。二、TSN通用解决方案（一）通用解决方案概述TSN通用解

15、决方案是指利用TSN技术和产品构建互联互通的网络，达到工业场景共性数据通信服务需求，其通用性主要表现在符合TSN相关标准和满足全产业基础能力构建两方面。通用解决方案的构成要素包括根据需求选择遵循标准协议的技术，配置桥接器、终端等设备来搭建实际的网络。从TSN历史演进、发展现状以及未来趋势的角度，通用解决方案可分为三个阶段。（1）分布式资源预留和强端网协同以AVB解决方案为代表，AVB解决方案要求在网络数据转发层面使用基于信用的整形（CBS）.在网络控制管理层面使用流预留协议（SRP）.同时要求支持广义精确时间协议（gPTP）。SRP和CBS的配合使用，使得AVB解决方案可以为音视频流量提供两个

16、等级的时延上限保障；而gPTP则可以为AVB网络中的端设备实现时间同步，进而配合音视频传输协议(AVTP),在数据报文中携带时间戳，实现应用侧同步播放的要求。(2)更丰富的TSN技术和集中式资源预留在CBS、SRP.gPTP之后，越来越多的新技术也逐渐加入了TSN的大家庭，例如门控调度、帧抢占、异步流量整形(ATS)等。TSN用于移动前传的解决方案中，要求使用基础的严格优先级(SP)调度；TSN用于工业自动化、承载网、车载网的解决方案中，虽然没有最终确定，但门控调度、异步流量整形等会是重点的可选用的TSN子技术。同时，为了在这些解决方案中实现对网络设备的正确配置，集中式资源预留的方案成为了讨论的热点。TSN标准定义了“全分布式”、“分布式用户/集中式网络”、“全集中式”三种配置模型，后两者都属于集中式资源