AVB標(biāo)準(zhǔn)由同一工作組在IEEE開(kāi)發(fā)，通過(guò)部署流量保留和整形，確保在指定的時(shí)間段內(nèi)，從發(fā)送方到接收方的網(wǎng)絡(luò)傳輸流量不會(huì)突然變化。盡管AVB標(biāo)準(zhǔn)有其自己的特性，但它缺少以太網(wǎng)中高確定性流量類所需的一些關(guān)鍵屬性。TSN的調(diào)度、搶占和冗余功能提供更確定的延遲，更高效的數(shù)據(jù)包傳輸概率，以及跨網(wǎng)絡(luò)中冗余路徑的無(wú)縫時(shí)鐘同步。

　　AVB Gen1功能

　　簡(jiǎn)單介紹

　　AVB是由 IEEE 802.1時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組定義的一組規(guī)范，它們共同為音頻 / 視頻流應(yīng)用提供低延遲，時(shí)間同步的服務(wù)，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 AVB規(guī)范包括：

　　1）流預(yù)留協(xié)議（SRP）[IEEE 802.1Qat]，它解決網(wǎng)絡(luò)中音視頻實(shí)時(shí)流量與普通異步數(shù)據(jù)流量之間的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。通過(guò)協(xié)商機(jī)制，在音視頻流從源設(shè)備到不同交換機(jī)再到終端設(shè)備的整個(gè)路徑上預(yù)留出所需的帶寬資源，以提供端到端（End-to-End）的服務(wù)質(zhì)量及延遲保障。也就是直接留出傳輸余量給高優(yōu)先級(jí)的信息，進(jìn)行優(yōu)先傳輸。

　　2）時(shí)間敏感應(yīng)用的時(shí)序和同步 [IEEE 802.1AS]，它用于實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘同步，給所有以太網(wǎng)幀增加了精確的時(shí)間戳。

　　3）時(shí)間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)增強(qiáng) [IEEE 802.1Qav] 用于流媒體類應(yīng)用，因?yàn)橛辛诉@些時(shí)間戳，我們就可以根據(jù)時(shí)間進(jìn)行排程。IEEE 802.1Qav是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)和隊(duì)列控制協(xié)議，為數(shù)據(jù)流發(fā)送端和交換節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)成形的數(shù)據(jù)流服務(wù)。確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不會(huì)干擾到AVB的實(shí)時(shí)音視頻流。為了避免普通數(shù)據(jù)流量與AVB流量之間對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)，AVB交換機(jī)內(nèi)對(duì)時(shí)間敏感的音視頻流和普通數(shù)據(jù)流進(jìn)行了區(qū)別處理，將實(shí)時(shí)幀與異步幀分別進(jìn)行排隊(duì)，并且賦予實(shí)時(shí)幀最高的優(yōu)先級(jí)。

　　小結(jié)

　　AVB標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)定義流預(yù)留（SR）流量類來(lái)確保服務(wù)質(zhì)量（QoS）。根據(jù)上述三點(diǎn)基本原理，我們就大致可以理解為什么QoS無(wú)法解決傳輸不確定性的問(wèn)題。其原因是以太網(wǎng)交換機(jī)內(nèi)部具有緩沖效應(yīng)，如果交換機(jī)已經(jīng)在其中一個(gè)端口上傳輸以太網(wǎng)幀，即使是最高優(yōu)先級(jí)的幀也必須在交換機(jī)緩沖區(qū)內(nèi)等待之前的傳輸完成。而TSN則加載了時(shí)間戳，交換機(jī)內(nèi)部根據(jù)時(shí)間戳以及QoS進(jìn)行排程進(jìn)行處理，避免了這種不確定性的發(fā)生。

　　又舉例子，還是拿擠地鐵來(lái)說(shuō)事。有了QoS，雖然是你是VIP，但也要等已經(jīng)排隊(duì)上車的人上完車后你才能上。但是有了TSN，你作為VIP還自帶光環(huán)，在車門處預(yù)留了空間讓你先上車。這樣，調(diào)度人員（交換機(jī)）就可以根據(jù)時(shí)間戳，用優(yōu)先級(jí)運(yùn)用協(xié)議的算法來(lái)確保VIP（最重要的信息）可以在確定的時(shí)間內(nèi)上車。

　　盡管有基于信用的公平隊(duì)列（CBFQ），但在最壞的情況下，由于在其他業(yè)務(wù)干擾期間沒(méi)有搶占式調(diào)度，AVB流量仍然會(huì)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上延遲， 因此還需要AVB Gen2。

　　要實(shí)現(xiàn)新的綜合視頻/音頻、實(shí)時(shí)工業(yè)數(shù)據(jù)以及其它復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互的傳輸，那么就需要解決技術(shù)上的障礙（如以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突），并且在分布式時(shí)鐘同步、傳輸質(zhì)量上予以技術(shù)保障，也包括如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用所需的諸如高實(shí)時(shí)、冗余，以及信息安全及功能安全的機(jī)制保障。

　　為此IEEE802.1成了實(shí)時(shí)工作組，開(kāi)發(fā)TSN的標(biāo)準(zhǔn)，以及組織企業(yè)的測(cè)試等工作。

　　TSN（AVB Gen2）功能

　　時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是由IEEE 802組開(kāi)發(fā)的一套標(biāo)準(zhǔn)，它提供以下功能：

　　1）時(shí)間敏感應(yīng)用的定時(shí)和同步，IEEE802.1ASbt

　　2）計(jì)劃流量的增強(qiáng)功能，IEEE802.1Qbv

　　3）搶占幀（Frame Preemption），IEEE802.1Qbu

　　4）冗余網(wǎng)絡(luò)的路徑控制和保留，IEEE802.1Qca

　　5）流保留協(xié)議（SRP）增強(qiáng)功能支持 IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1 Qca / IEEE802.1CB，IEEE802.1Qcc

　　6）無(wú)縫冗余，IEEE802.1CB

　　IEEE 802.1ASbt 是對(duì) IEEE 802.1AS的增強(qiáng)。IEEE 802.1ASbt增加了對(duì)一步時(shí)間戳的支持，相對(duì)于IEEE 802.1AS中的兩步過(guò)程，這減少了在網(wǎng)絡(luò)中傳送定時(shí)信息的分組數(shù)量。在具有時(shí)間感知系統(tǒng)的daisy-chain 網(wǎng)絡(luò)中，分組流量和計(jì)算能力的減少是有用的。IEEE 802.1ASbt通過(guò)預(yù)先選擇好備用主時(shí)鐘，并確保在發(fā)生故障時(shí)快速地切換，來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)能力。這符合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)縫切換（優(yōu)選零時(shí)間）的要求。

　　IEEE 802.1Qbv時(shí)間感知隊(duì)列通過(guò)時(shí)間感知整形器 （Time Aware Shaper，TAS） 使TSN交換機(jī)能夠來(lái)控制隊(duì)列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標(biāo)識(shí)并指派給基于優(yōu)先級(jí)的VLAN Tag，每個(gè)隊(duì)列在一個(gè)時(shí)間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊(duì)列報(bào)文在預(yù)定時(shí)間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊(duì)列將被鎖定在規(guī)定時(shí)間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個(gè)交換機(jī)的延遲是確定的，可知的。而在TSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文延時(shí)被得到保障。

　　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(shí)，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(shí)響應(yīng)的關(guān)鍵車控信號(hào)數(shù)據(jù)（如剎車信號(hào)）也有重要性略低的車載娛樂(lè)應(yīng)用流量，802.1Qbv使得我們可以針對(duì)不同類型的流量調(diào)度，實(shí)現(xiàn)車控信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸而娛樂(lè)流量則見(jiàn)縫插針的使用車載以太網(wǎng)帶寬。

　　TAS介紹了一個(gè)傳輸門概念，這個(gè)門有 “開(kāi)”、“關(guān)” 兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)傳輸?shù)倪x擇過(guò)程——僅選擇那些數(shù)據(jù)隊(duì)列的門是 “開(kāi)” 狀態(tài)的信息。TAS保障時(shí)間要求嚴(yán)苛的隊(duì)列免受其它網(wǎng)絡(luò)信息的干擾，它未必帶來(lái)最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當(dāng)優(yōu)先級(jí)非常高時(shí)，搶占機(jī)制可以被使用。

　　IEEE 802.1Qbv主要為那些時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其必須確保非常低的抖動(dòng)和延時(shí)。IEEE 802.1Qbv 確保了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換。

　　IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr 轉(zhuǎn)發(fā)與隊(duì)列機(jī)制是IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的新補(bǔ)充，可以在信息傳輸?shù)臅r(shí)候讓高優(yōu)先級(jí)的幀打斷低優(yōu)先級(jí)的幀，最大限度地降低高優(yōu)先級(jí)信息流的延遲。在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用方面，搶占可以進(jìn)一步將不同技術(shù)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)融合在一個(gè)以太網(wǎng)和IP的基礎(chǔ)架構(gòu)里，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作以及訂單控制生產(chǎn)。通過(guò)大幅降低低優(yōu)先級(jí)信息流對(duì)重要信息流的影響，兩種信息流可以混合在同一鏈路上。

　　IEEE802.1Qcc Qcc 用于為TSN進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施和交換終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由 1 或多個(gè) CUC（集中用戶配置） 和1個(gè)CNC（集中網(wǎng)絡(luò)配置） 構(gòu)成。CUC制定用戶周期性時(shí)間相關(guān)的需求并傳輸過(guò)程數(shù)據(jù)到CNC，CNC計(jì)算TSN配置以滿足需求。

　　IEEE 802.1Qca 為數(shù)據(jù)流提供顯式路徑控制，帶寬和流預(yù)留以及冗余。它通過(guò)攜帶用于時(shí)間同步和調(diào)度的信息，使用 IS-IS 擴(kuò)展了最短路徑橋接（SPB）的功能，以控制橋接網(wǎng)絡(luò)。它通過(guò)使用PCE（路徑計(jì)算元素）提供顯式轉(zhuǎn)發(fā)路徑控制。PCE是一個(gè)實(shí)體，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谋硎居?jì)算出通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的路徑。IEEE 802.1CB依賴于IEEE 802.1Qca在從發(fā)送方到接收方的網(wǎng)絡(luò)中的不相交路徑上傳送消息。

　　IEEE802.1CB 標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)在發(fā)送端復(fù)制多個(gè)不相交路徑中的分組并消除多個(gè)點(diǎn)處的重復(fù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，使得監(jiān)聽(tīng)器僅看到一個(gè)分組。無(wú)縫冗余（IEEE802.1CB）與 IEEE802.1Qca和零擁塞相結(jié)合，可在數(shù)據(jù)包傳輸中提供最佳的QoS。它使用冗余標(biāo)記（類似于VLAN標(biāo)記）中攜帶的序列編號(hào)來(lái)復(fù)制和消除網(wǎng)絡(luò)中的重復(fù)數(shù)據(jù)包。

　　TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

　　雖然成套的TSN特性還在繼續(xù)擴(kuò)展，功能不斷改進(jìn)，但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提供了豐富的功能選擇，使基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案能夠在與傳統(tǒng)通信共存的網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)確定性，時(shí)間敏感，可靠的通信。

　　2018 年 11 月 27 日，在德國(guó)紐倫堡電氣自動(dòng)化系統(tǒng)及元器件展（SPS IPC），CC-Link協(xié)會(huì)正式發(fā)布最新的開(kāi)放式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 “CC-Link IE TSN”，宣布工業(yè)通信迎來(lái)新的變革時(shí)代。CC-Link IE TSN 規(guī)范在全球率先將千兆以太網(wǎng)帶寬與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） 相結(jié)合，在確?？刂茢?shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中與其它開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)、以及與IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信， 實(shí)現(xiàn) “多網(wǎng)互連互通”。

　　結(jié)語(yǔ)

　　TSN的核心思維是提出了一個(gè)可互操作的系統(tǒng)，并支持多個(gè)制造商、協(xié)議和機(jī)構(gòu)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上共享，同時(shí)數(shù)據(jù)使用相同的語(yǔ)言進(jìn)行解析，不僅可得，而且可用。作為底層的通用架構(gòu)，TSN使得更多企業(yè)可以在此架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)OT和IT的融合。這種融合提高了工業(yè)設(shè)備的連接性和通用性，并且面向未來(lái)，為大數(shù)據(jù)分析、邊緣智能、新型業(yè)務(wù)提供了更快更好的發(fā)展路徑。