连载 3：TSN网络的工作方式是怎样的？

上一期，我们聊了那么多以太网的知识【TSN系列连载 2 | 从以太网到TSN的技术变革】，想必大家也很想了解TSN网络究竟是怎么工作的吧！

今天，我们的技术小哥哥，要非常非常详细的带大家了解TSN网络的工作方式。能把技术说得这么透彻，我只服我们的技术小哥哥。往下看：

话说，TSN网络是由IEEE802.1工作组下的TSN任务组负责开发的网络标准，现在的TSN任务组其实是由之前的AVB（Audio Video Bridging）任务组改名而来，这一改名行为也意味着这一标准的应用领域发生了根本性的变化。TSN网络主要定义了时间敏感数据在以太网上的传输机制。

IEEE 802.1定义了各种TSN标准文档，虽然每个标准规范都可以单独使用，但是，只有在相互协同使用的情况下，TSN作为通信系统才能充分发挥潜力。为实现实时通信解决方案，这些规范均可大致分为三个基本组成部分：

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一

时间同步

参与实时通信的所有设备都需要对时间进行同步

二

调度和流量整形

参与实时通信的所有设备在处理和转发通信数据包时都必须遵循相同的规则

三

选择信道、信道预留和容错

参与实时通信的所有设备在选择信道、保留带宽和时隙时必须遵循相同的规则，可能同时使用多个路径来实现容错性

下面我们来详细了解这三个部分的实现：

一

时间同步

关于这一部分，“时间敏感网络”这个名称已经描述的很形象了：

与我们之前提到的IEEE 802.3标准以太网和IEEE 802.1Q以太网桥接相比，时间在TSN网络中起着至关重要作用。对于那些对数据实时性要求非常高的工业网络而言，网络中的所有设备均需要有一个公共的时间参考，因此要求时钟彼此同步。

事实上，不仅仅PLC和工业机器人等终端设备需要时间同步， 以太网交换机等网络设备也同样需要。只有通过同步时钟，所有网络设备才能同时运行并各自在所需的时间点执行所需的操作。

同步

TSN网络中的时间同步可以通过不同的技术来实现。

从理论上讲，可以为每个终端设备和网络交换机配备GPS时钟。然而，这成本非常高，并且无法保证设备始终可以访问无线电或GPS卫星信号（比如设备安装在移动的汽车或位于地下的工厂车间或隧道）。由于这些限制，TSN网络往往并不会使用外部的时钟源，而是直接通过网络由一个主时钟信号来进行分配。

在大多数情况下，TSN使用IEEE 1588精确时间协议来进行时钟分配，利用以太网帧来分配时间同步信息。除了普遍适用的IEEE 1588规范之外，IEEE 802.1的TSN任务组还指定了IEEE 1588行规，称为IEEE 802.1AS。此行规背后的想法是将大量IEEE 1588选项缩小到可管理的几个关键选项，而使这些选项适用于家庭网络、汽车或工业自动化网络环境。

二

调度和流量整形

调度和流量整形允许在同一网络上具有不同优先级的数据流共存——而这些数据能够各自根据需要适应带宽和网络延时。

在标准以太网中，根据IEEE 802.1q的标准桥接，网络可以严格根据优先级方案使用八个不同的优先级。在协议层面，这些优先级可以在标准以太网帧的802.1Q VLAN标记看到。通过这些优先级，网络可以区分重要性不同的数据流量。

然而在实际使用过程中，即使某个数据具有最高优先级，其实也并不能100%保证点对点的传输时间，这是由于以太网交换机内部的缓冲机制造成的。如果数据帧到来时，交换机已经开始在其中一个端口上传输数据帧，此时即使新来的数据帧有最高优先级，它也必须在交换机缓冲区内等待当前的传输完成。

在使用标准以太网时，这种时间上的非确定性无法避免。只能使用在对实时性要求不高的网络环境中，如办公网络、文件传输、Email和其他商业应用中。

然而，在工业自动化和汽车等网络环境中，闭环控制或安全应用也会使用以太网，这时，数据的可靠传输和和实时性就显得至关重要了。对于在这些场合使用的以太网，则需要利用增强IEEE 802.1Q的严格优先级进行调度。我们如果把它的特点概括成一句话，那就是：

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不同的流量类别使用不同的时间片

这也是IEEE 802.1Qbv所定义的时间感知调度机制

TSN通过添加一系列机制来使标准以太网得到增强，以确保网络实时性的要求。在TSN中，依然保留了利用八个不同的VLAN优先级的机制，以确保兼容非TSN以太网——向下兼容和保持与现有网络架构的互操作性，并实现网络应用从原有系统到新技术的无缝迁移，这也始终是IEEE802工作组的重要设计原则之一。

在使用TSN时，对于八个优先级中的任意一个，用户都可以从不同的机制中选择如何处理以太网帧，并且将优先级单独分配给现有方法（例如IEEE 802.1Q严格的优先级调度机制）或新的处理方法（例如TSN IEEE 802.1Qbv时间感知流量调度程序）

TSN的典型应用是PLC与工业机器人、运动控制器等工控设备的通信。为了保证控制设备通信的所需要的实时性，系统可以将八个以太网优先级中的一个或几个分配给IEEE 802.1Qbv时间感知调度程序。这一调度程序主要是将网络通信分成固定的长度和时间周期。

在这些周期内，系统可以根据需要配置不同的时间片，这些时间片可以分配给八个以太网优先级中的一个或几个，数据通过优先级的不同而分别使用属于自己的时间片，这样，就实现了共享同一网络介质和传输周期，使得在以太网上传输有实时性要求且不能中断的数据成为现实。

对于这一机制，实现的基本概念即是时分多址（TDMA）。通过在特定时间段内建立虚拟信道，可以将时间敏感数据与普通数据分开传送。使时间敏感数据对网络介质和设备拥有独占访问权，可以避免以太网交换机的缓冲效应，并且使时间敏感数据不发生中断。

三

选择信道，预留信道和容错

TSN技术，主要用于实时性要求比较高的场合。在这些应用中，不仅要保证时序，同时，对容错要求也非常高。支持TSN的工业以太网必须要能够支持相应的工业应用，例如，安全网络控制、运动控制乃至最新兴的车辆自动驾驶等应用，尽最大可能避免硬件或网络中的故障。TSN任务组为保证网络的可靠性，也制定了大量相关的容错协议、接口管理协议和本地网络注册协议等一系列协议。

总结来说，CC-Link IE TSN网络即是基于 OSI 参考模型（见下图）的第 2 层的 TSN 技术，在第 3 ~ 7 层，由 CC-Link IE TSN 独立的协议和标准的以太网协议构成。

OSI模型

鉴于TSN网络具有与标准以太网的兼容性，CC-Link IE TSN也具有卓越的兼容性，还可以使用基于 TCP/IP、UDP/IP 的 SNMP、HTTP 和 FTP 等标准以太网协议。这样通用的以太网诊断工具可以直接用于网络诊断，提高了网络管理的灵活性。