0 引言
隨著信息技術(shù)（informationtechnology,IT）與運(yùn)營(yíng)技術(shù)（operation technology,OT）的不斷融合，對(duì)于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求變得迫切。智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，都使得這一融合變得更為緊迫。而IT與OT對(duì)于通信的不同需求也導(dǎo)致了在很長(zhǎng)一段時(shí)間，融合這兩個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)了很大的障礙：互聯(lián)網(wǎng)與信息化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)需要更大的帶寬，而對(duì)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(shù)據(jù)通常無(wú)法在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸。因此，尋找一個(gè)統(tǒng)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(guó)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(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，使得標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，并通過(guò)廠商獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的底層互操作性標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[1]。
1 實(shí)時(shí)通信技術(shù)的發(fā)展及需求
1.1總線時(shí)代
早在20世紀(jì)70年代，隨著可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的產(chǎn)生，為了分布式控制所需的總線也誕生。至今，總線技術(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，其在介質(zhì)、信號(hào)電平、校驗(yàn)方式、物理接口、波特率等多個(gè)指標(biāo)方面都有不同。20世紀(jì)90年代，隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，各公司在IEC爭(zhēng)取主導(dǎo)地位，產(chǎn)生了“總線之爭(zhēng)”。IEC因此產(chǎn)生了多達(dá)18個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)訪問(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(jì)，隨著標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)成本的下降，總線開(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(yīng)用的Ethernet POWERLINK；2003年，在Profibus基礎(chǔ)上，Siemens開(kāi)發(fā)了PROFINET，Rockwell、 ABB開(kāi)發(fā)了基于DeviceNet應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介質(zhì)，即在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，而在應(yīng)用層仍然保持原有的應(yīng)用層，旨在保護(hù)用戶的軟件資產(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(duì)于連接的需求產(chǎn)生了變化。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通常不支持交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)（考慮到延時(shí)，通常采用HUB的透?jìng)鞣绞剑漭喸儥C(jī)制（如Profinet、POWERLINK、Ethernet/IP）或集束幀技術(shù)（如EtherCAT、SERCOSIII）使得標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)的傳輸。但是，對(duì)于邊緣計(jì)算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的全局優(yōu)化而言，制造現(xiàn)場(chǎng)控制所需的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理與優(yōu)化層所需的非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)要通過(guò)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并能夠下發(fā)到各個(gè)控制器執(zhí)行；而一些全局優(yōu)化的工作并不需要通過(guò)層級(jí)的控制器，而是希望直接到邊緣側(cè)或者云端。這使得同一網(wǎng)絡(luò)的需求變得迫切。另外，對(duì)于制造業(yè)的終端用戶而言，生產(chǎn)系統(tǒng)往往由來(lái)自不同企業(yè)的設(shè)備與系統(tǒng)構(gòu)成，必須有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議規(guī)范。因此，獨(dú)立于廠商的總線在智能時(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(xiàng)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(gòu)的音頻/視頻傳輸協(xié)議集，用于解決數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的實(shí)時(shí)性、低延時(shí)以及流量整形的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)又確保與以太網(wǎng)的兼容性。AVB引起了汽車工業(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(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置系列標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)（包括B&R、TTTech、SEW、Schneider等）著手為工業(yè)領(lǐng)域的嚴(yán)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(guó)工業(yè)4.0組織LNI、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC、中國(guó)的邊緣計(jì)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(gòu)建了多個(gè)測(cè)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(xiàn)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(guī)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(gòu)。
圖2簡(jiǎn)要說(shuō)明了IEEE組織TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)版，于2018年底發(fā)布。
圖2 TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布過(guò)程
3 TSN基本概念
TSN由一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成。其主要分為時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)流調(diào)度策略（即整形器）以及TSN網(wǎng)絡(luò)與用戶配置三個(gè)部分相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
3.1 VLAN技術(shù)
按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通常分為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、確定性以太網(wǎng)。TSN實(shí)現(xiàn)了混合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力，滿足標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的分布式對(duì)等架構(gòu)、確定性網(wǎng)絡(luò)所采用的輪詢/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(shì)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.1Q支持服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）。QoS是一種基礎(chǔ)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(jī)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(shè)計(jì)QoS機(jī)制。為滿足用戶不同應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量需求，需要網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)用戶需求進(jìn)行配置與資源調(diào)度。IEEE 802.1Q標(biāo)準(zhǔn)是一種包含了QoS機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)，能夠提供網(wǎng)絡(luò)性能的可預(yù)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(biāo)準(zhǔn)的VLAN。該標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀中插入4個(gè)字節(jié)用于定義其特征。TSN的標(biāo)簽位定義[8]如圖3所示。
圖3 TSN的標(biāo)簽位定義
①標(biāo)簽協(xié)議識(shí)別：網(wǎng)絡(luò)類型識(shí)別，代表這是一個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)記0X8100。
②優(yōu)先級(jí)代碼（prioritycode point，PCP）由3位代碼構(gòu)成。
③丟棄標(biāo)志位：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)低QoS要求的數(shù)據(jù)，可以丟棄，以確保高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的QoS。
④VLANIdentifier（VID）：VLAN網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別號(hào)，12位表示可支持的子網(wǎng)數(shù)量，2的12次方即4 096，VID＝0 用于識(shí)別幀優(yōu)先級(jí)，4 095（FFF）作為預(yù)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(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的。
3.1.2 優(yōu)先級(jí)的定義
TSN有一個(gè)服務(wù)等級(jí)（class of service,CoS）的概念。對(duì)TSN網(wǎng)絡(luò)而言，不同優(yōu)先級(jí)的服務(wù)對(duì)應(yīng)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(jí)，傳輸類型分別對(duì)應(yīng)
基礎(chǔ)、最大努力、卓越努力、嚴(yán)苛應(yīng)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(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)控制。其會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景進(jìn)行不同的匹配，是后續(xù)調(diào)度、配置設(shè)計(jì)中會(huì)考慮到的數(shù)據(jù)流調(diào)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(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)。TSN在七層架構(gòu)中的位置[9]如圖4所示。
圖4 TSN在七層架構(gòu)中的位置
3.3 精確時(shí)鐘同步與延時(shí)計(jì)算
對(duì)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(zhǔn)的。因此，精確時(shí)鐘同步是基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)。TSN首先要解決網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘同步與延時(shí)計(jì)算問(wèn)題，以確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)調(diào)度具有高度一致性。
3.3.1 時(shí)鐘同步機(jī)制
TSN標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.1AS[10]和為工業(yè)所開(kāi)發(fā)的升級(jí)版IEEE 802.1AS-rev[11]構(gòu)成。
IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時(shí)鐘同步協(xié)議發(fā)展的，稱為gPTP-廣義時(shí)鐘同步協(xié)議。gPTP是一個(gè)分布式主從結(jié)構(gòu)，它對(duì)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，分別稱為主時(shí)鐘（clock master,CM）和從時(shí)鐘（clock slave,CS）。每個(gè)gPTP節(jié)點(diǎn)會(huì)運(yùn)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(duì)數(shù)據(jù)幀插入時(shí)間信息，并隨著數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)。
gPTP應(yīng)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(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃，網(wǎng)絡(luò)配置后生成一個(gè)最優(yōu)路徑。其由TSN橋接節(jié)點(diǎn)計(jì)算并以表格形式分發(fā)給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)。當(dāng)一個(gè)TSN節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)先檢查這個(gè)表格，計(jì)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(jié)點(diǎn)。IEEE 802.1AS的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)[2]如圖5所示。
圖5 IEEE802.1AS的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)
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(jì)時(shí)間。對(duì)于全雙工以太網(wǎng)LAN，計(jì)算本地CS和直接CM對(duì)等體之間的路徑延時(shí)測(cè)量并用于校正接收時(shí)間。在調(diào)整（校正）接收時(shí)間后，本地時(shí)鐘應(yīng)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(jié)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(jī)制（Timestamping）。PTP消息在進(jìn)出具備802.1AS功能的端口時(shí)，會(huì)根據(jù)協(xié)議觸發(fā)對(duì)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(duì)應(yīng)的CM信息進(jìn)行比較；利用路徑延時(shí)測(cè)算和補(bǔ)償技術(shù)，將RTC時(shí)鐘值匹配到PTP域的時(shí)間。當(dāng)PTP同步機(jī)制覆蓋整個(gè)AVB局域網(wǎng)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備間就可以通過(guò)周期性的PTP消息的交換，精確地實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘調(diào)整和頻率匹配算法。最終，所有的PTP節(jié)點(diǎn)都將同步到相同的“掛鐘”（Wall Clock）時(shí)間，即主節(jié)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以內(nèi)。
IEEE 802.1AS-rev則是一種多主時(shí)鐘體系，主要優(yōu)勢(shì)是支持新的連接類型（如WiFi）、改善冗余路徑的支持能力、增強(qiáng)了時(shí)間感知網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘切換時(shí)間等性能。當(dāng)有一個(gè)GrandMaster宕機(jī)時(shí)，其可確保快速切換到一個(gè)新的主時(shí)鐘，以便實(shí)現(xiàn)高可用性系統(tǒng)。對(duì)于車載系統(tǒng)而言，采用IEEE 802.1AS即可；而對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域則考慮高可用性，采用AS-Rev版本。
3.3.2 TSN網(wǎng)絡(luò)中的延時(shí)測(cè)量方法
對(duì)于網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘而言，其時(shí)鐘同步精度主要取決于駐留時(shí)間（residence time）和鏈路延時(shí)（link latency）。
在gPTP中，時(shí)間同步的過(guò)程與IEEEStd 1588-2008采用相同的方式：主時(shí)鐘發(fā)送同步時(shí)間信息給所有直接與其連接的時(shí)間感知系統(tǒng)。這些時(shí)間感知系統(tǒng)在收到這個(gè)同步時(shí)間信息后必須通過(guò)加上信息從主時(shí)鐘傳播到本節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間來(lái)修正同步時(shí)間信息。如果這個(gè)時(shí)間感知系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)間感知網(wǎng)橋，則它必須向與它連接的其他時(shí)間感知系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)修正后的同步時(shí)間信息（包含額外的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程的延時(shí)）。
數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的延時(shí)[12]如圖6所示。這些延時(shí)可以被精確計(jì)算。
圖6 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的延時(shí)
為了保證上述過(guò)程正常工作，整個(gè)過(guò)程中有兩個(gè)時(shí)間間隔必須精確已知：①轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)（駐留時(shí)間）；②同步時(shí)間信息在兩個(gè)時(shí)間感知系統(tǒng)之間的傳輸路徑的延時(shí)。駐留時(shí)間是在時(shí)間感知網(wǎng)橋內(nèi)部測(cè)量的，比較簡(jiǎn)單；而傳輸路徑上的延時(shí)則取決于諸多因素，包括介質(zhì)相關(guān)屬性和路徑長(zhǎng)度等。
對(duì)于每一類型的局域網(wǎng)或傳輸路徑，有不同的方法來(lái)測(cè)量傳播時(shí)間。但這些方法都基于同一原理：測(cè)量從一個(gè)設(shè)備發(fā)送某個(gè)消息的時(shí)間以及另一個(gè)設(shè)備接收到此消息的時(shí)間，然后以相反方向發(fā)送另一個(gè)消息，并執(zhí)行相同的測(cè)量。
在這個(gè)過(guò)程中，可以計(jì)算Pdelay：
（1）
其比率r為：
（2）
網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)測(cè)量原理[13-14]如圖7所示。
（a） 1步法
（b） 2步法
圖7 網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)測(cè)量原理圖
Fig.7Schematic diagram of network delay measurement
由圖7可知，網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)測(cè)量有1步法和2步法兩種。因?yàn)樵谶@個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘。對(duì)于時(shí)間感知型節(jié)點(diǎn)而言，由于時(shí)間信息是隨著數(shù)據(jù)載荷發(fā)送的，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)帶有時(shí)間信息。而對(duì)于有一些非時(shí)間感知網(wǎng)絡(luò)，則需要在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后再向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)發(fā)送的時(shí)間信息。因此，IEEE 802.1AS-Rev增強(qiáng)了對(duì)1步法的支持，使得實(shí)時(shí)性得以提高。
3.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程
對(duì)于TSN而言，其數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制是關(guān)鍵。TSN中數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程[15]如圖8所示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過(guò)接收端口，進(jìn)行幀濾波、流量計(jì)量、幀排隊(duì)。在傳輸選擇部分，TSN的調(diào)度機(jī)制將發(fā)揮作用。IEEE 802.1Q工作組定義了不同的整形器（Shaper）機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)這些調(diào)度。它是一種傳輸選擇算法（transmission selection algorithm，TSA）。每種算法對(duì)應(yīng)一種調(diào)度機(jī)制，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
TSN網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程如圖8所示。
圖8 TSN中數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程
3.5 流預(yù)留協(xié)議
從圖8可以看到，網(wǎng)絡(luò)存在濾波數(shù)據(jù)庫(kù)、傳輸端口狀態(tài)監(jiān)測(cè)、隊(duì)列管理。這些都用于解決網(wǎng)絡(luò)資源分配與調(diào)度問(wèn)題。而IEEE 802.1Qat所采用的流預(yù)留協(xié)議（stream reservation protocol，SRP）機(jī)制是一個(gè)對(duì)TSN進(jìn)行配置的標(biāo)準(zhǔn)。其在2010年SRP標(biāo)準(zhǔn)化成為IEEE802.1Qat，并入IEEE 802.1Q-2011標(biāo)準(zhǔn)中。SRP定義了OSI模型第2層的流概念。
SRP的工作在于建立AVB域、注冊(cè)流路徑、制定AVB轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則、計(jì)算延時(shí)最差情況、為AVB流分配帶寬。SRP在于讓網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)言者（Talker）用合適的網(wǎng)絡(luò)資源將數(shù)據(jù)發(fā)送給聽(tīng)者（Listener），并在網(wǎng)絡(luò)中傳播這些信息。而在終端節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)橋則維護(hù)一個(gè)發(fā)言者對(duì)一個(gè)或多個(gè)聽(tīng)者注冊(cè)的相同數(shù)據(jù)流的路徑帶寬等資源的需求記錄。SRP是在原有IEEE 802.1Qak-MRP多注冊(cè)協(xié)議之上的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。SRP標(biāo)準(zhǔn)則提供了一個(gè)新的多協(xié)議注冊(cè)協(xié)議（multiple multicast registration protocol，MMRP）來(lái)管理相關(guān)流帶寬服務(wù)的屬性，MSRP、MVRP、MMRP提供了整個(gè)SRP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理過(guò)程。關(guān)于SRP機(jī)制，可以參考AVnu的SRP文檔[16]。
4 流控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)于TSN而言，數(shù)據(jù)流的管理標(biāo)準(zhǔn)由一系列主要方式構(gòu)成。通用網(wǎng)絡(luò)通常遵循嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)的方式，而TSN則為這種缺乏傳輸確定性的機(jī)制引入了新的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、整形方法，并根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求提出了多種不同的整形器（Shaper）。這也是整個(gè)TSN的核心調(diào)度機(jī)制。
4.1 基于信用的整形器機(jī)制
IEEE 802.1Qav定義了時(shí)間敏感流轉(zhuǎn)發(fā)與排隊(duì)（forwarding and queuing for time-sensitive streams，F(xiàn)QTSS）的數(shù)據(jù)敏感性轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，并成為了IEEE 802.1Q的標(biāo)準(zhǔn)。作為一個(gè)主要對(duì)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，最初它的開(kāi)發(fā)主要用于限制A/V信息緩沖。增強(qiáng)的突發(fā)多媒體數(shù)據(jù)流會(huì)導(dǎo)致較大的緩沖擁堵，并產(chǎn)生丟包。丟包會(huì)產(chǎn)生重新發(fā)包，使得服務(wù)體驗(yàn)下降。它采用了基于信用的整形器（credit-based shaper,CBS），以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)突發(fā)和聚集，可限制爆發(fā)的信息。
CBS的工作隊(duì)列時(shí)序[17]如圖9所示。
圖9 CBS的工作隊(duì)列時(shí)序圖
CBS將隊(duì)列分為Class A（Tight delay bound）和Class B（Loose delay bound）。如果沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，隊(duì)列的信用設(shè)置為0，A隊(duì)列的信用非負(fù)時(shí)可以傳輸。如果有數(shù)據(jù)傳輸，其信用將按照SendSlope下降，而另一個(gè)隊(duì)列則IdelSlope速度上升，idleSlope是實(shí)際帶寬（bit/s），而SendSlope是端口傳輸率，由MAC服務(wù)支持。
CBS控制每個(gè)隊(duì)列最大數(shù)據(jù)流不超過(guò)配置的帶寬限制（75%最大帶寬）。CBS和SRP融合，可以提供250 μs/橋的延時(shí)。整體來(lái)說(shuō)，IEEE802.1Qav以太網(wǎng)保證在7個(gè)跳轉(zhuǎn)（hop）最差2 ms Class A和50 ms Class B延時(shí)。
當(dāng)然，這個(gè)延時(shí)對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不能接受的。為了獲取更好的QoS，IEEE 802.1TSN TG又進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了Qbv時(shí)間感知整形器、Qbu搶占式MAC等機(jī)制。
4.2 時(shí)間感知整形器機(jī)制
時(shí)間感知整形器（Time Awareness Shaper，TAS）是為了更低的時(shí)間粒度、更為嚴(yán)苛的工業(yè)控制類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的調(diào)度機(jī)制，目前被工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的企業(yè)所采用。TAS由IEEE 802.1Qbv定義，是基于預(yù)先設(shè)定的周期性門(mén)控制列表，動(dòng)態(tài)地為出口隊(duì)列提供開(kāi)/關(guān)控制的機(jī)制。Qbv定義了一個(gè)時(shí)間窗口，是一個(gè)時(shí)間觸發(fā)型網(wǎng)絡(luò)（Time-trigged）。這個(gè)窗口在這個(gè)機(jī)制中是被預(yù)先確定的。這個(gè)門(mén)控制列表被周期性的掃描，并按預(yù)先定義的次序?yàn)椴煌年?duì)列開(kāi)放傳輸端口。
出口硬件有8個(gè)軟件隊(duì)列，每個(gè)都有唯一的傳輸選擇算法。傳輸由門(mén)控制列表（gate control list,GCL）控制。它是多個(gè)門(mén)控制實(shí)體確定軟件的隊(duì)列開(kāi)放。
TAS的工作原理如圖10所示。
圖10 TAS的工作原理圖
在TAS機(jī)制中，為了確保數(shù)據(jù)傳輸前網(wǎng)絡(luò)是空閑的，在整個(gè)啟動(dòng)傳輸前需要設(shè)置一個(gè)保護(hù)帶寬（Guardbound）[18]。Guardband占用最大的以太網(wǎng)幀傳輸長(zhǎng)度，以確保最差情況——即使前面有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀正在傳輸，也不會(huì)讓GCL在重啟下一個(gè)周期前被占用網(wǎng)絡(luò)。
4.3 搶占式MAC機(jī)制
在TAS機(jī)制中，會(huì)存在兩個(gè)問(wèn)題：①保護(hù)帶寬消耗了一定的采樣時(shí)間；②低優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，TSN的802.1Qbu和IEEE 802.3工作組共同開(kāi)發(fā)了IEEE 802.3br，即可搶占式MAC機(jī)制。基于搶占式MAC的傳輸機(jī)制[19]如圖11所示。其采用了802.3TG中的幀搶占機(jī)制，將給定的出口分為2個(gè)MAC服務(wù)接口，分別稱為可被搶占MAC（pAMC-Preemptable MAC）和快速M(fèi)AC（eMAC-express MAC）。pMAC可以被eMAC搶占，進(jìn)入數(shù)據(jù)堆棧后等待eMAC數(shù)據(jù)傳輸完成，再傳輸。
圖11 基于搶占式MAC的傳輸機(jī)制
通過(guò)搶占，保護(hù)帶寬可以被減少至最短低優(yōu)先級(jí)幀片段。然而，在最差情況下，低優(yōu)先級(jí)的片段可以在下一個(gè)高優(yōu)先級(jí)前完成。當(dāng)然，搶占這個(gè)傳輸過(guò)程僅在連接層接口——即對(duì)于搶占式MAC，交換機(jī)需要專用的硬件層MAC芯片支持。
4.4 周期性排隊(duì)與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制
由于CBS機(jī)制僅可實(shí)現(xiàn)軟實(shí)時(shí)級(jí)，路徑拓?fù)鋾?huì)導(dǎo)致持續(xù)的延時(shí)增加。而最差延時(shí)情況與拓?fù)洹⑻鴶?shù)、交換機(jī)的緩沖需求相關(guān)。因此，TSN工作組推進(jìn)了周期性排隊(duì)與轉(zhuǎn)發(fā)（cyclic quening forwarding,CQF）機(jī)制（又稱蠕動(dòng)整形器）。作為一個(gè)同步入隊(duì)和出隊(duì)的方法，CQF使得運(yùn)行允許LAN橋與幀傳輸在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步，以獲得零堵塞丟包以及有邊界的延時(shí)，并能夠獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而存在。IEEE 802.1Qch標(biāo)準(zhǔn)定義了CQF要與IEEE 802.1Qci標(biāo)準(zhǔn)相互配合使用。IEEE 802.1Qci-t表明，它會(huì)根據(jù)達(dá)到時(shí)間、速度、帶寬，對(duì)橋節(jié)點(diǎn)輸入的每個(gè)隊(duì)列進(jìn)行濾波和監(jiān)管，用于保護(hù)過(guò)大的帶寬使用、突發(fā)的傳輸尺寸以及錯(cuò)誤或惡意端點(diǎn)。IEEE 802.1Qch所采用的CQF機(jī)制遵循了一個(gè)“每周期走一步”的策略，為數(shù)據(jù)傳輸賦予了確定性。
CQF可以與幀搶占IEEE 802.1Qbu合并使用，以降低完整尺寸幀到最小幀片段的傳輸周期時(shí)間。為使CQF正常工作，必須將所有幀保持在其分配的周期內(nèi)。因此，需要考慮周期時(shí)間，使得中間網(wǎng)橋的周期與第一次和最后一次傳輸?shù)臅r(shí)間都對(duì)齊，以確保達(dá)到所需的等待時(shí)間邊界。為此，CQF結(jié)合Qci入口策略和IEEE 802.1Qbv整形器，可確保所有幀保持在確定的延時(shí)范圍，并保證在其分配時(shí)間內(nèi)發(fā)送。
4.5 異步流整形機(jī)制
CQF和TAS提供了用于超低延時(shí)的數(shù)據(jù)，依賴網(wǎng)絡(luò)高度時(shí)間協(xié)同，以及在強(qiáng)制的周期中增強(qiáng)的包傳輸。但其對(duì)帶寬的使用效率并不高。因此，TSN工作組提出IEEE 802.1Qcr異步流整形（asynchronous traffic shaper，ATS）機(jī)制。ATS基于緊急度的調(diào)度器設(shè)計(jì)。其通過(guò)重新對(duì)每個(gè)跳轉(zhuǎn)的TSN流整形，以獲得流模式的平滑，實(shí)現(xiàn)每個(gè)流排隊(duì)，并使得優(yōu)先級(jí)緊急的數(shù)據(jù)流可以優(yōu)先傳輸。ATS以異步形式運(yùn)行，橋和終端節(jié)點(diǎn)無(wú)需同步時(shí)間。ATS可以更高效地使用帶寬，可運(yùn)行在高速連接應(yīng)用的混合負(fù)載時(shí)間，如周期和非周期數(shù)據(jù)流。
5 TSN網(wǎng)絡(luò)配置標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.1Qcc
對(duì)于TSN而言，在時(shí)鐘同步、調(diào)度策略之后，就必須考慮網(wǎng)絡(luò)配置的問(wèn)題。在AVB中，SRP是一種分布式網(wǎng)絡(luò)配置機(jī)制。而在更為嚴(yán)格的工業(yè)應(yīng)用中，需要更為高效、易用的配置方式。IEEE 802.1Qcc是目前普遍接受的配置標(biāo)準(zhǔn)。TSN網(wǎng)絡(luò)配置的集中式模式原理[20]如圖12所示。
圖12 TSN網(wǎng)絡(luò)配置的集中式模式原理圖
對(duì)于IEEE802.1Qat所提供的SRP機(jī)制而言，這是一種分布式方式的網(wǎng)絡(luò)需求與資源分配機(jī)制。新的注冊(cè)或退出注冊(cè)、任何變化與請(qǐng)求都將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和超負(fù)荷，降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。因此，TSN工作組又提供了IEEE 802.1Qcc支持集中式的注冊(cè)與流預(yù)留服務(wù)，稱為SRP增強(qiáng)模式。在這種模式下，系統(tǒng)通過(guò)降低預(yù)留消息的大小與頻率（放寬計(jì)時(shí)器），以便在鏈路狀態(tài)和預(yù)留變更時(shí)觸發(fā)更新。
此外，IEEE802.1Qcc提供了一套工具，用于全局管理和控制網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)UNI來(lái)增強(qiáng)SRP，并由一個(gè)集中式網(wǎng)絡(luò)配置（centralized network configuration，CNC）節(jié)點(diǎn)作為補(bǔ)充。UNI提供了一個(gè)通用L2層服務(wù)方法。CNC與UNI交互以提供運(yùn)行資源的預(yù)留、調(diào)度以及其他類型的遠(yuǎn)程管理協(xié)議，如NETCONF或RESTCONF；同時(shí)，IEEE 802.1Qcc與IETF YANG/NETCONF數(shù)據(jù)建模語(yǔ)言兼容。
對(duì)于完全集中式網(wǎng)絡(luò)，可選的CUC節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)API與CNC通信，用于發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)、檢索終端節(jié)點(diǎn)功能和用戶需求，以及配置優(yōu)化的TSN終端節(jié)點(diǎn)的功能。其與更高級(jí)的流預(yù)留協(xié)議（例如RSVP）的交互是無(wú)縫的，類似于AVB利用現(xiàn)有的SRP機(jī)制。
IEEE 802.1Qcc仍然支持原有的SRP的全分布式配置模式，允許集中式管理的系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)間共存。此外，IEEE 802.1Qcc支持一種稱為混合配置模式，從而為舊式設(shè)備提供遷移服務(wù)。這個(gè)配置管理機(jī)制與IEEE 802.1Qca路徑控制與預(yù)留，以及TSN整形器相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)端到端傳輸?shù)牧愣氯麚p失。
對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，必須有高效、易用的網(wǎng)絡(luò)配置，以獲得終端節(jié)點(diǎn)、橋節(jié)點(diǎn)的資源、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬、數(shù)據(jù)負(fù)載、目標(biāo)地址、時(shí)鐘等信息，并匯集到中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一進(jìn)調(diào)度，以獲得最優(yōu)的傳輸效率。
6 TSN應(yīng)用前景
TSN的應(yīng)用前景非常廣闊，目前來(lái)說(shuō)聚焦于以下幾個(gè)方面。
6.1 汽車領(lǐng)域
在汽車工業(yè)領(lǐng)域，隨著高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（advanced driver assistance system，ADAS）的發(fā)展，迫切需要更高帶寬和響應(yīng)能力的網(wǎng)絡(luò)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CAN總線。IEEE 802.1AVB就是汽車行業(yè)發(fā)起并正在執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)組。目前，奧迪、奔馳、大眾等已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行基于TSN的以太網(wǎng)應(yīng)用測(cè)試與驗(yàn)證工作。2019年，由三星所發(fā)起的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟向TTTech投資9 000萬(wàn)美元，共同開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)的車載電子系統(tǒng)。
6.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將意味著更為廣泛的數(shù)據(jù)連接需求，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)作用，為整體的產(chǎn)線優(yōu)化提供支撐。而這些數(shù)據(jù)（包括機(jī)器視覺(jué)、AR/VR數(shù)據(jù)）將需要更高的帶寬。因此，來(lái)自于ICT領(lǐng)域的CISCO、華為等廠商都將目標(biāo)聚焦于通過(guò)OPC UA over TSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一互聯(lián)需求。OPC UA扮演了數(shù)據(jù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的角色，而TSN則賦予它實(shí)時(shí)性傳輸能力。這樣的架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)從傳感器到云端的高效連接，在很多場(chǎng)景可以直接省略掉傳統(tǒng)工業(yè)架構(gòu)中的控制器層，形成一個(gè)新的分布式計(jì)算架構(gòu)。
6.3 工業(yè)控制
目前，在工業(yè)領(lǐng)域，包括貝加萊、三菱、西門(mén)子、施耐德、羅克韋爾等主流廠商已經(jīng)推出其基于TSN的產(chǎn)品。貝加萊推出新的TSN交換機(jī)、PLC，而三菱則采用了TSN技術(shù)的伺服驅(qū)動(dòng)器。未來(lái)，TSN將成為工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的主流總線。
TSN的意義對(duì)于工業(yè)而言并非僅僅是實(shí)時(shí)性，而在于通過(guò)TSN實(shí)現(xiàn)了從控制到整個(gè)工廠的連接。TSN是IEEE的標(biāo)準(zhǔn)，更具有“中立性”，因而得到了廣泛的支持。未來(lái)，TSN將會(huì)成為工業(yè)通信的共同選擇。
7 結(jié)論
本文旨在通過(guò)對(duì)當(dāng)前國(guó)際產(chǎn)業(yè)界前沿的時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全景的介紹，對(duì)其發(fā)展的必要性、技術(shù)的前沿性進(jìn)行探索，并通過(guò)對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行的解析來(lái)探尋其應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。希望通過(guò)這一前沿技術(shù)的解讀，使得國(guó)內(nèi)在推進(jìn)智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)人員及時(shí)了解這些產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)，緊追國(guó)際前沿，開(kāi)發(fā)有利于適應(yīng)于我國(guó)自身的相應(yīng)產(chǎn)品與技術(shù)。