傳統(tǒng)以太網(wǎng)的傳輸機(jī)制類(lèi)似于公路運(yùn)輸，從一個(gè)地方去到另一地方所需的時(shí)間取決于沿途公路的擁堵情況，時(shí)延往往波動(dòng)較大并具有不確定性。隨著以太網(wǎng)應(yīng)用的推廣，音視頻應(yīng)用首先對(duì)以太網(wǎng)傳輸提出了確定性時(shí)效的需求。想象在一個(gè)廣闊的球場(chǎng)上東西兩側(cè)各有一個(gè)以太網(wǎng)連接的揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器中間可能經(jīng)過(guò)多個(gè)交換機(jī)設(shè)備，當(dāng)主持人講話時(shí)，我們希望兩個(gè)揚(yáng)聲器能夠同時(shí)發(fā)聲，而不會(huì)出現(xiàn)一前一后疊音的情況；進(jìn)一步的，即使同個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞€有其他應(yīng)用在使用流量，我們也希望兩個(gè)揚(yáng)聲器的效果是穩(wěn)定的。
為了解決以太網(wǎng)中音視頻同步穩(wěn)定傳輸?shù)膯?wèn)題，IEEE AVB （Audio Video Bridging） 工作組制定了一組802.1的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包含802.1AS, 802.1Qat, 802.1Qav等協(xié)議。隨著工業(yè)自動(dòng)化和汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信需求的迅速增長(zhǎng)，2012年AVB工作組更名為TSN （Time-Sensitive Networking） 工作組，擴(kuò)展AVB技術(shù)的適用范圍以統(tǒng)一解決網(wǎng)絡(luò)傳輸中的時(shí)效性問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，AVB 主要提供了以下三個(gè)能力：
預(yù)留帶寬 （Bandwidth-reservation）
流量?jī)?yōu)先級(jí) （Traffic-priorititzation）
時(shí)間同步 （Time-synchronization）
TSN 擴(kuò)展了AVB的能力，增加了兩個(gè)新的能力：
時(shí)間調(diào)度流量 （Time-scheduled traffic）
搶占幀 （Frame-preemption）
TSN 是一組IEEE 802.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括 802.1AS-Rev, 802.1Qbv, 802.1Qbu, 802.1CB等多個(gè)協(xié)議，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
全局時(shí)鐘同步是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)確定性通信的重要機(jī)制。802.1AS是IEEE 1588 PTP （Precision Time Protocol） 同步協(xié)議的一個(gè)推廣，它支持兼容不同TSN設(shè)備之間的同步。時(shí)鐘同步為每個(gè)參與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的流量調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。TSN中還定義了802.1AS-Rev來(lái)增加對(duì)容錯(cuò)和多個(gè)主時(shí)鐘源的支持。
如下圖，時(shí)鐘同步在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中進(jìn)行時(shí)，Slave節(jié)點(diǎn)同步到的時(shí)間為原主節(jié)點(diǎn)時(shí)間累加上鏈路延時(shí)（Pdelay），數(shù)據(jù)傳輸用時(shí)（transmissionTime）以及停留時(shí)間（residenceTime）：
TimeSynced = preciseOriginTimestamp + correctionField（1） + Pdelay（2） + transmissionTime（2）
correctionField（1） = Pdelay（1） + residenceTime + transmissionTime（1）
802.1Qbv Scheduled Traffic
流量調(diào)度是TSN中的一個(gè)核心概念。基于802.1AS提供的共享全局時(shí)間，802.1Qbv在參與的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間創(chuàng)建和分發(fā)一個(gè)時(shí)間計(jì)劃表。802.1Qbv定義了控制TSN交換機(jī)出口處發(fā)送隊(duì)列的閥門(mén)開(kāi)關(guān)的機(jī)制。計(jì)劃流量所在隊(duì)列在預(yù)定的時(shí)間窗口到達(dá)后會(huì)被放行傳輸，而在同個(gè)時(shí)間窗口中其他非計(jì)劃流量的隊(duì)列會(huì)被阻止傳輸，因此排除了計(jì)劃流量被非計(jì)劃流量阻塞的可能性。這意味著通過(guò)每個(gè)交換機(jī)的延遲是確定的，通過(guò)TSN網(wǎng)絡(luò)的消息延遲可以得到保證。
如下圖示意，交換機(jī)出口隊(duì)列的閥門(mén)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(chē)領(lǐng)域，新興的以太網(wǎng)作為主干的汽車(chē)電子架構(gòu)中，傳輸在車(chē)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(chē)控信號(hào)數(shù)據(jù)（如剎車(chē)信號(hào)）也有重要性略低的車(chē)載娛樂(lè)應(yīng)用流量，802.1Qbv使得我們可以針對(duì)不同類(lèi)型的流量調(diào)度，實(shí)現(xiàn)車(chē)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(chē)載以太網(wǎng)帶寬。
802.1Qbu Frame Preemption
雖然802.1Qbv機(jī)制保護(hù)關(guān)鍵消息不受其他網(wǎng)絡(luò)流量的干擾，但它并不一定導(dǎo)致最佳帶寬使用或最小的通信延遲。當(dāng)這些因素很重要時(shí)，可以使用802.1Qbu中定義的搶占機(jī)制。802.1Qbu允許中斷標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸，以便允許高優(yōu)先級(jí)幀的傳輸，然后在不丟棄之前傳輸?shù)闹袛嘞⑵蔚那闆r下恢復(fù)傳輸。
如下圖所示，綠色幀為關(guān)鍵消息，橙色幀為非關(guān)鍵消息，橙色幀先到達(dá)并開(kāi)始傳輸。在可搶占式的MAC中，當(dāng)綠色幀到達(dá)時(shí)，允許中斷橙色幀的傳輸，先傳輸綠色幀，完成后再繼續(xù)橙色幀的傳輸，從而使得關(guān)鍵消息更早完成傳輸。
802.1CB Frame Replication & Elimination
802.1CB定義了在多鏈路中通過(guò)復(fù)制幀冗余管理實(shí)現(xiàn)消息高可用傳輸?shù)姆椒ā榱颂岣呖捎眯裕嗤⒌娜哂喔北就ㄟ^(guò)不相交的路徑并行在網(wǎng)絡(luò)中傳輸（用于路徑控制和保留的802.1Qca標(biāo)準(zhǔn)定義了如何設(shè)置這些路徑）。冗余管理機(jī)制將這些來(lái)自不同鏈路的冗余消息聚合在一起，去除重復(fù)消息后生成發(fā)送給接收方的單個(gè)信息流。
如下圖，同樣的消息在上下兩條鏈路中傳輸，即使其中一條鏈路中某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，消息仍能從另外的鏈路被投遞到目的節(jié)點(diǎn)。由于802.1CB工作在數(shù)據(jù)鏈路層，幀復(fù)制和重復(fù)幀消除的操作對(duì)應(yīng)用層透明。
802.1Qcc Central Configuration Method
802.1Qcc定義了TSN的網(wǎng)絡(luò)管理接口和協(xié)議。它對(duì)流保留協(xié)議（802.1Qat）的增強(qiáng)包括支持更多流、可配置流保留類(lèi)和流、更好地描述流特性、支持第3層流、確定性流保留收斂以及用于路由和保留的用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）。802.1Qcc支持TSN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的離線和在線配置，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。
802.1Qci Per-stream Filtering and Policing
為了防止流量過(guò)載影響網(wǎng)絡(luò)中的接收節(jié)點(diǎn)，802.1Qci可以在交換機(jī)入口處根據(jù)到達(dá)時(shí)間，速率和帶寬等信息過(guò)濾掉部分?jǐn)?shù)據(jù)幀，避免錯(cuò)誤的或惡意的節(jié)點(diǎn)破壞整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將故障隔離在網(wǎng)絡(luò)中的特定區(qū)域。
802.1Qca Path Control and Reservation
802.1Qca用于發(fā)現(xiàn)和收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械墓?jié)點(diǎn)信息，以發(fā)現(xiàn)拓?fù)渲锌捎糜谌哂鄶?shù)據(jù)傳輸?shù)牟幌嘟宦窂健?/p>
TSN消除了傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于交通擁堵導(dǎo)致的不確定性，對(duì)于具有關(guān)鍵時(shí)間約束的應(yīng)用TSN是必不可少的。目前TSN的發(fā)展已經(jīng)可以滿足汽車(chē)對(duì)可預(yù)測(cè)延遲和保證帶寬不斷增長(zhǎng)的需求。NXP推出的SJA1105QEL/SEL系列車(chē)載以太網(wǎng)千兆交換機(jī)在支持802.1Qav及802.1AS等AVB特性的基礎(chǔ)上擴(kuò)張支持了IEEE 802.1Qbv及IEEE 802.1Qci等TSN特性。隨著車(chē)載以太網(wǎng)逐漸成為汽車(chē)電子架構(gòu)中的主干網(wǎng)，TSN技術(shù)也將被越來(lái)越多的應(yīng)用在汽車(chē)領(lǐng)域中。