TSN基本概念
TSN（Time Sensitive Network，時間敏感網絡）是由IEEE 802.1 TSN任務組制定的一系列IEEE 802以太網子標準集，該任務組成立于2012年，由IEEE 802.1 AVB（audio video bridging，音視頻橋接）任務組改名而成。AVB工作組致力于解決音頻視頻數據在以太網介質上傳輸時的時延較高、抖動較大、傳輸不確定等問題。TSN通過無縫冗余等機制擴展了AVB技術的性能，為網絡提供有界低時延、低抖動和極低數據丟失率的能力，使得以太網能適用于可靠性和時延要求嚴苛的時間敏感型應用場景。
圖1：以太網的發展歷程
TSN的主要特性包括時間同步、確定性傳輸、網絡的動態配置、兼容性和安全等。
（1）時間同步：全局時間同步是大多數 TSN 標準的基礎，用于保證數據幀在各個設備中傳輸時隙的正確匹配，滿足通信流的端到端確定性時延和無排隊傳輸要求。TSN利用IEEE 802.1AS在各個時間感知系統之間傳遞同步消息，提供精確的時間同步。
（2）確定性傳輸：在數據傳輸方面，對于TSN而言，重要的不是“最快的傳輸”和“平均傳輸時延”，而是在最壞情況下的數據傳輸時延。TSN通過對數據流量的整形、無縫冗余傳輸、過濾和基于優先級調度等，實現對關鍵數據的高可靠、低時延、零分組丟失的確定性傳輸。
（3）網絡的動態配置：大多數網絡的配置需要在網絡停止運行期間進行，這對于工業控制等應用來說幾乎是不可能的。TSN通過IEEE 802.1Qcc引入集中網絡控制器（centralized network configuration，CNC）和集中用戶控制器（centralized user configuration，CUC）來實現網絡的動態配置，在網絡運行時靈活地配置新的設備和數據流。
（4）兼容性：TSN以傳統以太網為基礎，支持關鍵流量和盡力而為（best-effort，BE）的流量共享同一網絡基礎設施，同時保證關鍵流量的傳輸不受干擾。同時TSN是開放的以太網標準而非專用協議，來自不同供應商的支持TSN的設備都可以相互兼容，為用戶提供了極大的便利。
（5）安全：TSN利用IEEE 802.1Qci對輸入交換機的數據進行篩選和管控，對不符合規范的數據幀進行阻攔，能及時隔斷外來入侵數據，實時保護網絡的安全，也能與其他安全協議協同使用，進一步提升網絡的安全性能。
隨著TSN技術在各個應用領域受到更為廣泛和高度的關注，吸引了各類通信標準及行業機構針對TSN相關技術在垂直行業的部署應用展開研究。除了電氣與電子工程師協會（IEEE），對時間敏感網絡相關的技術研究和標準的制定已經擴展到多個標準組織，包括：IEC、IETF、通用公共無線接口聯盟（CPRI）、中國通信標準化協會（CCSA）等，參與TSN研究和技術推廣的研究機構和產業聯盟也已經包括：中國的工業互聯網產業聯盟（AII）、美國的工業互聯網聯盟（IIC），德國的LNI4.0、AVNU、OPC基金會、OpenStack基金會等等。主要的研究領域及相關進展如圖2所示。
圖2：時間敏感網絡研究現狀示意圖
在5G網絡方面，3GPP R16將5G端到端時延目標定為1ms或更低，就現有5G超可靠和低延遲通信（uRLLC）標準而言，主要用于實現無線終端與基站之間的傳輸，其技術思路與時間敏感網絡并不相同。在3GPP R16 23.501中，已經開始將TSN技術納入5G標準，用于滿足5G承載網的高可靠、確定性需求，與uRLLC形成確定性傳輸的技術接力。相比5G uRLLC技術主要關注在可靠性和時延方面的業務保證，TSN技術則將在時延抖動以及時間同步方面對5G網絡進行進一步增強。3GPP R17提出TSN增強架構，即實現5G核心網架構增強，控制面設計支持TSN相關控制面功能；實現5G核心網確定性傳輸調度機制，而不依賴于外部TSN網絡；通過UPF增強實現終端間的確定性傳輸；實現可靠性保障增強；實現工業以太網協議對接；支持多時鐘源技術。
TSN關鍵技術
TSN協議族位于開放式系統互連（OSI）模型的第二層，即數據鏈路層。它可以采用IEEE 802.3的以太網或IEEE 802.3cg《IEEE標準 補篇5：單對平衡導線上10Mb/s運行和相關電力輸送的物理層規范和管理參數》的標準網絡來實現物理層。
圖3：TSN 在 OSI 模型中的位置
TSN標準主要包括應用行規、配置標準和基礎技術三類標準，通過這些標準的組合，時間敏感網絡可以完成對網絡的調度管理，并提供優良的調度結果。
圖4：TSN標準分類
TSN標準按功能分為時間同步、可靠性、時延、資源管理4類，如下圖所示。其中較為核心的功能協議有IEEE 802.1AS、802.1Qcc、802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu/802.3Qbr、802.1Qci等。
圖5：TSN標準協議族功能分類
以工業為核心的特性包括：時間同步、流量調度、幀搶占、逐流過濾和監管、幀復制和幀消除、流預留等。
（1）時間同步
TSN標準中由IEEE 802.1AS提供全局精準時間同步。IEEE 802.1AS標準是IEEE std 1588精準時間協議（precision time protocol，PTP）的特定配置文件，定義了廣義精準時間協議（generalized PTP，gPTP），并擁有更簡潔易操作的選項和功能。IEEE 802.1AS通過在gPTP域的時間感知系統之間傳遞相關時間事件消息來完成網絡設備間的同步。
gPTP與PTP的同步機制類似，利用最佳主時鐘算法（best master clock algorithm，BCMA）在網絡中選擇主時鐘并建立同步時鐘樹，然后利用對等路徑時延測量機制計算主從時鐘端口間的時間誤差來進行同步。近期修訂的IEEE 802.1 AS rev改進了gPTP，為主時鐘故障提供了更快的反應時間，極大提升了系統可用性和容錯性。IEEE 802.1 AS rev在網絡中提供冗余主時鐘和多個時鐘同步路徑，當前主時鐘出現故障時，設備可快速切換至冗余主時鐘，冗余主時鐘與網絡節點間的冗余同步路徑還能在網絡鏈路甚至網橋丟失時依然提供同步時基，實時保證網絡的正常運行。
圖6：IEEE 802.1 AS 架構
（2）流量調度
IEEE 802.1Qbv則提供了基于服務等級的流量調度，能夠避免不同等級流量間的相互干擾，為時間關鍵的流量提供確定的端到端時延。IEEE 802.1Qbv 中定義了時間感知整形器（time-aware shaper，TAS），利用時間周期的概念來調度數據流。時間感知整形器如下圖所示，進入TSN交換機的數據流根據其幀頭中的信息會被重新賦予優先級并送至輸出端口的指定隊列，每個隊列都有一個控制傳輸的時間感知門/傳輸門。當門的狀態為開（open）時，傳輸選擇算法會在相應的時間窗口根據優先級選擇數據流進行傳輸；當門的狀態為關（close）或者當前時間窗口的剩余時間不足以傳輸整個幀，則不允許傳輸。時間感知門的狀態由基于IEEE 802.1AS的門控列表（gate control list，GCL）指定，門控列表周期性地調度每個隊列的流量，并控制每個隊列傳輸時間窗口的長度。
圖7：時間流量整形器
為了避免已傳輸的非關鍵流量干擾即將傳輸的關鍵流量，通常會在非關鍵流量的時間窗口后加入保護帶，保護帶的長度為非關鍵流量中的最大幀的傳輸時間。在關鍵流量開始傳輸時，上一個周期傳輸的非關鍵數據幀（干擾幀）還沒發送完并占用后續時隙，導致關鍵流量不能在其傳輸窗口完成全部的數據傳輸。加入保護帶后，在保護帶時間段內不允許非關鍵幀的傳輸，從而保證了關鍵幀的及時傳輸。
（3）幀搶占
IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br協同制定標準化的搶占機制。IEEE 802.1Qbv雖然能保護關鍵流量免受其他網絡流量的干擾，但不一定帶來最佳的帶寬利用率和最小的通信時延。在支持IEEE 802.1Qbu幀搶占的鏈路上，允許中斷非關鍵的標準以太網幀或者巨型幀的傳輸（如下圖中的（1）和（2）所示），并優先傳輸時間關鍵幀，然后在不丟棄先前傳輸的非關鍵幀片段的情況下恢復傳輸中斷的數據，一個非關鍵的數據幀可以被多次搶占。在應用保護帶機制時，幀搶占能有效減小保護帶的最大長度（如下圖中（3）和（4）所示），縮短信道空閑時間。幀搶占機制在保證關鍵型數據確定性低時延的同時，也提供了更細粒度的服務質量，提高了帶寬利用率。
圖8：幀搶占
（4）逐流過濾和監管
IEEE 802.1Qci定義的逐流過濾和監管（per-stream filtering and policing，PSFP）基于規則匹配過濾和監控每個輸入設備的流，防止端點或網橋上的軟件錯誤，抵御惡意設備和攻擊（如DOS等）。PSFP根據每個數據幀所攜帶的流識別號和優先級信息來匹配流過濾器，由流過濾器執行逐流過濾和監管操作；流門用于協調所有的流，確定流的服務等級并有序確定地處理流。流計量用于執行流的預定義帶寬配置文件，規定最大信息速率和突發流量大小等。PSFP處理的步驟如下圖所示。
圖9：逐流過濾和監管原理
（5）幀復制和幀消除
IEEE 802.1CB中定義的幀復制和消除（frame replication and elimination for reliability，FRER）實現了與高可用性無縫冗余（high-availability seamless redundancy，HSR）和并行冗余協議（parallel redundancy protocol，PRP）類似的無縫冗余機制，目的是增加給定數據分組的交付概率，防止擁塞丟失并降低由于設備故障導致數據分組丟失的概率。幀復制和消除過程如下圖所示，FRER在發送端將需要傳輸的數據幀復制多個副本并生成序列號，然后在不相交的冗余網絡路徑A-B-C和D-E-F上傳送，在目的地或者目的地附近（如B、E）依據數據幀的序列號檢查并丟棄重復的副本，以實現無縫冗余傳輸。
圖10：幀復制和消除過程
FRER機制適用于任何網絡拓撲，為降低分組丟失概率，IEEE 802.1CB 可以使用許多條在IEEE 802.1Qca路徑控制和預留協議中定義的冗余路徑，也可與IEEE 802.1Qcc等協議結合，實現網絡的無縫冗余和快速恢復。
（6）流預留
IEEE 802.1Qcc提供了對IEEE 802.1Qat流預留協議（stream reservation protocol，SRP）的增強和全局管理與控制網絡的工具，支持靜態或動態網絡配置，通過減少預留消息的大小和頻率改善原有的SRP，僅通過鏈路狀態或預留變化來觸發更新。
IEEE 802.1Qcc提供了TSN應用程序與網絡組件之間的用戶網絡接口（user network interface，UNI）。完全集中式的網絡管理模型如下圖所示，網絡開始運行之前，集中用戶配置（CUC）會向網絡集中控制器（CNC）發起檢索網絡物理拓撲請求，CNC遍歷網絡拓撲后將結果返回至CUC。CUC接收網絡拓撲后開始收集網絡資源需求，如哪些終端設備之間要進行通信、TSN流的周期、大小和時延界限等，并發送至CNC。CNC根據網絡物理拓撲和網絡需求計算每個TSN幀的調度表并發送至每個網橋，同時CUC將調度表分發至每個終端設備并要求終端設備依據調度表進行數據傳輸。至此，CUC和CNC分別通過代理的方式完成了網絡的配置。當有新的設備加入網絡或有新的TSN流產生時，依然可以用此方式在網絡運行時重新配置。
圖11：完全集中式的網絡管理模型
5G和TSN融合的部署需求
5G+TSN是未來實現工業互聯網無線化和柔性制造的重要基礎。TSN在做數據轉發時，可以針對工業互聯網不同優先級的業務數據進行隊列調度，從而實現質量差異化保證。在工業互聯網場景下，TSN可以針對各類工業應用涉及的業務流特性進行建模和定義，并在此基礎上，提供不同的優先級與調度機制。工業互聯網的業務流量類型非常多，例如視頻、音頻、同步實時控制流、事件、配置&診斷等，表1是工業互聯網業務流的典型分類示例。
從表1中可以看出，工業互聯網中不同的業務流有不同的服務級別協議（SLA）需求。按照周期性劃分，業務流可以分為周期和非周期兩種。同步實時流對時延的要求最高，時延主要用于運動控制，其特點是：周期性發包，其周期一般小于2ms；每周期內發送的數據長度相對穩定，一般不超過100B；端到端傳輸具有時限要求，即數據需要在一個特定的絕對時間之前抵達對端。事件、配置&診斷、Best Effort類無時延特定要求；音頻和視頻類主要是依賴于幀率和采樣率；周期循環和網絡控制類對時延有要求，但相比同步實時類要低。
表1：工業互聯網業務流分類示例
在以工業為代表的垂直行業業務中，安全可靠確定性地傳輸數據是通信技術的關鍵要求之一。面對工業互聯網及車聯網等應用對5G網絡的極致高可靠低時延業務體驗、效率及性能要求，對5G網絡架構設計及技術選型提出了幾點需求：
需求一：端到端極致確定性業務體驗
在工業互聯網場景下的應用系統中，典型的閉環控制過程周期可能低至毫秒級別，同時對可靠性也有極高的要求，對于業務的傳輸都有十分嚴格的確定性要求。需要整個5G網絡系統中包括NR RAN核心網在內的各個環節進行性能的優化以及系統整體處理效率的提升，才可能實現端到端的極致高可靠低時延。時間敏感網絡技術在現有的以太網QoS功能基礎上增加了包括時間片調度、搶占、流監控及過濾等一系列流量調度特性，根據業務流量的特點配合使用相關特性，可以確保流量的高質量確定性傳輸。將時間敏感網絡技術原理與5G網絡的傳輸過程進行融合，可以更為有效地保證5G網絡的端到端高可靠低時延傳輸要求。
需求二：異構系統的精密協作
5G網絡系統將以業務為中心全方位構建信息生態系統，使能各類連接設備之間的全面連接和精密協作，以智能工廠為例，生產設備、移動機器人、AGV小車等智能系統內部存在異構的網絡連接，并且系統又可能通過不同的方式接入到5G網絡中來，需要實現這些設備系統之間的密切協同及無碰撞作業，就需要業務系統彼此之間能夠做到互聯互通。
TSN+OPC UA的組合被認為解決異構系統互聯互通問題的最佳組合，可以同時達成網絡的互聯和數據層面的互通。TSN技術基于標準以太網協議標準解決數據報文在數據鏈路層中確定性傳輸問題；OPC UA則提供一套通用的數據解析機制，應用于業務系統端設備，解決數據交換及系統互操作的復雜性問題。
需求三：全業務承載差異化的傳輸質量保證
5G網絡全面使能垂直行業新業務模式，仍舊以智能工廠為例，工業增強現實可以通過音視頻實現生產環境遠程感知，實現在線的生產監控及指導；遠程控制可以用于實現遠程人機交互及控制，在惡劣的環境下用機器人代替人員參與，實現安全生產；此外還有大量設備維護、原材料及產品數據需要通過傳感器、RFID、智能終端等方式上傳云端。上述業務涉及的音視頻、控制信號、物聯網數據的傳輸則采用不同的傳輸機制和質量要求。5G應用切片技術來實現不同業務之間的差異化業務保證，然而目前的分片僅可以在空口及核心網實現，對于承載網部分則沒有特定的技術方案。時間敏感網絡基于SDN架構實現網絡資源的集中管理和按需調度，配合精確時間同步、流量調度等核心特性，可為不同類型的業務流量提供智能化、差異化承載服務。將時間敏感網絡技術與5G承載網融合部署，或許可以為5G端到端分片提供一種解決思路。
5G和TSN融合的技術挑戰
TSN是時延敏感網絡，而5G網絡本身是一個Best Effort網絡；因此融合的難點和關鍵點為如何在不確定性的5G網絡上實現確定性網絡。如何將無線5G技術與有線TSN技術實現無縫融合是工業互聯網重要且關鍵的技術難題之一，如時間同步機制、協同流量調度機制、高可靠橋接技術等。5G和TSN融合面臨如下的技術挑戰：
（1）5G網絡低時延、低抖動的實現。5G TSN包括終端、無線、傳輸和核心網，其中無線側是實現端到端確定性的關鍵，無線傳輸容易受到環境影響，時延難以保障。
（2）5G與TSN融合網絡的時間同步。當前TSN與5G網絡有各自的時鐘同步機制，實現時間同步是面向工業應用場景的關鍵能力需求之一。工業以太網的TSN采用廣義精準時鐘協議（gPTP）（IEEE802.1AS）實現時間同步。如何協同實現5G網絡與工業控制系統的時鐘同步是需要考慮的問題。
（3）5G TSN終端到終端的直接通信。在工業互聯網中，存在場內設備之間的直接通信，如移動機器人之間、AGV小車之間的協同工作。如何保障終端到終端之間的確定性通信也是需要考慮的問題。
（4）5G TSN的工業互聯網部署環境。TSN的產業鏈比較長，在工業互聯網中實現TSN，會涉及工業設備、工業以太網、控制系統等的升級改造。另外，TSN技術也在發展和完善中，規模商用還需要一定的時間。
5G和TSN融合方案
從 3GPP R16相關標準中可以看出，端到端確定性傳輸是 5G 網絡能夠在工業互聯網等對網絡傳輸有極致要求的垂直領域落地的關鍵。結合目前產業界需求及相關研究成果分析，TSN與5G的融合部署大體可以分為拼接式融合、5G承載網融合及深度融合三個階段。
（1）拼接式融合
5G網絡與TSN網絡的互通，即將原有已經具備時間敏感網絡特性的業務系統（如工業控制網絡、車載網絡等）與5G系統進行網絡拼接，流量調度協同，通過分段實現業務傳輸的確定性來提升端到端業務傳送質量。
在此類方案中，整個業務系統被看成一個UE，時間敏感網絡中的流量分類要與5G網絡系統的業務類型建立映射關系，同時需要保留TSN對于流量配置的相關標記，在經過5G網絡系統的遠程傳輸后剝離5G封裝，進入到協同業務系統中后，仍然按照TSN流量調度類型進行確定性傳輸。本方案的關鍵點在于TSN網絡與5G網絡邊緣處應部署對應網關，按照部署位置可以分為部署于TSN網絡與蜂窩無線網絡間的UE側網關以及部署于TSN與5G核心網之間的核心網側網關兩種類型。TSN與5G融合部署網關應在業務系統網絡側的接口需要具備時間敏感網絡的相關特性功能，兼具將業務系統數據及包含TSN特性的以太包頭封裝進5G傳輸包頭中，在封裝過程中還要將相關的業務流量標識映射到5G網絡傳輸結構中，對于UE側網關還需要支持有線網絡向無線蜂窩網絡轉換能力。
圖12：TSN與5G網絡系統拼接部署示意圖
（2）承載網融合
5G網絡系統除了提出新的空口NR標準及新的核心網架構以外，對于承載網絡的重構也是一項重要研究方向。5G網絡系統中承載網絡通常采用有線網絡進行流量承載，在DU和CU合設的情況下，通常可以分為前傳和回傳兩部分，如下圖所示。
圖13：TSN與5G承載網絡融合部署示意圖
自3G開始移動回傳網絡通常采用包轉發技術進行基站到核心網之間的流量承載，典型的方案以IPRAN及PTN為代表，借助MPLS標簽轉發技術實現業務流量的轉發、調度及保護倒換，基本承載技術相對穩定成熟。5G時代的回傳網絡一方面結合SDN及NFV技術將驅動回傳網絡的智能化演進；一方面也天然具備支持利用確定性網絡技術（MPLS Over TSN）實現回傳網絡的低時延、低抖動業務傳輸。
TSN與5G承載網的融合，不僅存在利用TSN技術驅動承載網實現確定性傳輸的需求，也具備從回傳到前傳再到中傳部署TSN技術的基本技術前提。TSN與5G承載融合部署的實現，將確定性傳輸方案從業務系統TSN網絡與5G URLLC的拼接模式向5G網絡系統內部承載網融合方向演進。
（3）深度融合
在TSN與5G深度融合階段中，整個5G網絡系統邏輯上將升級為具備時間敏感網絡特性的橋接系統，承載業務系統流量的遠程確定性傳送。3GPP R16 23.501中已經明確提出相關技術思路，如下圖所示。
圖14：TSN與5G深度融合部署示意圖
5G整個網絡包括終端、無線、承載和核心網，在TSN中作為一個邏輯網橋。TSN與5G網絡之間通過TSN轉換器功能進行用戶面和控制面的轉換和互通。5G TSN轉換器包括設備側TSN轉換器（DS-TT）和網絡側TSN轉換器（NW-TT），其中DS-TT位于終端側，NW-TT位于網絡側。5G網絡對TSN是透明性的，通過DS-TT和NW-TT提供TSN入口和出口端口。
在深度融合的架構下，5G網絡相對于業務系統被視為黑盒的TSN交換機，支持TSN集中式架構和時間同步機制，并通過定義新的QoS模型（流方向、周期、突發到達時間）來實現精準的流量調度，實現5GS中UE到UPF之間的確定性多種業務流量的共網高質量傳輸。
總結
TSN與5G分別是未來有線與無線工業互聯網的關鍵技術。TSN與5G融合是構建未來靈活、高效、柔性、可靠及安全的工業互聯網的基礎。TSN有線通信網絡技術與5G無線通信網絡技術互為補充，無縫融合，將為未來工業互聯網的蓬勃發展奠定堅實技術基礎。5G和TSN融合部署，一方面，切片技術、精準授時、流量調度和內生確定性等為工業互聯網提供低時延、低抖動的確定性通信，助力工業互聯網的無線化和柔性制造；另一方面，5G TSN當前的產業鏈發展還不夠成熟，并涉及終端、無線、核心網，甚至傳輸的改造。
