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TSN的重要協(xié)議是什么？
傳統(tǒng)以太網(wǎng)會(huì)采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)（CSMA/CD)的機(jī)制，當(dāng)兩個(gè)工作站發(fā)生沖突時(shí)，必須延遲一定時(shí)間后重發(fā)報(bào)文。發(fā)生堵塞時(shí)，有的報(bào)文可能長(zhǎng)時(shí)間發(fā)布不出去，造成通信時(shí)間的不確定性。以往對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)去實(shí)現(xiàn)。故現(xiàn)在信息技術(shù)和運(yùn)營(yíng)技術(shù)融合過程中會(huì)遇到很大的困難，為了實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)、確定性需求，有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)和沒有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)往往需要通過兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。所有的控制器都是兩個(gè)網(wǎng)口，一個(gè)是實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。而TSN不僅能確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、確定性傳輸，還能實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感數(shù)據(jù)和非時(shí)間敏感性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)的傳輸。
TSN通過一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（TSN協(xié)議族）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)、確定性傳輸，保證對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的信息在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的不同場(chǎng)景下的順利傳輸。TSN協(xié)議族本身具有很高的靈活性，用戶可以根據(jù)應(yīng)用的具體需求來選擇相應(yīng)的協(xié)議組合。TSN協(xié)議族包含了時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度及流量整形、可靠性、資源管理這四個(gè)類別的子協(xié)議。
TSN重要協(xié)議及功能
時(shí)鐘同步
與IEEE 802.3 的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相比，時(shí)鐘在TSN 網(wǎng)絡(luò)中起著重要的作用。對(duì)于實(shí)時(shí)通信而言，端到端的傳輸延遲具有難以協(xié)商的時(shí)間界限，因此TSN 中的所有設(shè)備都需要具有共同的時(shí)間參考模型，因此需要彼此同步時(shí)鐘。目前TSN采用IEEE 1588 協(xié)議和IEEE 802.1AS協(xié)議來實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。
IEEE 1588 協(xié)議是一個(gè)精密時(shí)間協(xié)議 (PTP)，用于同步計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘。 在局域網(wǎng)中，它能將時(shí)鐘精確度控制在亞微秒范圍內(nèi)，使其適用于測(cè)量和控制系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)調(diào)度及流量整形
TSN通過定義不同的整形機(jī)制將數(shù)據(jù)流的時(shí)延限定在一定范圍內(nèi)，以此滿足不同的低時(shí)延場(chǎng)景需求。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)流的通信時(shí)延是不確定的，由于這種不確定性，數(shù)據(jù)接收端通常需要預(yù)置大緩沖區(qū)來緩沖輸出，但是這樣會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)流，例如音視頻流，缺失了實(shí)時(shí)方面的特性。TSN不僅要保證時(shí)間敏感流的到達(dá)，同時(shí)也要保證這些數(shù)據(jù)流的低時(shí)延傳輸。通過優(yōu)化控制時(shí)間敏感流和best-effort流、以及其它數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程，來保證對(duì)數(shù)據(jù)流的傳輸時(shí)間要求，這個(gè)優(yōu)化控制的方式就是整形。
數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延對(duì)比圖（TSN vs 傳統(tǒng)以太網(wǎng)）
TSN用于數(shù)據(jù)調(diào)度和流量整形的協(xié)議有IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu、IEEE 802.1Qch及IEEE 802.1Qcr。其中，IEEE 802.1Qbv采用非搶占式的的數(shù)據(jù)調(diào)度，流量調(diào)度方式通過時(shí)隙進(jìn)行控制，需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流優(yōu)先傳輸，同時(shí)為best-effort數(shù)據(jù)及預(yù)留數(shù)據(jù)預(yù)留帶寬，允許時(shí)間敏感流和非時(shí)間敏感流在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸，并確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。
如下圖（IEEE 802.1Qbv時(shí)隙劃分圖），使用IEEE 802.1Qbv，數(shù)據(jù)包傳輸被安排在一個(gè)重復(fù)周期中端到端。IEEE 802.1Qbv中定義了三種基本類型的流量：時(shí)間敏感流、best-effort流和預(yù)留流量。 時(shí)間敏感流適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的關(guān)鍵消息， best-effort流是不需要任何QoS 的一般以太網(wǎng)流量。 此外，預(yù)留流量適用于需要預(yù)留特定帶寬并具有軟實(shí)時(shí)要求的幀。
IEEE 802.1Qbv定義了通過調(diào)度算法啟用或禁用幀傳輸?shù)拈T，將以太網(wǎng)通信劃分為固定長(zhǎng)度、連續(xù)重復(fù)的周期。這些周期被分成時(shí)隙，在每個(gè)時(shí)隙中，數(shù)據(jù)通過被賦予不同的優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)在指定時(shí)隙中的傳輸。由于此操作，時(shí)間敏感流可以擁有專用時(shí)隙，從而確保此流量在傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的確定性傳輸。另一方面，預(yù)留流量和best-effort流被容納在每個(gè)周期的剩余時(shí)隙中。預(yù)留流量保證有專用帶寬，而best-effort流可以使用剩余的帶寬。
IEEE 802.1Qbv時(shí)隙劃分圖
圖中時(shí)隙1為時(shí)間敏感流預(yù)留，時(shí)隙期間不存在其他流量。另一方面，時(shí)隙2由best-effort流和預(yù)留流量使用，同時(shí)為預(yù)留流量預(yù)留專用帶寬。
由于TSN的運(yùn)行基于不同的時(shí)間時(shí)隙發(fā)送不同類型的流量，因此所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須在納秒級(jí)范圍內(nèi)同步。
可靠性
對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用除了需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，同時(shí)也需要高可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，以便應(yīng)對(duì)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)失效、線路斷路和外部攻擊帶來的各種問題，來確保功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全。IEEE 802.1Qci、IEEE 802.1CB及IEEE 802.1Qca用于實(shí)現(xiàn)TSN這方面的性能。
IEEE 802.1CB為以太網(wǎng)提供雙鏈冗余特性，通過在網(wǎng)絡(luò)的源端系統(tǒng)和中繼系統(tǒng)中對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行序列編號(hào)和復(fù)制，并在目標(biāo)端系統(tǒng)和其他中繼系統(tǒng)中消除這些復(fù)制幀，確保僅有一份數(shù)據(jù)幀被接收?？捎脕矸乐褂捎趽砣麑?dǎo)致的丟包情況，也可以降低由于設(shè)備故障造成分組丟失的概率及故障恢復(fù)時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。
IEEE 802.1 CB工作原理
資源管理
在TSN網(wǎng)絡(luò)中，每一種實(shí)時(shí)應(yīng)用都有特定的網(wǎng)絡(luò)性能需求。使能TSN網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)特性是對(duì)可用的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行配置和管理的過程，其允許在同一網(wǎng)絡(luò)中通過配置一系列TSN子協(xié)議，來合理分配網(wǎng)絡(luò)路徑上的資源，以確保它們能夠按照預(yù)期正常運(yùn)行。TSN資源管理子協(xié)議包括IEEE 802.1Qat協(xié)議和IEEE 802.1Qcc協(xié)議。IEEE 802.1Qcc協(xié)議是IEEE802.1Qat協(xié)議的增強(qiáng)。
IEEE802.1Qat即流預(yù)留協(xié)議。根據(jù)流的資源要求和可用的網(wǎng)絡(luò)資源情況指定數(shù)據(jù)準(zhǔn)入控制，保留資源并通告從數(shù)據(jù)源發(fā)送端至數(shù)據(jù)接收端之間的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，確保指定流在整條傳輸路徑上有充足的網(wǎng)絡(luò)資源可用。
TSN的應(yīng)用場(chǎng)景是什么？
TSN的典型應(yīng)用就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)通過在每個(gè)接入網(wǎng)側(cè)均采用硬編碼邏輯控制器（硬PLC）及人機(jī)交互界面（HMI）實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人、夾具的控制來實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化。每個(gè)接入網(wǎng)側(cè)都需要相應(yīng)的硬PLC分散地處理業(yè)務(wù)，使得管理困難，運(yùn)維復(fù)雜，如下圖（傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案）。而且生產(chǎn)線往往變更頻繁，硬PLC由于采用硬編碼，其生產(chǎn)擴(kuò)展不靈活，生產(chǎn)線變更時(shí)需要耗費(fèi)很大的資源去進(jìn)行生產(chǎn)線的適配和調(diào)測(cè)。
若將PLC直接接入到工廠數(shù)據(jù)中心，就可以采用軟件編碼的虛擬PLC（vPLC），如下圖（傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案vs采用TSN網(wǎng)絡(luò)園區(qū)工業(yè)解決方案）融合架構(gòu)的IT基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)（FushionCube）上的vPLC，一方面可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程集中處理。另一方面，vPLC通過軟件編程就可以完成對(duì)生產(chǎn)線的適配，生產(chǎn)擴(kuò)展靈活。但工廠數(shù)據(jù)中心往往統(tǒng)一納管信息技術(shù)和運(yùn)營(yíng)技術(shù)，生產(chǎn)業(yè)務(wù)流和辦公業(yè)務(wù)流及其它數(shù)據(jù)流均需通過同一網(wǎng)絡(luò)上送到工廠數(shù)據(jù)中心，而且工業(yè)自動(dòng)化控制對(duì)數(shù)據(jù)流的確定性到達(dá)有毫秒級(jí)的需求。采用傳統(tǒng)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)難以滿足實(shí)現(xiàn)確定性通信的同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感性數(shù)據(jù)和非時(shí)間敏感性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)的傳輸，故不能實(shí)現(xiàn)vPLC在工廠數(shù)據(jù)中心處對(duì)生產(chǎn)機(jī)器（機(jī)器人、夾具）的集中管理，而TSN網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)可以解決這一難題。通過對(duì)vPLC和生產(chǎn)機(jī)器連接的網(wǎng)關(guān)均使能TSN的相關(guān)協(xié)議，可構(gòu)建TSN網(wǎng)絡(luò)，如下圖（傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案vs采用TSN網(wǎng)絡(luò)園區(qū)工業(yè)解決方案），可實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感性數(shù)據(jù)和非時(shí)間敏感性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在毫秒級(jí)乃至微秒級(jí)的確定性通信，從而實(shí)現(xiàn)vPLC的遠(yuǎn)程集中管理，使生產(chǎn)更加安全，維護(hù)更加方便，產(chǎn)線調(diào)整更加靈活。
傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案
傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)解決方案vs采用TSN網(wǎng)絡(luò)園區(qū)工業(yè)解決方案
