发表于：2020/2/10 9:41:06
#0楼
2.1.TSN技术概要
通常，IEEE802.3开发并维护以太网的PHY和MAC标准，IEEE802.1开发并维护Bridging(akaSwitching)标准。通过AVB，IEEE使得以太网进入了实时应用领域，通过TSN，IEEE使得以太网进入硬实时应用，并改善了以太网的鲁棒性。通过在IEEE标准的持续的竞争力提升，开发这些技术的产品会有更好的市场。TSN是采用全局时间以及一个时间表让报文穿越多个网络组件，通过定义一个时间表用于传输报文，TSN确保了较低延时传输。
TSN要实现的包括以下：
--针对交换网络的报文延迟得到保障；
--严格的非严苛数据与时间严苛型报文可以在一个网络中传输而无需担心数据碰撞；
--更高层的协议可以通过实施控制报文机制分享网络基础设施；
--在无需网络或设备变动情况下将组件添加至实时控制系统；
--网络错误可以通过在源头更为精准的信息而被诊断并更快的维修
2.1.1 TSN所处的位置
TSN并非涵盖整个网络，而仅仅是对MAC层的定义，对数据帧进行处理的过程。
图5.TSN在ISO-OSI模型中所处的位置
TSN所处的位置在OSI七层模型的第二层，尽管它是处理数据的调度，以太网数据包的封装与解包任务。
2.1.2TSN的核心任务
TSN主要解决时钟同步、数据调度与系统配置三个问题，如图6所示
图6-TSN网络所聚焦的三个问题
（1）.所有通信问题均基于时钟，确保时钟同步精度是最为基础的问题，TSN工作组开发基于IEEE1588的时钟，并制定新的标准IEEE802.1AS-Rev。
（2）.数据调度机制：为数据的传输制定相应的机制，以确保实现高带宽与低延时的网络传输。
（3）.系统配置方法与标准，为了让用户易于配置网络，IEEE定义了相应的IEEE802.1Qcc标准。
2.1.3TSN的参考网络
图7是TSN的参考网络架构，每个节点都有对应的同步时钟以及数据队列，看上去像是个路由网络，但TSN仅占有MAC层的定义。
图7-TSN参考网络结构
在这个网络中，Talker的信息要抵达Listener需要经过几个桥接过程，而在每个节点上都会有分布式时钟进行时间的同步计算，而队列用于处理数据的优先级、包括为了高动态数据的快速通道方式、抢占式机制。
2.2.TSN相关技术标准
要实现新的综合视频/音频、实时工业数据以及其它复杂的数据交互的传输，那么就需要解决技术上的障碍（如以太网的数据冲突），并且在分布式时钟同步、传输质量上予以技术保障，也包括如何实现工业应用所需的诸如高实时、冗余，以及信息安全及功能安全的机制保障。
为此IEEE802.1成了实时工作组，开发TSN的标准，以及组织企业的测试等工作。
2.2.1.IEEE802.1ASrev-用于时钟同步
它用于实现高精度的时钟同步。对于TSN而言，其最为重要的不是“最快的传输”和“平均延时”，而是“最差状态下的延时”—这如同“木桶理论”，系统的能力取决于最短的那块板，即，对于确定性网络而言，最差的延时才是系统的延时定义。
图8-IEEE802.1 AS时钟同步架构
如图8所示，IEEE802.1AS时钟同步架构，而TSN是对其进行升级。
图9-IEEE802.1AS-Rev的分布式时钟网络
IEEE802.1AS-Rev是为以太网第二层所定义的1588规范，它的修订包括了对链路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范围-包括1步时间戳标准化处理以及针对长链、环的支持，更好的响应能力，这包括了更快的主站交互、降低BMCA收敛时间。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息传输以及冗余支持能力（可配置冗余路径和冗余主站）。对无线网络采用时间测量提供更好的支持。
2.2.2IEEE802.1Qbv时间感知队列
TSN的核心在于时间触发的通信原理，在TSN网络中有“Time-aware Shaper-TAS”概念，这是确定性报文序列的传输方式，被标准化为IEEE802.1Qbv。其机制如图10所示。
图10-IEEE802.1Qbv的传输机制
通过时间感知整形器(Time Aware Shaper)概念使得可通过TSN使能交换机来控制队列报文，以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag，每个队列在一个时间表中定义，然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在预定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的，而在TSN网络的数据报文延时被得到保障。TAS介绍了一个传输门概念，这个门有“开”、“关”两个状态。传输的选择过程-仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。而这些门的状态由网络时间表进行定义。关闭到非时间表的门是另一种提供对时间严苛型报文进行带宽与延时保障的方法。TAS保障时间严苛报文免受其它网络信息的干扰，它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟。当这些因素非常重要时，抢占机制可以被使用。
图11-IEEE802.1 Qbv-Time Aware Shaper工作机制
如图11所示，在网络进行配置时队列就分为ScheduledTraffic、Reserved Traffic、Best-effortTraffic三种，对于Schedule而言则直接按照原定的配置时间通过，其它则按优先级。Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计，其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv确保了实时数据的传输，以及其它非实时数据的交换。
2.2.3IEEE802.1Qbu & IEEE802.3br转发与队列机制
对于高带宽的非时间严苛型应用而言，Qbu的抢占式方式可以解决其传输的问题。当出现优先级更高的数据包传输时立即中断当前传输，被中断的传输从中断点处被重发。
图12-IEEE802.1Qbu的传输序列
IEEE 802.1Qbu与IEEE 802.3br（IET-分散快速报文）一同工作于一个标准化的抢占机制上。该标准解决IEEE802.1Qbv所描述的TAS为避免传输抖动而在严苛型数据帧到来之前锁存了低优先级序列的问题（在一个最大干扰帧的持续时间内）。在需要预定的消息的最小延迟的情况下，TAS机制可能不是最佳的解决方案。因此，在支持由IEEE 802.1Qbu定义的优先级的链路上，可以中断标准以太网或巨型帧的传输，以允许高优先级帧的传输，然后在不丢弃之前传输的被中断的消息。有几种用于抢占正在进行的传输的通信选项是有利的，例如，以允许即时传输预定的消息并确保最小的通信延迟，或者促成
具有大量预定流量的网络链路上的最大带宽使用率。
当然，对于IEEE802.1Qbu的抢占而言，正在进行的传输可以被中断，报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧，抢占生成框架，最小以太网帧受到保护的，127字节的数据帧（或剩余帧）不能被抢占。
图13-可抢占MAC与快速MAC(IEEE802.3br)
如图13所示，IEEE802.1br定义了，设计了快速帧的MAC数据通道可以抢占Preemptable MAC的数据传输。IEEE802.3br也同样可以与IEEE802.1Qbv配合进行增强型的数据转发。
2.2.4.IEEE802.1Qcc系统配置
Qcc用于为TSN进行基础设施和交换终端节点进行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由1或多个CUC(集中用户配置)和1个CNC(集中网络配置)构成。CUC制定用户周期性时间相关的需求并传输过程数据到CNC，CNC计算TSN配置以满足需求。CUC用于OPC UA Pub/Sub，另一个用于OPC UA C/S，也会有其它用于应用协议如安全。配置采用标准化的配置协议（TLS上的NETCONF）以及匹配的配置文件（YANG）），如果单一设备则CUC和CNC并不牵扯协议。如果CUC和CNC是在分布式网络，RESTCONF用于他们之间的通信协议。
图14-IEEE802.1 Qcc-CNC用于TSN网络与用户配置的协议
图14显示了IEEE802.1Qcc的CNC与CUC的配置，对不同的Qbv,Qbu,QCB的配置。
2.2.5IEEE802.1CB冗余数据传输
IEEE802.1CB标准是为了实现冗余管理机制以实现HSR(高可用无缝冗余-IEC62439-3)和PRP(并行冗余协议,IEC62439 C4)。为了增强可用性，报文被冗余拷贝在一个并行的网络通道里。现存的标准，路径控制与预留IEEE802.1Qca，定义了如何设置此路径。冗余管理机制将这些冗余帧合并并产生一个独立的信息流到接收端。TSN工作组已经实现这一标准的最终版本。
2.2.6TSN相关标准及进程
IEEE TSN工作组正在推动相关的标准的落定，相关标准如表1，而进程如表2
表1-IEEE802.1TSN相关标准列表
当前TSN的标准化进程（2017年），如表2所示
表2-IEEE802.1 TSN相关标准进展（2017年）
关于IEEE802.1Qch,Qci,Qca在后续进行介绍。
3.全集成互联架构
对于传统的实时以太网技术而言，包括POWERLINK、Profinet、Ethern/IP和SERCOSIII而言，由于其仅为在软件协议栈方面的修改，因此，其从原有的IEEE802.3网络转至IEEE802.1的TSN网络，可以直接采用TSN网络来实现，而无需修改原有协议栈，以POWERLINK为例，在最底层采用了TSN并不影响原有POWERLINK的轮询调度机制。
图15-贝加莱OPC UA+TSN的整体互联框架
在POWERLINK之上的应用层可以采用OPC UA的机制，并且支持Pub/Sub机制。
优点
*TSN将为工业网络开启关键控制应用，例如机器人控制，驱动器控制和视觉系统。这种连通性可以让用户和供货商更容易从这些系统中获取数据，并对这些系统提供预日常的防性维护和优化。
*支持快速生产重构，降低工厂停工时间
*在整个工厂诊断集成中提高正常运行时间
通常，IEEE802.3开发并维护以太网的PHY和MAC标准，IEEE802.1开发并维护Bridging(akaSwitching)标准。通过AVB，IEEE使得以太网进入了实时应用领域，通过TSN，IEEE使得以太网进入硬实时应用，并改善了以太网的鲁棒性。通过在IEEE标准的持续的竞争力提升，开发这些技术的产品会有更好的市场。TSN是采用全局时间以及一个时间表让报文穿越多个网络组件，通过定义一个时间表用于传输报文，TSN确保了较低延时传输。
TSN要实现的包括以下：
--针对交换网络的报文延迟得到保障；
--严格的非严苛数据与时间严苛型报文可以在一个网络中传输而无需担心数据碰撞；
--更高层的协议可以通过实施控制报文机制分享网络基础设施；
--在无需网络或设备变动情况下将组件添加至实时控制系统；
--网络错误可以通过在源头更为精准的信息而被诊断并更快的维修
2.1.1 TSN所处的位置
TSN并非涵盖整个网络，而仅仅是对MAC层的定义，对数据帧进行处理的过程。
图5.TSN在ISO-OSI模型中所处的位置
TSN所处的位置在OSI七层模型的第二层，尽管它是处理数据的调度，以太网数据包的封装与解包任务。
2.1.2TSN的核心任务
TSN主要解决时钟同步、数据调度与系统配置三个问题，如图6所示
图6-TSN网络所聚焦的三个问题
（1）.所有通信问题均基于时钟，确保时钟同步精度是最为基础的问题，TSN工作组开发基于IEEE1588的时钟，并制定新的标准IEEE802.1AS-Rev。
（2）.数据调度机制：为数据的传输制定相应的机制，以确保实现高带宽与低延时的网络传输。
（3）.系统配置方法与标准，为了让用户易于配置网络，IEEE定义了相应的IEEE802.1Qcc标准。
2.1.3TSN的参考网络
图7是TSN的参考网络架构，每个节点都有对应的同步时钟以及数据队列，看上去像是个路由网络，但TSN仅占有MAC层的定义。
图7-TSN参考网络结构
在这个网络中，Talker的信息要抵达Listener需要经过几个桥接过程，而在每个节点上都会有分布式时钟进行时间的同步计算，而队列用于处理数据的优先级、包括为了高动态数据的快速通道方式、抢占式机制。
2.2.TSN相关技术标准
要实现新的综合视频/音频、实时工业数据以及其它复杂的数据交互的传输，那么就需要解决技术上的障碍（如以太网的数据冲突），并且在分布式时钟同步、传输质量上予以技术保障，也包括如何实现工业应用所需的诸如高实时、冗余，以及信息安全及功能安全的机制保障。
为此IEEE802.1成了实时工作组，开发TSN的标准，以及组织企业的测试等工作。
2.2.1.IEEE802.1ASrev-用于时钟同步
它用于实现高精度的时钟同步。对于TSN而言，其最为重要的不是“最快的传输”和“平均延时”，而是“最差状态下的延时”—这如同“木桶理论”，系统的能力取决于最短的那块板，即，对于确定性网络而言，最差的延时才是系统的延时定义。
图8-IEEE802.1 AS时钟同步架构
如图8所示，IEEE802.1AS时钟同步架构，而TSN是对其进行升级。
图9-IEEE802.1AS-Rev的分布式时钟网络
IEEE802.1AS-Rev是为以太网第二层所定义的1588规范，它的修订包括了对链路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范围-包括1步时间戳标准化处理以及针对长链、环的支持，更好的响应能力，这包括了更快的主站交互、降低BMCA收敛时间。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息传输以及冗余支持能力（可配置冗余路径和冗余主站）。对无线网络采用时间测量提供更好的支持。
2.2.2IEEE802.1Qbv时间感知队列
TSN的核心在于时间触发的通信原理，在TSN网络中有“Time-aware Shaper-TAS”概念，这是确定性报文序列的传输方式，被标准化为IEEE802.1Qbv。其机制如图10所示。
图10-IEEE802.1Qbv的传输机制
通过时间感知整形器(Time Aware Shaper)概念使得可通过TSN使能交换机来控制队列报文，以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag，每个队列在一个时间表中定义，然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在预定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的，而在TSN网络的数据报文延时被得到保障。TAS介绍了一个传输门概念，这个门有“开”、“关”两个状态。传输的选择过程-仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。而这些门的状态由网络时间表进行定义。关闭到非时间表的门是另一种提供对时间严苛型报文进行带宽与延时保障的方法。TAS保障时间严苛报文免受其它网络信息的干扰，它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟。当这些因素非常重要时，抢占机制可以被使用。
图11-IEEE802.1 Qbv-Time Aware Shaper工作机制
如图11所示，在网络进行配置时队列就分为ScheduledTraffic、Reserved Traffic、Best-effortTraffic三种，对于Schedule而言则直接按照原定的配置时间通过，其它则按优先级。Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计，其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv确保了实时数据的传输，以及其它非实时数据的交换。
2.2.3IEEE802.1Qbu & IEEE802.3br转发与队列机制
对于高带宽的非时间严苛型应用而言，Qbu的抢占式方式可以解决其传输的问题。当出现优先级更高的数据包传输时立即中断当前传输，被中断的传输从中断点处被重发。
图12-IEEE802.1Qbu的传输序列
IEEE 802.1Qbu与IEEE 802.3br（IET-分散快速报文）一同工作于一个标准化的抢占机制上。该标准解决IEEE802.1Qbv所描述的TAS为避免传输抖动而在严苛型数据帧到来之前锁存了低优先级序列的问题（在一个最大干扰帧的持续时间内）。在需要预定的消息的最小延迟的情况下，TAS机制可能不是最佳的解决方案。因此，在支持由IEEE 802.1Qbu定义的优先级的链路上，可以中断标准以太网或巨型帧的传输，以允许高优先级帧的传输，然后在不丢弃之前传输的被中断的消息。有几种用于抢占正在进行的传输的通信选项是有利的，例如，以允许即时传输预定的消息并确保最小的通信延迟，或者促成
具有大量预定流量的网络链路上的最大带宽使用率。
当然，对于IEEE802.1Qbu的抢占而言，正在进行的传输可以被中断，报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧，抢占生成框架，最小以太网帧受到保护的，127字节的数据帧（或剩余帧）不能被抢占。
图13-可抢占MAC与快速MAC(IEEE802.3br)
如图13所示，IEEE802.1br定义了，设计了快速帧的MAC数据通道可以抢占Preemptable MAC的数据传输。IEEE802.3br也同样可以与IEEE802.1Qbv配合进行增强型的数据转发。
2.2.4.IEEE802.1Qcc系统配置
Qcc用于为TSN进行基础设施和交换终端节点进行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由1或多个CUC(集中用户配置)和1个CNC(集中网络配置)构成。CUC制定用户周期性时间相关的需求并传输过程数据到CNC，CNC计算TSN配置以满足需求。CUC用于OPC UA Pub/Sub，另一个用于OPC UA C/S，也会有其它用于应用协议如安全。配置采用标准化的配置协议（TLS上的NETCONF）以及匹配的配置文件（YANG）），如果单一设备则CUC和CNC并不牵扯协议。如果CUC和CNC是在分布式网络，RESTCONF用于他们之间的通信协议。
图14-IEEE802.1 Qcc-CNC用于TSN网络与用户配置的协议
图14显示了IEEE802.1Qcc的CNC与CUC的配置，对不同的Qbv,Qbu,QCB的配置。
2.2.5IEEE802.1CB冗余数据传输
IEEE802.1CB标准是为了实现冗余管理机制以实现HSR(高可用无缝冗余-IEC62439-3)和PRP(并行冗余协议,IEC62439 C4)。为了增强可用性，报文被冗余拷贝在一个并行的网络通道里。现存的标准，路径控制与预留IEEE802.1Qca，定义了如何设置此路径。冗余管理机制将这些冗余帧合并并产生一个独立的信息流到接收端。TSN工作组已经实现这一标准的最终版本。
2.2.6TSN相关标准及进程
IEEE TSN工作组正在推动相关的标准的落定，相关标准如表1，而进程如表2
表1-IEEE802.1TSN相关标准列表
当前TSN的标准化进程（2017年），如表2所示
表2-IEEE802.1 TSN相关标准进展（2017年）
关于IEEE802.1Qch,Qci,Qca在后续进行介绍。
3.全集成互联架构
对于传统的实时以太网技术而言，包括POWERLINK、Profinet、Ethern/IP和SERCOSIII而言，由于其仅为在软件协议栈方面的修改，因此，其从原有的IEEE802.3网络转至IEEE802.1的TSN网络，可以直接采用TSN网络来实现，而无需修改原有协议栈，以POWERLINK为例，在最底层采用了TSN并不影响原有POWERLINK的轮询调度机制。
图15-贝加莱OPC UA+TSN的整体互联框架
在POWERLINK之上的应用层可以采用OPC UA的机制，并且支持Pub/Sub机制。
优点
*TSN将为工业网络开启关键控制应用，例如机器人控制，驱动器控制和视觉系统。这种连通性可以让用户和供货商更容易从这些系统中获取数据，并对这些系统提供预日常的防性维护和优化。
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