浅析确定性网络的时间敏感网(TSN)技术

Posted 2022-10-11 边缘计算社区

 导读

相对于其他确定性网络技术，如工作在1.5层的灵活以太网(FlexE)和工作在3层的确定网(DetNet)，TSN主要是解决2层网络确定性保障问题，通过一系列协议标准实现零拥塞丢包的传输，提供有上界保证的低时延和抖动，为时延敏感流量提供确定性传输保证。

作者：陆营川

单位：中国移动智慧家庭运营中心

来源：移动Labs

现有的以太网技术在1973年首次提出，并于1982年（Ethernet V2）正式投入商业应用，且很快击败了同时期的令牌环和FDDI等技术，逐步被全球采用。虽然依靠服务质量(QoS)技术，对所有的数据包进行分类和标注，在一定条件下能够达到按不同优先级进行转发的目的。但网络串行传输的特点和尽力而为(Best Effort)的转发机制，使得数据在端到端传输时，时延、抖动和服务质量等不可控。基于此IEEE的802.1任务组于2005年制定了音视频桥接(AVB，Audio Video Bridging)规范，这是一套用于实时音视频传输的以太网协议集，任务组于2012年11月正式更名为时间敏感网络(TSN,Time Sensitive Network)，同时成为基于以太网的新一代网络标准，具有时间同步、延时保证等实时性功能，在工业控制、智能制造和5G等领域逐渐得到广泛应用。

Part 01

●  TSN的定义 ● 

相对于其他确定性网络技术，如工作在1.5层的灵活以太网(FlexE)和工作在3层的确定网(DetNet)，TSN主要是解决2层网络确定性保障问题，通过一系列协议标准实现零拥塞丢包的传输，提供有上界保证的低时延和抖动，为时延敏感流量提供确定性传输保证。

图1 TSN协议层次

TSN是符合IEEE802.1Q标准的VLAN，在标准的以太帧中插入4个字节长度的VLAN tag。TSN通过VLAN tag中的PCP（Priority Code Point）和VID（VLAN ID）定义流的不同优先级协议层次^[1]。

• Tag Protocol Identifier：16bit长度，标签协议识别，标识TSN网络，数值为0X8100.

• Priority Code Point：3bit长度，优先级代码，标识流量优先级，3位PCP定义了8个优先级。

• Drop Eligible Indicator：1bit长度，丢弃标识位，对于低QoS要求的数据可置位，网络拥塞时可丢弃，以确保高优先级数据的QoS。

• VLAN Identifier（VID）：12bit长度，VLAN网络的识别号。VID=0用于识别帧优先级，VID=FFF作为预留，其余值用于标识VLAN。

图2 TSN的帧结构

Part 02

●  TSN的技术 ● 

为了实现局域网的确定性传输，时间敏感网络(TSN)实现了精确的网络时间同步机制，流程整形、分类和不同优先级流量的流量调度机制，以及端到端、网络中的交换机进行配置，以便为时间敏感型数据提供预留带宽等服务进行系统化的网络配置机制。

图3 TSN关键技术

图4 TSN协议组件集

2.1 时间同步

时间同步是TSN的基础，也是后续基于时隙来进行流量调度的关键。TSN利用IEEE 802.1AS协议达到整个网络时钟同步的目的。这是精确时间协议，是保证相关网络设备的时钟一致，不需要与自然界的时钟保持同步。这一协议是在IEEE 1588-2008 的精确时间协议(precision time protocol，PTP)基础上扩展而来，提出了广义精确时间协议( general precision time protocol，gPTP)。全局时间同步是TSN真正实现通信流端到端确定性时延和无排队传输要求的基础。是对以太网的同步协议进一步完善，增加了分布式网络的同步，并且采用双向信息通道，提高了传输信号的精确度。同时更新和修订的IEEE802.1 AS-REV协议增加了针对多个时域进行时间同步的能力，能在某域内全局时钟发生故障时实现快速切换到其他域。

2.2流量控制

TSN流量控制主要涉及流量分类、流量整形和流量的调度与抢占。通过帧中VLAN tag的相关属性信息，确定对应流量的类型和优先级；对已识别的TSN流进行限速或临时缓存等整形处理，控制流量以预设的速率收发；通过一定调度算法和机制，将整形后或排队中的流调度至输出端，以相应的顺序在交换机内完成转发，同时根据QoS保证各种流传送时的服务质量需求。在此过程中，通过帧间切片打断低优先级帧传输，保障高优先级流的及时转发，最终实现高优先级帧传输的实时性和超低时延要求^[2]。主要有CBS整形器(Credit-based Shaper，基于IEEE 802.1Qav)，TAS整形器(Time-aware Shaper，基于IEEE 802.1Qbv)，CQF整形器(Cyclic Queuing and Forwarding，基于802.1Qch)和 IEEE ATS整形器(Asynchronous Traffic Shaping，基于802.1Qcr)。

2.3 网络配置

利用IEEE 802.1Qcc协议中为时间敏感网络(TSN)定义配置模型，目前TSN可以根据具体需求，提供全集中式、混合式以及全分布式三种不同的配置模型，对发送端、接收端和网络中的交换机进行定制化配置，为后续在此网络上传输的时间敏感型数据提供预留带宽等服务。

Part 03

●  TSN的特点 ● 

与标准的以太网相比，TSN最大的特点是能够保证数据交换的确定性，在提前确定时间敏感数据流（称为scheduled traffic）传输的周期，每个周期传输的数据大小后，只要数据发送方按照约定将数据发出，TSN就能够保证在确定的时间将数据交换到接受方^[3]。

Part 04

●  TSN的应用 ● 

TSN为局域网的确定性服务质量提供保障，随着OT(operational technology)、IT(information technology)与CT(communication technology)的融合，TSN可在这些融合局域网络中发送周期、非周期数据流。在车联网、工业控制、智能电网、5G等领域有着广阔的应用前景，TSN网络将得到更快的发展。

4.1 工业互联网

TSN可以有效兼顾工业物联网场景下，高效率数据传输和高可靠性需求，有效推动了工业OT系统与IT系统的融合。同时结合5G下URLLC的确定性传输技术，现有的传感器、执行器等工业设备都能以无线方式连接到TSN网络中，可以实现不受电缆安装限制的灵活部署和应用，整套系统可以更加自动化，减少人为干预和依赖，将持续推动工业互联网底层架构的演进。

4.2 车载网络

随着汽车的智能化和自动化的发展，车载网络需要满足高级辅助驾驶系统（ADAS）、智能车载诊断系统（OBD）、车载多媒体系统以及其他各类车载系统的承载和互联要求。现有车载网络仍以各总线并存为主，而且媒体信号和控制信号不能在同一链路上进行统一传输。所以如何在混流的条件下，保证各种不同类型的流量对端到端传输时延、抖动、丢包率等需求均得到满足，是目前车载网面临的技术难点和质疑所在。TSN能根据数据流量的不同优先级，提供不同程度的端到端有界时延的保障和更小的抖动等。并且服务质量可以通过理论得到证实。这些特征都能符合车载网络的发展需求，从而满足车载以太网的应用要求^[4]。

➪ 参考文献

[1] 互联网文档，一文读懂TSN，https://www.sdnlab.com/25482.html.

[2] SDNLAB，TSN时间敏感网络技术浅析，2022.4.

[3] 互联网文档，基于FAST的TNS交换，https://blog.csdn.net/m0_37537704/article/details/86747622.

[4] 工业互联网产业联盟，时间敏感网络产业白皮书，2020.8.