工控老曹说——TSN标准化如何赋能多领域以太网新发展

Posted 2023-05-18 dingshi

网络通信已经成为现代社会中不可或缺的一部分。然而，在某些领域，例如工业自动化、机器人控制和视频监控等实时应用对通信的要求更高，需要实时传输大量数据并确保其可靠性和准确性。传统的网络技术在这些高要求的应用场景下表现不佳，往往难以满足实时应用的需求。因此，时间敏感网络（TSN）技术的出现解决了这个问题。

目前，工业和学术界的许多机构和组织正在积极推动TSN标准化工作，以确保其互操作性和可靠性，并进一步推广其在各个应用领域中的应用，以提供超低延迟、抖动和可靠性的功能优势。TSN是一项基于以太网且应用广泛的技术，因此在成本和互操作性等方面也具备了经济性和可靠性。凭借这些优势，TSN有望成为未来的LAN基础设施，支持工业4.0、智能工厂、智能交通系统和5G等领先技术的发展。

随着TSN技术的具体实施在不同行业和应用中被广泛提出和研究，不少技术领先的企业也开始着手布局TSN。但作为一种新兴的网络技术，TSN网络构建与测试需要一定的准备工作和特定的设备。

了解TSN技术

在开始进行TSN组网测试之前，需要了解TSN技术及其特点，以及了解各种流量类型和流量管理的技术细节。

1.1 TSN技术基础概念

TSN是一项用于以太网的实时通信技术，旨在确保在各种应用场景中实现低延迟、低抖动和可靠的通信。TSN通过在以太网上定义一些机制来实现这一目标，其中包括：

●全局同步时间：TSN使用一个共同的全局时钟来确保各个网络组件之间的时间同步，以便在网络中传输消息时可以精确地计算延迟。

●时间触发消息传递：TSN定义了交换以太网中时间触发消息传递的标准，以确保消息能够按照预定的时间表发送和接收，从而实现时间关键型保留流量的确定性有限延迟。

●队列调度：TSN通过定义根据时间表传输消息的队列来保证各种流量类别和应用程序集成到单个基于标准的以太网网络中。

通过这些机制，TSN能够在以太网上实现严格的时间控制，从而满足各种实时应用的要求。TSN在信息技术（IT）核心（如工业4.0、网络物理系统和工业物联网（IIoT））中具有重要的作用，能够帮助企业实现数字化转型和智能制造。

1.2 TSN技术特点

（1）实时性

通过使用时间同步和硬件时间戳技术（IEEE 802.1AS），TSN技术可以保证数据按照预定时间到达目的地，从而确保实时性。这种技术确保了网络上的数据传输遵循一个严格的时间表，从而保证了数据的准确性和可靠性。

（2）可靠性

TSN技术通过采用冗余路径、双路径和队列调度等技术（例如IEEE 802.1CB），有效地避免了数据丢失和延迟，从而显著提高了网络的可靠性。这种技术为数据传输提供了备用通道，并对数据进行了有效的排队调度，以确保它们能够按时到达目的地，从而保证了网络的稳定性和可靠性。

（3）确定性

通过采用预定带宽技术（例如IEEE 802.1QBV），TSN技术可以对网络带宽进行有效的优化，从而确保网络传输的稳定性和可预测性。这种技术可以为网络上的各个流量流提供特定的带宽，从而确保了它们的传输效率和稳定性。这样一来，网络上的各种应用程序和服务就能够更好地协同工作，从而提高了整个系统的性能和可靠性。

（4）兼容性

TSN技术与现有网络技术兼容（IEEE 802.1/802.3），并且可以与以太网、无线网络等多种网络技术共存。此外，它还具有软件升级的优势，因此可以通过简单的软件升级来实现功能的增强和改进，而无需更换硬件。这种技术的兼容性和可升级性使得它非常适合于各种不同类型的网络，可以帮助网络运营商在不影响现有基础设施的情况下提高网络性能和可靠性。

1.3 TSN流量类型

在TSN网络中定义三种基本类型的流量：计划流量ST、尽力而为流量（BE）和预留流量RT，对硬实时性有严格要求的数据传输采用ST，而对实时性要求不高并且需要预留部分带宽的数据传输采用RT，BE则是没有任何传输要求的一般以太网流量。

网络拓扑设计

一旦流量特征分析完成并确定了测试计划，就有必要设计并设置一个网络拓扑结构，TSN网络定义TSN包括以下几个方面：

a）要使用的设备：TSN终端设备和交换机/桥接器（endpoint , bridge）。

b）确定这些设备之间的物理连接，这和网络本身的拓扑结构设计相对应。

c）在构建的网络中定义TSN数据流，以及这些数据流的实际传输路由。

根据测试需求，设置TSN交换机的参数，如时间同步方式、队列调度算法、流量控制策略等。将TSN终端设备连接到TSN交换机，确保设备与交换机之间的连接正常。

 

2.1 TSN交换机/终端设备

TSN测试需要使用支持TSN技术的交换机。这些交换机可以支持多个TSN特性，如时间同步、带宽保障、流量隔离和时钟同步等，

2.2 TSN网络测试设备

  在进行TSN组网测试之前，需要使用支持TSN技术的测试工具，这些测试工具可以模拟各种流量类型和生成TSN测试报告，测试工具可以模拟各种类型流量；基于IEEE 802.1AS网络时间基准，执行错误注入、延迟和带宽测量、流量过滤和硬件时间戳；基于IEEE 802.1AS同步的流量硬件时间戳，存储记录与Wireshark兼容的标准文件格式（PCAP）。

  通过向TSN终端设备或是流量发生器发送数据包，并记录数据传输的延迟和抖动等指标，测试TSN网络的实时性和可靠性。

2.3 TSN设备和应用程序

   需要使用各种支持TSN技术的设备和应用程序。这些设备可以包括IP电话、工业自动化系统、视频监控设备等，应用程序可以包括语音、视频、数据等。通过模拟高负载情况，测试TSN网络的流量控制策略，如优先级流量控制、带宽保障等。

2.4 了解各种测试场景

      TSN组网测试需要了解各种测试场景，如传输时延测试、带宽保障测试、流量隔离测试和时钟同步测试等。需要在这些测试场景中模拟各种实际情况，并评估网络拓扑的性能和可靠性。

 

TSN应用领域及测试的注意事项

3.1 汽车

  对于车辆E/E架构，重要的是要保证数据传输所需的QoS要求，并提供足够的措施来实现通信系统的功能安全，通过引入TSN标准来实现所需的功能。例如标准以太网不提供通过实时功能实现冗余的选项，通过测试冗余CB协议，判断是否满足实时要求来引入无缝冗余，该标准可能是未来E/E架构中的关键组成部分，以实现冗余，以实现自动驾驶汽车等的安全要求。通过测试Qav，Qbv，检查TSN对于带宽的限制和优化能力，为了确保尽力而为的流量传输，重要的是避免通信线路过载。同时整个网络中也会充斥着大量非必要的数据，通过测试Qci，检测TSN对于流量过滤和警戒的能力，可以防止不必要的帧延迟和丢失。此外，架构中的数据融合决定于时基的精确，AS-2020能提供高精度的同步能力，在主时钟发生故障时立即切换到另一个冗余时基。

3.2 工业自动化

   在工业自动化中，实时传输大量的控制信号和传感器数据对通信网络的要求更为严格，AS满足各实时性之外，此时需要测试Qbv和Qav等TSN带宽优化协议，是否能够处理网络中的各种数据以提供确定性延迟，同时考虑到传输的可靠性，CB冗余同样不可或缺的用来提高生产线的效率和稳定性。例如视频监控等高带宽、低延迟的通信场景，需要TSN技术来提供可预测的带宽和低延迟的通信，以确保图像的清晰度和实时性。

3.3 航空航天

   在航空航天领域，TSN技术有着广泛的应用前景，由于航空设备内存在多种网络，TSN可以用于实现飞机上各种设备之间的高效通信，比如飞行控制、飞行数据记录等，测试Qbv等带宽控制能力，保证实时交换数据以低延迟、低抖动、确定性传输。测试CB冗余交换能力，保障航电设备网络传输的可靠性。实现飞机控制系统中的实时数据交换和控制信号传输，提高控制系统的稳定性和精度。

4. 总结

    TSN是一项面向未来的新兴技术，它定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输，从而赋能多行业领域以太网的新发展。为加速推动TSN应用落地，了解TSN应用的优势和必要性，需要进行TSN组网测试。TSN组网测试需要深入了解TSN技术、设计网络拓扑、使用TSN交换机和测试仪器、使用TSN设备和应用程序、了解各种测试场景以及编写测试计划和测试报告等工作。

TSN网络

• 摘要：相信所有接触过以太网和工业以太网技术的用户们，大家都最清楚一个问题：就是以太网传输的不确定性。什么叫不确定性，最初以太网传输使用CSMA/CD原理，当侦测到链路有空闲的时候，你才可以进行数据的接收和发送。虽然以太网交换机进行了一些迭代，但基本原理相差不大。

 

TSN网络绝对是时下最热门的话题！那么TSN究竟是什么？它可以带给你什么好处呢？

硬广：ORing即将推出支持TSN的工业交换机！

下面，我就用非常简单的几个比喻来和你讲讲TSN技术，所带来的好处也就清晰易懂了。

 

以太网传输的不确定性

相信所有接触过以太网和工业以太网技术的用户们，大家都最清楚一个问题：就是以太网传输的不确定性。什么叫不确定性，最初以太网传输使用CSMA/CD原理，当侦测到链路有空闲的时候，你才可以进行数据的接收和发送。虽然以太网交换机进行了一些迭代，但基本原理相差不大。

举个栗子，就好比挤地铁，如果早高峰大家都同时进行挤地铁，你懂得，一窝蜂的人流是很难一起挤进去的。所以，你什么时候可以挤上地铁（传输数据）就变成了一个不确定的问题。

▲ 图片来自网络

其实对于IT或者OA网络，对信息传输产生的不确定性并没有那么敏感。一个信息，即便延迟个几秒传递出去都没有任何问题；但在工业控制的OT网络中，由于传输的数据是非常重要的控制信息，对时间相当敏感，不确定性带来的延迟会对控制工艺产生不可确定的影响。会有什么影响？可能一炉钢直接炼废了，或者一辆汽车机器人焊接时候多焊了那么几秒，导致不良品。

目前在工业自动化系统中，采用了传统的工业以太网架构，来应对这种不确定性的方法通常有两种：

第一种，不让整个网络满负载。为了确保网络不拥堵，通常实际使用的带宽一般远低于标注的50%，所以建议你最好使用千兆甚至万兆的通信网络。

第二种，网络各自独立。就是不让控制信息和视频信息同时在一个网络中，构建两套单独的网络进行数据传输。

 

TSN —— 时间敏感网络

理解了上述现状后，那么我们来谈一下，TSN究竟是什么？TSN = Time-Sensitive Networking，时效性网络，也称为时间敏感网络。

TSN是在标准以太网基础上进行的使用创新。IEEE802.3定义了以太网的主协议，而大部分使用与维护方面的协议者定义在IEEE802.1中，通常我们使用的VLAN和QoS这些功能统统都是在IEEE802.1中。所以，TSN的基本标准也在IEEE802.1中。

根据IEEE目前公布的信息来说，目前TSN包括如下7个标准：

 

1	IEEE  Std 802.1Q-2018	桥接和桥接网络
2	IEEE  Std 802.1AB-2016	站点和媒体访问控制连接发现  （指定链路层发现协议 (LLDP)）
3	IEEE  Std 802.1AS-2011	桥接局域网中时间敏感应用的  定时和同步
4	IEEE  Std 802.1AX-2014	链路聚合
5	IEEE  Std 802.1BA-2011	音频视频桥接（AVB）系统
6	IEEE  Std 802.1CB-2017	帧复制和消除可靠性
7	IEEE  Std 802.1CM-2018	移动前传的时间敏感网

 

所以，TSN不是一个单独的标准，其实是由多个标准集合而成。

而且，TSN并没有全部发布。截止2019年4月24日，还有很多尚未发布，包括：新的独立TSN基准标准、基于原有标准的修正案等。所以想一步到位的客户朋友可能还需要时间再等等。

 

TSN的三大基本原理

接下来，最关心的可能就是 —— TSN如何解决以太网传输的不确定性呢？另外，TSN和之前用的QoS有什么区别？为什么QoS无法解决不确定传输的问题？

对于上述问题，我们只需记住TSN的基本原理！就三点！牢记！！

第一点：TSN利用了电力行业应用的精确时间协议IEEE 1588，给所有以太网帧增加了精确的时间戳，具体协议可参阅IEEE 802.1AS。

第二点：因为有了这些时间戳，我们就可以根据时间进行排程，具体协议可参阅为IEEE 802.1Qav等。

第三点：直接留出传输余量给高优先级的信息，进行优先传输，具体协议可参阅IEEE 802.1Qat等。

总结：根据上述三点基本原理，我们就大致可以理解为什么QoS无法解决传输不确定性的问题。其原因是以太网交换机内部具有缓冲效应，如果交换机已经在其中一个端口上传输以太网帧，即使是最高优先级的帧也必须在交换机缓冲区内等待之前的传输完成。而TSN则加载了时间戳，交换机内部根据时间戳以及QoS进行排程进行处理，避免了这种不确定性的发生。

又举栗子，还是拿挤地铁来说事。有了QoS，虽然是你是VIP，但也要等已经排队上车的人上完车后你才能上。但是有了TSN，你作为VIP还自带光环，在车门处预留了空间让你先上车。这样，调度人员（交换机）就可以根据时间戳，用优先级运用协议的算法来确保VIP（最重要的信息）可以在确定的时间内上车。

▲ 图片来自网络

 

TSN带来的好处

通过以上的介绍，相信你大概知道TSN可以给你带来的好处是什么了。以综合管廊控制系统为例，一般综合管廊有两套网络，一套为自动化控制网络，一套为视频监控网络。当你使用了具有TSN功能的交换机后，你完全可以只采用一套网络，因为你可以为关键信息设置排程和时间戳，再也不要担心控制网络的数据会被其他视频信息所干扰啦！

根据IEEE的建议，TSN有以下四种应用：数字音视频流传输系统、移动基站到控制器之间的网络系统、工业自动化系统以及汽车网络系统。现在很多企业都在测试并推出了自己的TSN解决方案。

ORing也不例外哦！我们即将推出一款TSN交换机 —— IGS-RX164GP+系列，支持完整的三层路由功能、TSN（时间敏感网络）和万兆通信能力，可以满足用户对网络的高带宽、低延迟和高效管理的需求。符合IEEE 802.1AS、Qav和Qat标准，确保关键任务中的时间敏感数据不会在网络上被阻挡。前不久还带去德国在汉诺威展小小露了脸，期待您联系我们详询这款产品!