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时间敏感网络白皮书 中国电子技术标准化研究院 2020 年 11 月编写单位（排名不分先后） 中国电子技术标准化研究院 华中科技大学 重庆邮电大学 东北大学 贝加莱工业自动化 ( 中国 ) 有限公司 北京东土科技股份有限公司 新华三技术有限公司 编写人员（排名不分先后） 张弛卓兰杨宏韩丽陈冰王浩彭玉怀宋华振 席秋霞韩世豪崔自赏魏旻刘淑英程远雷根郭晓军 黄学达赵向阳黄庆卿颜建卿 版权声明：如需转载或引用，请注明出处1 1 物联网 、5G、工业互联网等新一代信息通信技术的发展 ，加快了传 统行业转型升级的步伐， 物物互联的通信需求也随之增加。 例如在智能制 造中 ，实时控制 、边缘计算 、数字孪生等应用场景对低延时 、低抖动和 高可靠性的承载需求要求非常严格 。传统以太网已经不能满足越来越多 的数据和广泛分布的网络需求 ，时间敏感网络 （TSN）技术应运而生 。时 间敏感网络以传统以太网为网络基础 ，通过时钟同步 、数据调度 、网络 配置等机制，提供确定性数据传输能力。 中国电子技术标准化研究院组织业内相关单位编写了本白皮书 ，重 点围绕时间敏感网络技术的发展背景 、关键技术与新兴技术融合 、标准 化进展 、产业应用等方面展开论述 ，给出了技术和应用趋势展望 。旨在 为相关研究机构 、高校 、芯片设备厂商 、解决方案提供商 、测试厂商等 提供参考。 与此同时 ，随着技术 、标准的演进 ，以及应用不断深化 ，编写组也 将适时对白皮书进行修订和更新。也欢迎业内专家提出宝贵意见。 前言1 1 前言. 1 一、发展背景. 1 1.1 概述 . 1 1.2 技术演进 . 1 1.3 行业需求 . 4 1.4 TSN 价值 . 5 1.5 小结 . 5 二、TSN 技术 . 6 2.1 TSN 在 OSI 模型中的位置 . 6 2.2 TSN 核心机制 . 7 2.3 TSN 与新兴信息技术融合 . 14 2.4 小结 . 24 三、标准化进展. 25 3.1 标准化组织 . 25 3.2 行业技术组织 . 31 3.3 小结 . 32 目录2 时间敏感网络白皮书 2 四、应用场景. 33 4.1 智能制造 . 33 4.2 车联网 . 35 4.3 音视频 . 37 4.4 小结 . 38 五、产业图谱. 39 5.1 TSN 芯片 . 40 5.2 网络设备 . 40 5.3 测试床 . 43 5.3 小结 . 47 六、展望. 48 附件 1 缩略语 . 501 1 一、发展背景 1.1 概述 时间敏感网络 （TSN）是 IEEE 802.1 任务组开发的一套数据链路层 协议规范 ，用于构建更可靠的 、低延迟 、低抖动的以太网 。TSN 的诞生 和发展离不开传统以太网的技术支撑和行业需求的推进。 1.2 技术演进 以太网技术诞生于 20 世纪 70 年 代。1983 年，IEEE 802.3IEEE 标 准 以太网 标准正式发布 。以太网由于高带宽 、低成本 、互操作性强等 优势被广泛应用 ，从同轴电缆慢慢发展成为千兆以太网 。2005 年，IEEE 802.1Q-2005 IEEE 标准 局域网和城域网 虚拟桥接局域网 标准正式发布， 提出了虚拟局域网 （VLAN）技术 ，使得局域网能够同时支持声音和图像 的传输。图 1 给出了以太网的发展历程。 图 1 以太网发展历程 串行通信时代 以太网发展历程 传统以太网时代 实时以太网时代 RS232RS485 1972 年 罗伯特 梅特卡夫 发明第一套实验型 以太网系统 1983 年 IEEE 802.3以太 网标准正式发布 2002 年 IEEE 发布IEEE 15882002网络 测控系统的精确时 钟同步协议标准 2012 年 IEE A VB 任务组 更改名字为TSN 任务组 ，在其章程 中扩大了时间确定 性以太网的应用需 求和适用范围。 2015 年 IETF 成立了 DetNet 工作 组， 专注于网络层及上层 的广域确定性网络技术 2005 年 IEEE 802. 1Q-2005局域网和城域网 虚拟桥接局域网标准正式发布 同 年，IEEE 802. 1 员委会成立了音 频视频桥接（AV B ）任务组 1970 1980 1990 2000 2010 2020 工业现场总线、 汽 车总线、等 工业实时以太网、 AV B TSN、 DetNet、 TTE 确定性网络时代2 时间敏感网络白皮书 2 尽管以太网技术一直处于不断发展的过程中 ，交换技术的采用也大 大减少了网络延迟 ，但是以太网协议采用的 “Best-eort”通信机制从本 质上仍然缺乏确定性和实时性 。为此一些标准化协会 、技术组织等一直 在推出各自的确定性网络的实现机制 ，图 2 给出了不同技术实现的集中 确定性网络。 确定性网络 TSN DetNet TTE 工业以太网 图 2 TSN 与确定性网络 在工业自动化领域 ，在 2000 年提出了多种提供工业以太网实时性的 解决方案 ，整体上推动了以太网技术在工业自动化上的应用 。根据 HMS 的 2019 年工业网络数据 a ， 新安装工业自动化网络节点中，Ethernet/IP b 、 Pronet c 、EtherCAT d 、Powerlink e 四种实时以太网标准占比超过 40%， a 摘自 HMS2019 年工业网络市场份额报告。 b Ethernet/IP 由罗克韦尔自动化公司提出 ，由 ODV A（Open DeviceNet Vendors Association）管理。 c Pronet 由西门子公司提出 ，由 PI（PROFIBUS & PROFINET International) 管 理。 d EtherCAT 由倍福公司提出，由 ETG（EtherCAT Technology Group）管理。 e Powerlink 由贝加莱公司提出 ，由EPSG (The Ethernet POWERLINK Standardization Group ) 管理3 一、发展背景 3 此外还有 Sercos III a 、CC-Link IE b 等实时以太网标准 。多种实时以太网 协议在物理层实现了统一 ，但解决实时性的技术路线各不相同 ，各种实 时以太网都形成了各自独立配置的网络系统， 彼此之间形成了自动化孤岛， 存在互连互通互操作问题 。同时导致标准以太网和各种自动化系统的实 时以太网也不能直接相连。 在航空电子和汽车电子领域 ，随着各种机械液压控制转向各种线 控 ，对标准化的高可靠性时间触发通信架构提出了要求 。维也纳大学 等研究机构把时间触发通信机制与标准的实时以太网机制相结合 ，提 出了时间触发以太网 （TTE）技术方案 ，并在综合航空电子系统中获 得应用。 2002 年，IEEE 发布 IEEE 1588-2002IEEE 标准 网络测控系统的精 确时钟同步协议 ，启动了在 IEEE 802 标准框架下形成统一实时以太网 的进程 。2005 年，IEEE 802.1 成立了音频视频桥接 （AV B ）任务组 ，开 始制定一套基于以太网架构 ，用于实时音视频的传输协议集 。它有效地 解决了数据在以太网传输中的时序性 、低延时和流量整形问题 ，同时又 可以 100% 向后兼容传统以太网 。AV B 任务组的成果引起了车联网 、自 动化网络领域厂商和技术组织的关注 ，2012 年，AV B 任务组更改名字为 TSN 任务组， 在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围。 在 AV B 标准集的基础上 ，TSN 任务组综合了多个应用领域对时间敏感通 信的需求 ，形成了一系列标准 ，建立了时钟同步 、数据调度和网络配置 等核心机制。TSN 和 TTE 位于数据链路层。 互联网工程任务组 （IETF）在 2015 年 10 月成立了 DetNet 工作组 ， a Sercos III 由力士乐公司提出，由 the Sercos user organization 管理。 b CC-Link IE 由三菱电机自动化公司提出 ，由CLPA（CC-Link Partner Association）管理4 时间敏感网络白皮书 4 专注于网络层及上层的广域确定性网络技术 ，旨在将确定性网络通过网 际互连协议 / 多协议标签交换（IP/MPLS）等技术扩展到广域网上。 1.3 行业需求 TSN 技术标准起源于音视频行业 ，用于满足广播 、直播 、现场等公 共媒体的高清视频及音频数据高实时 、同步传输的高带宽网络应用需求 ， 同时旨在用以太网取代家庭中的高清多媒体接口 （HDMI） 、扬声器和同 轴电缆。 虽然 AV B 任务组的研究成果没有广泛应用于家庭娱乐设备 ，但已经 在工作室 、体育和娱乐等场所得到推广 。这一成功吸引了汽车界和工业 界的关注。 在汽车领域中 ，随着车载以太网在高级驾驶辅助系统方面的需求日 益增加 ，而传统以太网的高延时及其不确定是无法满足无人驾驶或智能 驾驶的车载音视频同步 、安全和车联网交互等需求 ，因此极低延时的高 带宽以太网传输技术应运而生 。透过以太网实现的 TSN 架构由于能够增 加产品的差异化、改善驾驶员的行车体验。 同时在工业领域 ，许多工业自动化应用对于延迟的要求非常严格 ， 以满足实时数据传输的需求 。但是 ，现有的大部分自动化控制解决方案 都是基于传统的以太网实现的， 而且各大厂商还研发了一些附加的技术机 制， 从而导致了协议之间互不兼容， 使实时以太网解决方案市场严重分散， 无法支持未来工业网络融合、一体化的发展。 因此智能制造 、工业互联网的快速发展 ，迫切地需要通过统一的以 太网实现高可靠低延迟、支持同步、具有良好兼容性的确定性工业通信5 一、发展背景 5 1.4 TSN 价值 TSN 提供微秒级确定性服务 ，保证各行业的实时性需求 。TSN 可以 达到 10us 级的周期传输 ，性能优于主流的工业以太网 。并且 TSN 面向音 视频、工业、汽车等多种行业，将实时性延伸至更高的层次。 TSN 降低整个通信网络复杂度 ，实现周期性数据和非周期性数据同 时传输 。以工业为例 ，当前周期性控制数据使用工业以太网传输 ，非周 期性数据使用标准以太网传输 。TSN 通过其调度机制能够实现周期性数 据和非周期性数据在同一网络中传输 ，进一步简化了整个通信中的网络 复杂性。 TSN 统一网络传输 ，提高经济性 。TSN 能够帮助实现信息技术 （IT） 与运营技术 （OT）融合 ，统一的网络能够减少开发部署成本 ，降低控制 器等产品网络配置所需的工程时间。 1.5 小结 以太网经历了串行通信 、传统以太网 、实时以太网时代 ，目前进入 确定性网络时代 。TSN 基于传统以太网 ，提供更可靠的 、低延迟 、低抖 动的数据传输服务 。除了 TSN 之外 ，近 10 年中也出现了一些网络确定性 的技术解决方案 ，包括工业以太网 、TTE、DetNet 等， 但 TSN 无疑是当 前最为成熟的确定性网络技术之一6 6 二、TSN 技术 2.1 TSN 在 OSI 模型中的位置 TSN 协议族位于开放式系统互连 （OSI） 模型的第二层， 即数据链路层。 它可以采用 IEEE 802.3 的以太网或 IEEE 802.3cgIEEE 标准 补篇 5：单 对平衡导线上 10 Mb/s 运行和相关电力输送的物理层规范和管理参数 的 标准网络来实现物理层。 图 3 TSN 在 OSI 模型中的位置 负载 第 5-7 层 负载 TCP 头部 UDP 头部 IP 头部 IP 头部 IP 压缩 IP 压缩 IEEE 802.1 TSN 机制 IEEE 802.1 MAC IEEE 802.3 PHY 负载 协议 A 协议 B 协议 C 第 4 层 第 3 层 第 2 层 第 1 层 TSN 协议族进一步可以划分为三个子层： （1）基础层：IEEE 802.1AS-2020IEEE 标准 局域网和城域网 桥接 局域网中时间敏感应用的定时和同步 的时钟同步和 IEEE Qat-2010 IEEE 标准 局域网和城域网 虚拟桥接局域网 修正 14：流预留协议 (SRP)、 IEEE 802.1Qbv-2015IEEE 标准 局域网和城域网 网桥和桥接网络 修正7 二、TSN 技术 7 25: 调度业务的增强等调度协议； （2）中间层 ：IEEE 802.1Qcc-2018IEEE 标准 局域网和城域网 网 桥和桥接网络 修正 ：流保留协议 (SRP) 增强和性能改进TSN 配置和 IEEE 802.1ABIEEE 标准 局域网和城域网 站和媒体访问控制连接发现 定义的链路层发现协议（LLDP）等支撑协议，Yang 模型的定义等； （3）应用适配层 ：各种应用配置协议 。例如IEEE 802.1BA-2009 IEEE 标准 局域网和城域网 音视频桥接系统 面向 TSN 在 AV B 系统 中的应用 ，IEEE 802.1CM-2018IEEE 标准 局域网和城域网 时间敏感 网络应用于移动前传网络面向 TSN 在移动通信前传中的应用 。IEEE 802.1DG车内以太网通信的时间敏感网络应用行规 面向 TSN 在车联 网中的应用 ，IEC/IEEE 60802面向工业自动化的时间敏感网络行规面 向 TSN 在工业自动化中的应用。 此外， 国际电工委员会 （IEC） 制定中的 IEC TR 61850-90-13电力自动化中的确定性网络面向 TSN 在能源领域 的应用。 2.2 TSN 核心机制 TSN 协议族包含了时钟同步 、流量整形 、数据调度 、网络配置 、应 用配置等方面的标准 。在本节中 ，将介绍时钟同步 、数据调度 、网络配 置等 TSN 核心技术。 2.2.1 时钟同步 与 IEEE 802.3 的标准以太网和 IEEE 802.1Q 的以太网桥接相比 ，时 钟在 TSN 网络中起着重要的作用 。对于实时通信而言 ，端到端的传输延 迟具有难以协商的时间界限 ，因此 TSN 中的所有设备都需要具有共同的 时间参考模型， 因此需要彼此同步时钟。 这不仅适用于诸如工业控制器和 制造机器人之类的通信流的终端设备， 而且对于网络组件也是如此， 例如8 时间敏感网络白皮书 8 以太网交换机 。只有通过同步时钟 ，所有网络设备才能够一致操作 ，并 在所需的时间点执行所需的操作。 在 TSN 中 ，主要的时钟同步标准包括IEEE 802.1AS 和其修订版 IEEE 802.1AS-Rev。相对而言 ，IEEE802.1AS-Rev 对于网络的时钟精度要 求更高。 IEEE 802.1AS 所规范的协议严格保证了时间敏感的业务在基于以 太的桥接网络或虚拟桥接网络等时延固定或对称的传输媒质中的同步传 送。 图 4 给出了 IEEE 802.1AS 架构 。其内容包括在网络正常运行或添 加 、移除或重配置网络组件和网络故障时对时钟同步机制的维护 ，并规 范了 IEEE 1588 在 IEEE 802.1Q 和 IEEE 802.1DIEEE 标准 局域网和城 域网 媒体访问控制 （MAC）网桥中的应用 。 IEEE 802.1AS 和 IEEE 802.1AS-Rev 定义了广义的精确时钟同步协议 （gPTP）。与 IEEE 1588 不同， gPTP 支持媒体访问控制 （MAC） 层的通信， 是一个完全基于二层的网络、 非 IP 路由的协议 。并且 ，gPTP 定义了一个媒体独立子层 ，即使采用不同 网络技术， 甚至不同的媒体接入技术的混合网络， 也可采用相同的时间域 进行同步。 这种情况下， 这些时间敏感子网间信息的交换可以采用不同的 包格式和管理机制 。gPTP 为上层应用程序提供标准的接口定义 ，而 IEEE 1588 没有定义应用程序如何能得到或者提供时间信息。 图 4 IEEE 802.1AS 架构 IEEE 802.1AS 协议引擎 Rx 交换 主机 Tx 交换 时间间隔机 AXI 流或 Avalon-ST AXI 流或 Avalon-ST AXI 流或 Avalon-ST AXI 流或 Avalon-ST AXI4-Lite 或 Avalon-MM 以太网 MAC Rx 时间戳 Tx 时间戳 实时时间钟9 二、TSN 技术 9 2.2.2 数据调度 TSN 的数据调度是保证时间敏感的基础 ，它的核心思想是基于不同 的整形器 （Shaper）来进行不同应用场景的流控制 。IEEE 802.1 提供了一 系列的标准来确保可靠性的数据传输，一般主要包括以下几种情况。 （1） 基于信用的整形器 CBS （Credit-Based Shaper） CBS 整形器在 IEEE 802.1Qav-2009IEEE 标准 局域网和城域网 虚 拟桥接局域网 修正 12：时效性流的转发和队列增强 中规定 ，它可以通 过对不同队列赋予一个 “信用值” 来进行数据传输的调度， 不同传输队列 的 “信用值” 会随着数据传输的过程而自动更改， 这样就会保证优先级较 低的数据也会得到数据传输的机会。 CBS 整形器主要在汽车工业得到应用， 但相对工业应用而言还是具有较大的平均延迟。 （2） 时间感知的整形器 TAS （Time Awareness Shaper） TAS 一般分为两种 ：抢占式和非抢占式 。非抢占式基于IEEE 802.1Qbv，通过门控制列表 （GCL）周期性的控制门的开 / 关，TAS 需要 从发送方 （Talker）到接收方 （Listener）中间的所有网桥进行时钟同步 ， 对于网桥中的每个端口 ，TAS 根据已知且商定的时钟表进行开关驱动动 作 ，而数据调度则可以根据每个节点及队列的优先级进行定义 ，在 IEEE 802.1Qbv 的实现中 ，那些需要实时传输的数据流通常被第一个安排进行 传输， 需要在时间调度配置时预先予以确定， 而与此同时， 还需要为非周 期性的数据预留一个通道。 注意， 这里的非周期性数据并不是低优先级的， 相反 ，它的优先级更高 ，一旦数据需要发送 ，那么就需要立刻安排调度 。 TAS 可以和 CBS 整形器结合使用 ，在这个机制下 ，除了原定计划的周期 性的调度和非周期性的预留调度外 ，还可以增加一个 CBS 整形器对其队 列内部的数据进行按照信用的排序调度。 在 IEEE 802.1Qbv 中所采用的 TAS 整形器存在一个问题 ，就是带宽10 时间敏感网络白皮书 10 保护， 也就是无论是周期性的数据还是非周期性的预留数据， 都需要预留 通道。 但是， TSN 网络中还存在一些其他的数据， 这些数据也是非周期性的， 但是没有足够的预留通道 ，那么这时的数据传输就是 “Best-eort”的数 据调度。 尽管这些数据是非周期性的， 但是可能他们的优先级很高， 因此， 为了确保严格时间要求的数据传输，IEEE 802.1 Qbv 给每个周期预留了一 个“标准以太网”帧作为保护带宽。 而为了节省带宽 ，IEEE 802.1Qbu-2016IEEE 标准 局域网和城域网 网桥和桥接网络 修正 26: 框架优先 规定了抢占式的 TAS 整形器 ，在保 证时间敏感任务数据可调度的前提下 ，尽可能的节省带宽 。抢占式策略 的原理是暂停非时间敏感型数据的传输过程 ，转而传输时间敏感型数据 ， 时间敏感型数据传输完成后 ，再继续传输非时间敏感型数据 ，主要解决 低优先级队列对于高优先级队列传输的影响 。需要注意的是 ，抢占式机 制需要网桥节点和终端节点支持 LLDP。 （3） 周 期 性 排 队 与 转 发 机 制 整 形 器 CQF （Cyclic Queuing and Forwarding） CQF 整形器基于 IEEE 802.1Qch-2017IEEE 标准 局域网和城域 网 网桥和桥接网络 修正 29: 循环排队和转发 。其中单流过滤和管控 机 制（PSFP）中的时间门控逻辑控制了时间敏感分组进入缓存队列的时 间 ，而时间敏感流增强调度 （EST）机制中的输出门控机制控制了分组 离开输出队列的时间 。基于对 PSFP 和 EST 机制的不同配置 ，TSN 交换 机可以实现多样的确定性转发 ，满足不同场景的需求 。CQF 对 PSPF 和 EST 机制进行配置 ，可以通过简单的计算实现确定性的转发延时 。CQF 也是目前 TSN 规范中确定的唯一配置方式 。CQF 也可以与抢占式机制 进行配合 ，使得可以在队列中避免低优先级反转压制高优先级数据的 传输11 二、TSN 技术 11 图 5 CQF 原理 传输选择 算法 流量 #7 队列 传输选择 算法 流量 #6 队列 传输选择 算法 流量 #5 队列 传输选择 算法 流量 #4 队列 传输选择 算法 流量 #0 队列 传输门=C 传输门=0 传输门=0 传输门=0 传输门=0 传输选择 T00=C0000000 T01=0C000000 C=closed 门控制列表 0=open （4） 异步数据流整形器 ATS （Asynchronous Traffic Shaper） ATS 整形器基于 IEEE 802.1QcrIEEE 标准 网桥和桥接网络 修正 : 异步流量整形 标准， 为了解决非周期性数据的传输零拥堵问题， 并且针 对周期性的数据传输而言， 网络的严格时钟同步和队列保护带宽等原因无 法最大的使用到网络带宽 ，ATS 进一步优化那些对于时间同步非严苛任 务的带宽利用 。ATS 整形器旨在通过每跳重塑 TSN 数据流 ，并不要求网 桥和终端节点同步 ，对于高实时要求和非实时业务混合业务模式下 ，ATS 整形器也能保持带宽的最大利用率。 2.2.3 网络配置 面向时间敏感网络应用 ，IEEE 802.1Qcc-2018IEEE 标准 局域网和 城域网 网桥和桥接网络 修正 : 流保留协议 (SRP) 增强和性能改进描述 了三种用户 / 网络配置模型 ，这些模型为后续规范提供了体系结构 。每 个模型规范都显示了网络中不同实体之间的用户 / 网络配置信息的逻 辑流12 时间敏感网络白皮书 12 （1） 全分布模型 该模式下 ，用户流的终端直接通过 TSN 用户 / 网络协议传达用户需 求 。网络以完全分布式的方式配置 ，没有集中的网络配置实体 。分布式 网络配置使用一个协议来执行 ，该协议沿着流的活动拓扑传播 TSN 用户 / 网络配置信息 。随着用户需求在每个网桥中传播 ，网桥的资源管理在本 地有效地执行 。这种本地管理仅限于网桥知道的信息 ，不一定包括整个 网络的信息。 图 6 完全分布式模型 用户 / 网络 配置信息 用户 / 网络 配置信息 用户 / 网络 配置信息 网桥 Listener Talker 用户 / 网络 配置信息 用户 / 网络 配置信息 （2） 集中式网络 / 分布式用户模式 有些 TSN 用例在计算上很复杂 ，对于这样的用例 ，将计算集中在 单个实体 （网桥或端）中 ，而不是在所有网桥中执行计算 。一些 TSN 用例可以受益于对网络中所有流的完整了解 ，对于这些用例 ，实体可 以收集整个网络的信息 ，以便找到最佳配置 。在集中式网络 / 分布式模 型中 ，配置信息直接指向或来自集中式网络配置 （CNC）实体 。TSN 流的所有网桥配置都是由这个 CNC 使用远程网络管理协议来完成 的。CNC 对网络的物理拓扑和每个网桥的能力有一个完整的视图 ，这 使得 CNC 可以集中复杂的计算 。CNC 可以存在于端或网桥上 ，并且 知道网络边缘所有与终端连接的网桥地址 ，CNC 将这些网桥配置为一 个代理 ，直接在网桥和 CNC 之间传输信息 ，而不是将信息传播到网络 内部13 二、TSN 技术 13 图 7 集中式网络 / 分布式用户模型 用户 / 网络 配置信息 网桥 管理 Listener Talker 用户 / 网络 配置信息 中心网络配置 （3） 完全集中的模型 许多 TSN 用例需要在终端进行重要的用户配置 ，例如在许多工业控 制应用程序中 ，物理输入和输出 （I/O）的定时是由所控制的物理环境决 定 的，TSN 的定时需求是由该 I/O 定时产生的 。而这些 I/O 计时需求可能 在计算上非常复杂 ，并且涉及到每个终端中应用软件和硬件的详细信息 。 为了适应这类 TSN 用例 ，完全集中的模型支持集中用户配置 （CUC）实 体来发现终端和用户需求， 并在终端中配置 TSN 特性。 从网络的角度来看， 完全集中式模型和集中式网络 / 分布式用户模型的主要区别在于 ：所有的 用户需求都在 CNC 和 CUC 之间进行交换。 图 8 完全集中式模型 网桥 管理 Listener Talker 中心网络配置 中心用户配置 用户 / 网络 配置信息14 时间敏感网络白皮书 14 2.2.4 帧复制与消除 IEEE 802.1CBIEEE 标准 局域网和城域网 可靠性的帧复制和消除 通过在网络的源端系统和中继系统中对每个包进行序列编号和复制 ，并 在目标端系统和其他中继系统中消除这些复制帧 ，通过帧复制和帧消除 过程为以太网提供无缝冗余特性 ，提高可靠性 。当帧复制和消除机制被 用于特定的网络结构时 ，可以用来防止由于拥塞导致的丢包情况 ，也可 以降低由于设备故障造成分组丢失概率及故障恢复时间 ，有效提高工业 自动化网络和车载以太网数据交互的可靠性。 2.3 TSN 与新兴信息技术融合 TSN 仅为以太网提供了一套 MAC 层的协议标准， 它确保数据在复杂 网络环境下传输的可靠性和实时性 。在不同场景的应用需求下 ，TSN 与 新兴的信息技术融合加快未来 TSN 灵活的部署趋势。 2.3.1 TSN 与 IP 网络的融合 （1） 一体化网络架构技术 通过研究工业异构融合网络架构 、混合网络容限分析等关键技术 ， 为实现异构网络协议的高速转换 、混合业务流的调度 、时间敏感业务的 确定性传输、 网络的动态重构等需求， 需建立异构融合网络的拓扑、 资源、 业务 、性能管理的一体化网络技术框架 ，并通过集中式控制的方式为基 于 TSN 的工业异构网络提供支撑。 （2） 软件定义网络 （SDN） 技术 随着工业互联网的发展及部署应用 ，工业现场呈现出以网络为中心 的趋势 ，为了应对复杂的工业异构网络现场环境 ，需要建立统一管控工 业现场 （包括现场设备 、控制层 、管理层等 ）的综合管控平台 。SDN 技15 二、TSN 技术 15 术将数据平面和控制平面分离 ，并通过集中控制方式满足定制化的工业 业务需求 ，加快部署时间 、提高网络资源利用率 ，同时稳定硬件投入成 本增长速度。 图 9 基于 SDN 的工业异构网络架构 应用层 应用 SDN 控制器 Qos Qos Qos 工业现场设备 交换机 网关 PLC 集中管控层 数据交换层 现场层 图 9 给出了基于 SDN 的工业异构网络架构 ，数据交换层的 SDN 交 换机是一种为满足时间敏感应用设计的支持 TSN 的自适应交换机 ，将 对数据包的操作能力和操作时间进行封装 ，接着由 SDN 控制器进行 逻辑抽象和集中管理 ，将不同应用的服务质量 （QoS）映射到 SDN 网 络基础设施上 ，从而形成支持 TSN 分时操作的工业 SDN 统一管控 架构16 时间敏感网络白皮书 16 （3） 异构协议高速转换技术 当前的工业异构网络主要支持 “单向 ”信息采集类业务的协议转换 ， 而 IT 网络并不能支持下行协议的转换 。因此需要针对不完善的异构协议 转换机制， 研制新的异构协议高速转换技术， 实现双向协议转换中的消息 同步 、功能完整和高效转换 ，满足消息事务处理 、同步 / 异步处理 、提升 协议转换效率等需求 。进而使得传统 OT 设备在未来的 TSN 网络中 ，可 通过 “异构协议高速转换技术 ”和 IT 系统进行诸如大数据分析 、订单排 产和能源优化等数据和控制业务的交换。 （4） 混合业务流调度 工业异构网络中不同智能设备具有不同延迟流的数据交换要求 ，网 络承载的业务类型显著增加 ，而不同业务对网络的 QoS 需求也不同 ，针 对不同业务种类的 QoS，工业应用主要分为采集类业务 、交互式业务以 及控制类业务 。混合数据流具有不同的带宽和实时性需求 ，且随环境因 素而变化 ，使得跨网实时调度问题更具挑战 。另外 ，实时调度方法直接 影响数据流传输延迟上界 ，是保障传输实时性和 QoS 的核心环节 。为实 现全工业网络信息的全面互联互通 ，需要对网络中存在的采集类 、交互 类和控制类混合业务流进行混合传输 ，保障包括控制类业务流的各种业 务流的传输确定性是工业网络最重要的任务 。因此高确定性的混合业务 流调度技术对于 TSN 技术的实现具有重要的意义。 （5） 网络动态重构技术 传统工业以太网无法满足智能工厂产线重构 、基于数据流动的工业 智能处理等应用需求 。当前任何设备和业务调整均需通过手工配制网络 参数进行使能 ，不能支持网络动态重构 。因此动态重构技术具有很大的 理论和实际应用价值 。通过动态重构技术可以改善工业网络静态配置 ， 满足 TSN 中在无需网络或设备变动情况下将组件添加至实时系统中的17 二、TSN 技术 17 问题。 （6） 确定性网络技术 IETF 的确定性网络工作组专注于网络层及更高层次的广域确定性网 络技术。 确定性网络旨在第二层桥接和第三层路由段上实现确定传输路径， 这些路径可以提供时延、 丢失分组和抖动的最坏情况界限， 以此提供确定 的时延 。确定性网络在二层网络的确定性路径的实现主要依靠 TSN 标准 实现。 相比于 TSN， 确定性网络的工作范围更加广泛， 通过 IP/MPLS 技术， 以期实现三层的确定性传输。 2.3.2 TSN 与控制网络协议融合 由于自动化领域的各种实时以太网标准已在全球范围内有大量安装 节点 ，因此其与 TSN 的融合具有巨大的现实意义 。主流实时以太网技术 组织都提出了与 TSN 的融合方案 ，在二层与 TSN 兼容的同时也保留了各 自的应用行规，从而与相应的自动化系统无缝集成。 目前已有多个实时以太网组织把先前的时间触发报文调度机制基于 TSN 重新实现，如 Pronet over TSN、CC-Link IE TSN。 图 10 PROFINET OVER TSN 协议架构图 100 Mbit/1Gbit/. Profinet 服务 （IO，报警，记录等） 1: 物理层 2: 数据链层 3: 网络层 4: 传输层 5-7: 会话层 表示层 应用层 IP TSN TCP IRT RT UDP18 时间敏感网络白皮书 18 图 10 的 Pronet over TSN 架构中 ， TSN 的实时和等时同步的特 性无缝集成到 Pronet 架构中 ，并维护现有的上层 Pronet 功能 ，包括 关于 Pronet 的诊断 、配置 、报警等服务内容保持不变 。这使用户和 设备制造商在 TSN 网络中继续使用原来他们开发的应用程序 ，也使 现在提供实以太网技术解决方案的制造商 ，确保他们的技术具有可持 续性。 而为了将 EtherCAT 的应用领域进一步扩展到异构网络环境中 ， EtherCAT 将 TSN 技术补充到了 EtherCAT 中并定义了 “EtherCAT TSN 通 信行规” ，在此规范下 EtherCAT 主站和各个 EtherCAT 网段之间 、各个 EtherCAT 主站之间可以通过 TSN 交换机连接 ，把 EtherCAT 网段和 TSN 流相适配 。在此过程中 ， 通过 TSN 网络无需 对 EtherCAT 从站设备 进行更 改 ，多个工业控制器都可以通过以太网网络与多个不同的 EtherCAT 网段 进行实时通讯。 在可以预期的将来 ，随着各厂商控制协议与 TSN 融合技术的完善 。 各种不同的实时以太网控制器和 IO 网段都可以物理连接在一个 TSN 网络 里 ，通过 TSN 交换机的配置 ，实现若干个独立的实时流映射到不同的实 时以太网应用层协议。 2.3.3 TSN 与 OPC UA 融合 目前工业界较为普遍的共识在于实现 OPC UA over TSN，OPC UA 与 TSN 分别在整个架构中扮演不同的角色 ，OPC UA 主要解决语义互操 作 、垂直行业信息模型 、上层传输如 C/S 结 构、Pub/Sub 结构的传输 ，以 及信息安全的机制 ，而 TSN 则负责为其提供实时性 、统一的底层网络支 撑， 两者合起来构成了实现整个工业 RAMI4.0/IIC 的工业互联网参考架构19 二、TSN 技术 19 （IIRA）的通信框架。不仅如此，OPC UA 在机器学习、数字孪生与底层 物理系统交互中也将扮演重要角色， 因此，OPC UA over TSN 是未来整个 工业通信网络发展的一个重要趋势。 （1） OPC UA over TSN 的结构 图 11 OPC UA Pub/Sub 运行于 TSN 周期性，等时同步流 控制器 发布者 发布者 订阅者 订阅者 控制器 OPC UA Pub/Sub OPC UA Pub/Sub 固定长度消息 TSN 网络第二层传输 配置 + 精确时钟同步 + 消息调度 TSN 交换机 预定通信 OPC UA 将实现与 TSN 在控制 、传感器层的连接能力 ，也包括实现 与 5G、GSM 等的连接能力。 （2） OPC UA FLC 在整个数字化制造的框架中 ，由 OPC UA 基金会组织的现场层通信 (FLC) 工作组主要聚焦将 OPC UA 与 TSN 融 合，IEC 与 IEEE 合作成立了 IEC/IEEEE 60802 工作组 ，旨在将 OPC UA 与 TSN 融合 ，由 OPC UA 统 一实现对 TSN 的网络配置功能20 时间敏感网络白皮书 20 图 12 OPC UA over TSN 7 应用 6 展示 5 会话 4 传输 3 网络 2 数据链路 1 物理 IEEE 802.3 IEEE 802.1/IEC IEC/IEEE 60802 TSN 工业自动化协议 OPC UA 其他组织 其他协议 UDP TCP IP 以太网 TSN e.g. 100Mbit/s|1Gbit/s 应用协议 OPC UA 通过信息模型支持语义级通信 ，已成为 RAMI4.0 等智能制 造架构的主流通信协议 ，OPC 基金会发起了 FLC 项目 ，使得 OPC UA over TSN 既满足车间级的 M2M 横向通信 ，也满足现场层的等时同步 通信。 2.3.4 TSN 与 5G 融合 在前传网络中 ，经历了几代的发展 ，其中就包括大家熟知的 3G、 4G 等 ，而近两年大热的 5G 也属于这个领域的 。5G 是第五代移动通信 技术 ，具有高可靠 、低时延的特性 ，工业互联网应用场景将在 5G 应用 拓展方面占据至关重要的地位 。基于以上特性 ，5G 成为工业设备无线 接入 TSN 网络的适配解决方案 ，不仅提供了更好的可靠性和传输延迟 。 同时 5G 系统灵活部署的特性也可以很好的解决工业现场环境复杂多变 的情况。 在 IEEE 802.1CM-2018 中 ，定义了适用于前向传输的时间敏感网络 。 IEEE 802.1CM-2018 对桥接网络中网桥的要求进行了严格的定义 ，首先要21 二、TSN 技术 21 符合 IEEE 802.1Q 标准中对于网桥的要求，规定了桥接网络支持插入快速 通信 、帧抢占 、支持 64 位片段的大小配置等功能 。除此之外 ，对网桥的 同步要求 ，也规定了必须支持电信 ITU-T G.8275.1/Y .1369.1支持网络定 时的相位 / 时间同步精准时间协议电信概括配置文件中的一个或多个相 关时钟。 在对端站的要求中，同样也规定了除 IEEE 802.1Q 中的一些要求外的 同步的规定 ，其中包括支持的三种类型流的端口以及支持 ITU-T G.8275.1 中的一个或多个时钟等要求 。IEEE 802.1CM-2018 中对前传也进行