Part 1
背景介紹
1
實時以太網協議種類繁多，難以統一
自從以太網于1983年標準化以來，它已成為工業現場總線和航空航天、汽車和運輸部門中廣泛使用的鏈路層協議。這些關鍵領域的大多數應用程序都需要實時運行，即必須在緊迫的期限內接收數據。但是，以太網并不是確定性地工作的，這意味著它不能保證網絡延遲時間。因此，在過去的35年中，技術專家們已經開發了各種基于傳統以太網的增強功能，如工業領域的PROFINET、EtherCAT協議，航空航天領域的AFDX協議，汽車領域的TTEthernet等。它們彼此不兼容，并且與傳統以太網不兼容，因為它們結合了不同的機制來保證確定性。這種差異意味著該行業的實時以太網解決方案市場目前高度分散。
2
IT與OT技術難以互操作
此外，工業4.0和數字化進程的出現旨在通過提出運營技術 (OT)與數據網絡或信息技術 (IT) 的互連來獲得更高的生產力和效率（見圖1）。這個概念稱為IIoT，包括工廠的所有元素（傳感器、機械、工業計算機）與外部數據中心的互連。這種互連允許它從工廠收集許多操作數據，以使用服務來分析它們，進而實現高度自動化以優化工廠控制流程并提高生產力和效率。雙方的互操作性是IIoT的重要愿望。
由于每個網絡的具體特征，兩個世界（OT和IT）中的技術差別很大，通常無法互操作。因此，使用當前技術來實現IT與OT的融合是重要的，否則工廠網絡無法兼容傳統以太網，從而無法直接訪問互聯網。所以，需要一種可以橋接IT和OT世界的基于以太網的標準技術，而TSN正是針對此類僅基于以太網的解決方案的方案。
圖1?OT世界（工廠）和IT（數據中心）之間的邊界
3
TSN自身帶來的挑戰
TSN方案面臨著來自技術和實際應用的挑戰，高成本便是其中之一，這主要是因為網絡的所有交換機和元素都必須是TSN感知的。另一個挑戰來自于快速變化的未完成標準，它們有時會重疊，而目前沒有能力驗證一致性和互操作性。網絡安全和其他安全問題也是一個挑戰，這主要是因為TSN強烈依賴于可作為目標的穩健同步和配置。由于缺乏標準數據模型，TSN配置也是一個問題。
主要內容包括：
(1) Linux內核的設置和配置，以將 TSN 插槽配置擴展到操作系統?(OS)。
(2)?在Linux中設置專用硬件。
(3)?使用專用軟件工具輕松配置所有不同參數。
(4)?一種可視化工具，顯示其插槽中的數據包以檢查其正確行為。
Part 2
相關標準
TSN是由IEEE時間敏感網絡任務組開發的一組標準。該任務組于2012年從現有的音頻/視頻橋接(AVB) 任務組成立。AVB是為通過LAN同步音頻和視頻數據傳輸而開發的標準。TSN小組的想法是將AVB計劃提供的技術解決方案遷移和調整到其他部門并發送所有類型的數據。需要注意的是，TSN本身并不是一種通信協議，而是以太網的演進。所有與TSN相關的標準都是IEEE以太網標準的一部分。例如，搶占等高級TSN功能是802.3的一部分。
隨著TSN的出現，確定性的數據傳輸可以通過傳統的以太網實現。TSN強制執行帶寬和時隙，從而增加隔離度。它允許關鍵數據通過與其余流量相同的通信鏈路發送，而不會造成延遲或干擾，從而無需創建彼此獨立的工業網絡。這些流量類別通過完全互操作工廠網絡與互聯網來促進生產現場和企業之間的數據交換。
所有交換機都必須具有TSN感知能力才能利用TSN。此要求背后的主要原因是需要高級同步。另一方面，非實時節點的布線和以太網卡將保持不變。由于它是一個開放標準，不同供應商可以實現互操作，而不會出現專有協議的問題。該技術可用于幾乎所有工業應用，因為它可以靈活地滿足不同的延遲、抖動或容錯要求。
如前所述，TSN 不是一個單一的標準，而是一組使以太網更具確定性的標準。每個標準都以不同的速度發展，這取決于市場的發展及其需求。其中一些標準已經過全面測試和實施，而其他標準仍處于開發的早期階段（草案版本）。其中兩個基本的標準是：
IEEE 802.1ASrev：該標準定義了IEEE 802.1AS協議，用于時鐘同步。通過這些，可以實現TSN的許多高級功能。
IEEE 802.1Qbv：該標準定義了IEEE 802.1Qbv協議，用于ST。它利用網絡同步來劃分帶寬和時隙。
下面，本文將展開介紹這兩種基本協議。
IEEE 802.1Qbv（ST增強）
使用IEEE 802.1Qbv，數據包傳輸被安排在一個重復周期中端到端。Qbv允許數據包確定性到達，提供延遲保證、極低的抖動和無數據包丟失。TSN中定義了三種基本類型的流量：ST、盡力而為流量 (BE)和RE。ST適用于對實時性要求嚴格的關鍵消息。BE是不需要任何QoS 的一般以太網流量。此外，預留流量 (RT)適用于需要預留特定帶寬并具有軟實時要求的幀。
IEEE 802.1Qbv中定義的時間感知整形器 (TAS) 是根據調度算法啟用或禁用幀傳輸的門。TAS將以太網通信劃分為固定長度、連續重復的周期。這些周期被分成時隙，在每個時隙中，分配八個優先級中的一個或多個。
每個周期中的時隙數量、它們的持續時間以及每個周期中可以傳輸的優先級都可以完全由應用程序配置。由于此操作，ST可以擁有專用時隙，從而確保此流量在傳統以太網網絡上的確定性操作。另一方面，保留和BE被容納在每個周期的剩余時隙中。RT保證有專用帶寬，而BE可以使用剩余的帶寬。圖2顯示了802.1Qbv配置示例。
圖2 時隙劃分
Slot 1為ST預留；時隙期間不存在其他流量。另一方面，時隙2由保留流量和盡力而為流量使用。主要區別在于RT是保證的最小帶寬。
由于TSN的運行基于在不同的時間間隔發送不同類型的流量，因此所有網絡設備必須在納秒級范圍內同步。
IEEE 802.1ASrev（定時與同步）
IEEE 802.1ASrev是第一個發布的標準，也是當今實施最廣泛TSN標準。借助IEEE 802.1ASrev，網絡終端設備和交換機具有共同的時鐘，允許以小于1μs的精度進行同步，可以在不影響數據包傳播延遲的情況下實現長距離同步。
IEEE 1588中定義的精確時間協議(PTP)用于以微秒精度同步網絡中設備的時鐘。通用精確時間協議 (gPTP)，也稱為IEEE 802.1ASrev（802.1AS的后繼者），是PTP的配置文件，其中包含可顯著提高時鐘同步準確性的功能。gPTP有一些變化使這兩個協議不兼容。
未
完
待
續
在下一期更新的文章中，我們將介紹TSN在實施過程中的困難和挑戰，以及TSN如何在Linux設備上的實現，這將包括IEEE 802.1Qbv實施和IEEE 802.1ASrev實施。
虹科進入TSN技術領域多年并已有豐富的技術積累，并面向國內客戶推出了TSN的IP核、網卡、交換機、流量記錄儀、測試工具、配置軟件等多款軟硬件產品，能夠幫助用戶快速加入TSN流量，享受新興技術發展帶來的好處。歡迎聯系虹科了解更多信息！
▎往期回顧
