淺析確定性網(wǎng)絡(luò)的時間敏感網(wǎng)(TSN)技術(shù)

作者：移動Labs 2022-09-26 10:46:59

相對于其他確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如工作在1.5層的靈活以太網(wǎng)(FlexE)和工作在3層的確定網(wǎng)(DetNet)，TSN主要是解決2層網(wǎng)絡(luò)確定性保障問題，通過一系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)零擁塞丟包的傳輸，提供有上界保證的低時延和抖動，為時延敏感流量提供確定性傳輸保證。

作者 | 陸營川，單位：中國移動智慧家庭運營中心

?Labs 導(dǎo)讀

現(xiàn)有的以太網(wǎng)技術(shù)在1973年首次提出，并于1982年（Ethernet V2）正式投入商業(yè)應(yīng)用，且很快擊敗了同時期的令牌環(huán)和FDDI等技術(shù)，逐步被全球采用。雖然依靠服務(wù)質(zhì)量(QoS)技術(shù)，對所有的數(shù)據(jù)包進行分類和標(biāo)注，在一定條件下能夠達(dá)到按不同優(yōu)先級進行轉(zhuǎn)發(fā)的目的。但網(wǎng)絡(luò)串行傳輸?shù)奶攸c和盡力而為(Best Effort)的轉(zhuǎn)發(fā)機制，使得數(shù)據(jù)在端到端傳輸時，時延、抖動和服務(wù)質(zhì)量等不可控。基于此IEEE的802.1任務(wù)組于2005年制定了音視頻橋接(AVB，Audio Video Bridging)規(guī)范，這是一套用于實時音視頻傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)協(xié)議集，任務(wù)組于2012年11月正式更名為時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN,Time Sensitive Network)，同時成為基于以太網(wǎng)的新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有時間同步、延時保證等實時性功能，在工業(yè)控制、智能制造和5G等領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用。

Part 01 TSN的定義

圖1 TSN協(xié)議層次

TSN是符合IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)的VLAN，在標(biāo)準(zhǔn)的以太幀中插入4個字節(jié)長度的VLAN tag。TSN通過VLAN tag中的PCP（Priority Code Point）和VID（VLAN ID）定義流的不同優(yōu)先級協(xié)議層次[1]。

Tag Protocol Identifier：16bit長度，標(biāo)簽協(xié)議識別，標(biāo)識TSN網(wǎng)絡(luò)，數(shù)值為0X8100.
Priority Code Point：3bit長度，優(yōu)先級代碼，標(biāo)識流量優(yōu)先級，3位PCP定義了8個優(yōu)先級。
Drop Eligible Indicator：1bit長度，丟棄標(biāo)識位，對于低QoS要求的數(shù)據(jù)可置位，網(wǎng)絡(luò)擁塞時可丟棄，以確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的QoS。
VLAN Identifier（VID）：12bit長度，VLAN網(wǎng)絡(luò)的識別號。VID=0用于識別幀優(yōu)先級，VID=FFF作為預(yù)留，其余值用于標(biāo)識VLAN。

圖2 TSN的幀結(jié)構(gòu)

Part 02 TSN的技術(shù)

為了實現(xiàn)局域網(wǎng)的確定性傳輸，時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)實現(xiàn)了精確的網(wǎng)絡(luò)時間同步機制，流程整形、分類和不同優(yōu)先級流量的流量調(diào)度機制，以及端到端、網(wǎng)絡(luò)中的交換機進行配置，以便為時間敏感型數(shù)據(jù)提供預(yù)留帶寬等服務(wù)進行系統(tǒng)化的網(wǎng)絡(luò)配置機制。

圖3 TSN關(guān)鍵技術(shù)

圖4 TSN協(xié)議組件集

2.1 時間同步

時間同步是TSN的基礎(chǔ)，也是后續(xù)基于時隙來進行流量調(diào)度的關(guān)鍵。TSN利用IEEE 802.1AS協(xié)議達(dá)到整個網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的目的。這是精確時間協(xié)議，是保證相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時鐘一致，不需要與自然界的時鐘保持同步。這一協(xié)議是在IEEE 1588-2008 的精確時間協(xié)議(precision time protocol，PTP)基礎(chǔ)上擴展而來，提出了廣義精確時間協(xié)議( general precision time protocol，gPTP)。全局時間同步是TSN真正實現(xiàn)通信流端到端確定性時延和無排隊傳輸要求的基礎(chǔ)。是對以太網(wǎng)的同步協(xié)議進一步完善，增加了分布式網(wǎng)絡(luò)的同步，并且采用雙向信息通道，提高了傳輸信號的精確度。同時更新和修訂的IEEE802.1 AS-REV協(xié)議增加了針對多個時域進行時間同步的能力，能在某域內(nèi)全局時鐘發(fā)生故障時實現(xiàn)快速切換到其他域。

2.2流量控制

TSN流量控制主要涉及流量分類、流量整形和流量的調(diào)度與搶占。通過幀中VLAN tag的相關(guān)屬性信息，確定對應(yīng)流量的類型和優(yōu)先級；對已識別的TSN流進行限速或臨時緩存等整形處理，控制流量以預(yù)設(shè)的速率收發(fā)；通過一定調(diào)度算法和機制，將整形后或排隊中的流調(diào)度至輸出端，以相應(yīng)的順序在交換機內(nèi)完成轉(zhuǎn)發(fā)，同時根據(jù)QoS保證各種流傳送時的服務(wù)質(zhì)量需求。在此過程中，通過幀間切片打斷低優(yōu)先級幀傳輸，保障高優(yōu)先級流的及時轉(zhuǎn)發(fā)，最終實現(xiàn)高優(yōu)先級幀傳輸?shù)膶崟r性和超低時延要求[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 網(wǎng)絡(luò)配置

利用IEEE 802.1Qcc協(xié)議中為時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)定義配置模型，目前TSN可以根據(jù)具體需求，提供全集中式、混合式以及全分布式三種不同的配置模型，對發(fā)送端、接收端和網(wǎng)絡(luò)中的交換機進行定制化配置，為后續(xù)在此網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臅r間敏感型數(shù)據(jù)提供預(yù)留帶寬等服務(wù)。

Part 03 TSN的特點

與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)相比，TSN最大的特點是能夠保證數(shù)據(jù)交換的確定性，在提前確定時間敏感數(shù)據(jù)流（稱為scheduled traffic）傳輸?shù)闹芷冢總€周期傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小后，只要數(shù)據(jù)發(fā)送方按照約定將數(shù)據(jù)發(fā)出，TSN就能夠保證在確定的時間將數(shù)據(jù)交換到接受方[3]。

Part 04 TSN的應(yīng)用

TSN為局域網(wǎng)的確定性服務(wù)質(zhì)量提供保障，隨著OT(operational technology)、IT(information technology)與CT(communication technology)的融合，TSN可在這些融合局域網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送周期、非周期數(shù)據(jù)流。在車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)、5G等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，TSN網(wǎng)絡(luò)將得到更快的發(fā)展。

4.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

TSN可以有效兼顧工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景下，高效率數(shù)據(jù)傳輸和高可靠性需求，有效推動了工業(yè)OT系統(tǒng)與IT系統(tǒng)的融合。同時結(jié)合5G下URLLC的確定性傳輸技術(shù)，現(xiàn)有的傳感器、執(zhí)行器等工業(yè)設(shè)備都能以無線方式連接到TSN網(wǎng)絡(luò)中，可以實現(xiàn)不受電纜安裝限制的靈活部署和應(yīng)用，整套系統(tǒng)可以更加自動化，減少人為干預(yù)和依賴，將持續(xù)推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)底層架構(gòu)的演進。

4.2 車載網(wǎng)絡(luò)

隨著汽車的智能化和自動化的發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)需要滿足高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）、智能車載診斷系統(tǒng)（OBD）、車載多媒體系統(tǒng)以及其他各類車載系統(tǒng)的承載和互聯(lián)要求。現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)仍以各總線并存為主，而且媒體信號和控制信號不能在同一鏈路上進行統(tǒng)一傳輸。所以如何在混流的條件下，保證各種不同類型的流量對端到端傳輸時延、抖動、丟包率等需求均得到滿足，是目前車載網(wǎng)面臨的技術(shù)難點和質(zhì)疑所在。TSN能根據(jù)數(shù)據(jù)流量的不同優(yōu)先級，提供不同程度的端到端有界時延的保障和更小的抖動等。并且服務(wù)質(zhì)量可以通過理論得到證實。這些特征都能符合車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，從而滿足車載以太網(wǎng)的應(yīng)用要求[4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 互聯(lián)網(wǎng)文檔，一文讀懂TSN，https://www.sdnlab.com/25482.html.

[2] SDNLAB，TSN時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)淺析，2022.4.

[3] 互聯(lián)網(wǎng)文檔，基于FAST的TNS交換，https://blog.csdn.net/m0_37537704/article/details/86747622.

[4] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，時間敏感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)白皮書，2020.8.?

責(zé)任編輯：未麗燕來源：移動Labs

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