TSN时间敏感网络

目录

时间敏感网络介绍

子协议介绍

时间同步

IEEE802.1AS

调度和流量整形

IEEE802.1Q

IEEE802.1Qbv

IEEE802.1cr

IEEE802.1Qbu

IEEE802.1Qch

IEEE802.1Qav

IEEE802.1Qcc

纠错机制与安全

IEEE802.1Qci

IEEE802.1CB

IEEE802.1Qca

参考

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时间敏感网络介绍

TSN(Time-Sensitive Networking)时间敏感网络是对标准以太网协议的拓展，以达到实时性，确定性，低延迟通信。TSN添加了几个关键特性来满足应用的高可用性，鲁棒性和可靠性需求。这些特性包括时间感知的流量整形，调度和保护带来确保限定的通信延迟。TSN还支持冗余和故障转移机制，以确保高可用性。最后，TSN 包括排队规则和流量调度算法，可实现时间关键型流量的优先级。

TSN是典型地实现在OSI模型二层网络里，意味着它可以被任何类型的网络协议使用，这使得TSN是一个针对时间敏感的，要求低延迟的应用程序的理想解决方案。

TSN包含的最小功能子集有：
1、以太网技术（传输媒介）
2、时间同步机制
3、传输分类（优先级处理）

子协议介绍

可调度的传输（周期与时间槽）
TSN是一种能够在标准以太网上执行确定性与低延迟通信的技术。TSN允许设备同步他们的时钟并在精确的间隔内发送数据，使得它非常适用于时间要求度高的应用，比如工业控制，自动驾驶和航空网络。

时间同步

IEEE802.1AS

IEEE 802.1AS 是一个配置文件，可实现不同 TSN 设备之间的同步兼容性。提供标准时间和同步机制来保障设备之间的确定性通信。通过精确时间协议（PTP）实现以太网上的相位和频率同步。PTP 用于将终端设备和交换机同步到主站，抖动≤ 1μs。这可确保所有设备准确同步，从而实现确定性通信。

调度和流量整形

IEEE802.1Q

IEEE 802.1Q 是包含多个 TSN 规范的“包罗万象”规范，并提供了一种对 LAN 上的流量进行优先级传输的机制。高优先级流量是必不可少的，并且有繁琐的实时要求。预留流量可能具有软实时要求。尽力而为流量只是尽力而为流量。IEEE 802.1Q 使用调度程序来确定每种类型的流量何时可以使用带宽以及可以使用多少带宽。调度程序可确保高优先级流量获得所需的带宽，同时为预留流量和尽力而为流量提供使用任何剩余带宽的最佳机会。IEEE 802.1Q还使用一种称为“流量整形”的机制来控制发送不同类型流量的速率。流量整形有助于防止拥塞，并为时间敏感型流量提供更好的服务质量 （QoS）。

IEEE802.1Qbv

IEEE 802.1Qbv 是时间感知流量整形器 （TAS） 的规范。TAS 将传输划分为多个周期，但每个交换机可以有不同的 TAS 调度。这样，可以保证通过网络的消息延迟。每条消息的时隙由设备的同步时间控制。由于IEEE 802.1Qbv尽最大努力消除了实时流量阻碍的机会，因此对于语音和视频流等时间敏感型应用是有益的。

IEEE802.1cr

IEEE 802.1cr 异步流量整形 （ATS） 是一种处理混合流量类型的新方法，可提高链路利用率，同时为紧急流量提供低延迟。使用 ATS，流量首先分为两类：严重和非紧急。然后，使用称为基于紧急性的调度程序 （UBS） 的队列和流重塑技术对急性流量进行优先级排序。此方法有助于确保关键数据包永远不会延迟，同时有效使用可用带宽。此外，ATS 可以在现有网络硬件中轻松实现，使其成为提高网络性能的强大工具。

IEEE802.1Qbu

IEEE 802.3br 中断和 IEEE 802.1Qbu 穿插快速流量 （IET），也称为帧抢占，是一种允许高优先级流量覆盖网络上低优先级流量的机制。启用 IET 后，低优先级流量将在传输高优先级消息时脉冲。低优先级消息将恢复，而不会丢弃先前共享的中断流量部分。这允许网络上的流量流动更顺畅，并降低丢弃数据包或丢失数据的风险。IET 在使用实时应用程序的情况下特别有用。IEEE 802.3br 和 IEEE 802.1Qbu 是定义帧抢占并指定如何在网络上实现帧抢占的两个标准。

IEEE802.1Qch

IEEE 802.1Qch 是以太网的标准，它使用时间表来确保用最小的延迟以确定的方式转发数据包。这是通过每个跃点以一个周期存储接收的消息并在下一个周期转发它们来实现的。因此，可以轻松计算出每个通信路径的最大延迟。IEEE 802.1Qch还支持在下一个周期中以突发形式发送的消息。这样，它可以以非常低的延迟和抖动传输实时流量。因此，IEEE 802.1Qch是需要确定性和实时性的以太网应用的理想解决方案。

IEEE802.1Qav

IEEE 802.1Qav 是一种流量整形机制，可减少接收网桥和终端的缓冲。IEEE 802.1Qav 使用基于信用的整形器来避免相同流量优先级的消息突发。IEEE 802.1Qav可以在传输过程中更改不同流量优先级之间的优先级。IEEE 802.1Qav 使用流保留协议来识别和保留信息的最低延迟路径。IEEE 802.1Qav是IEEE 802.1Qau的扩展。信用值分配给通过路由器或交换机的每个流量。然后，这些信用值可以调整流量，以防止拥塞并确保所有用户的最佳性能。信用机制在通过网络传输的数据的类型和速度差异很大的情况下特别有用，因为它允许在不影响效率的情况下容纳所有内容。总体而言，基于信用的整形器可有效管理网络流量并确保所有用户的平稳性能。

IEEE802.1Qcc

IEEE 802.1Qcc 流定义提供了支持在时间敏感网络 （TSN） 节点中配置确定性流的规范。这包括可以为通信流建立的时隙、带宽、最大消息大小和优先级。Qcc还支持TSN网络调度的离线和在线配置。IEEE 802.1Qcc 是 IEEE 802.1Q 桥接标准的扩展，与现有以太网技术兼容。它以IEEE 802.1AS和IEEE 1588的先前工作为基础，提供了一套全面的机制，用于支持标准以太网上的时间敏感型应用。

纠错机制与安全

IEEE802.1Qci

IEEE 802.1Qci 是一种服务质量 （QoS） 标准，有助于防范故障和恶意端点和交换机。通过将故障隔离到网络中的特定区域，IEEE 802.1Qci 有助于减少大范围网络中断的可能性。此外，IEEE 802.1Qci 还提供每流过滤和传入消息警务 （PSFP） 等功能，有助于保护传出队列免受消息泛滥的影响。因此，IEEE 802.1Qci在防止网络中断方面可以发挥重要作用。

IEEE802.1CB

IEEE 802.1CB提供了一种称为FRER（首次接收错误率）的以太网冗余机制。FRER 监控每个传入链路上收到的错误数据包数。如果错误数超过特定阈值，则链路被视为故障并断开连接。为了避免数据包丢失，FRER 还会复制在多个路径上发送的消息。收到消息后，接收方会检查冗余标记以查看是否已收到消息。如果尚未收到邮件，则会接受并转发该邮件。如果已收到邮件，则会拒绝并丢弃该邮件。这可确保仅将邮件的一个副本传递给目标收件人。

IEEE802.1Qca

IEEE 802.1Qca 路径控制和保留 （PCR） 通过将故障隔离到网络中的特定区域来帮助抵御故障和恶意端点和交换机。Qca PCR 允许创建逻辑拓扑，以分离不同类型的流量，并可用于防御拒绝服务 （DoS） 攻击。此外，Qca PCR 可以通过为关键应用预留带宽来帮助提高网络性能。因此，IEEE 802.1Qca是确保现代网络安全和效率的重要工具。

参考

Time-Sensitive Networking (TSN)

https://mentor.ieee.org/802.11/dcn/19/11-19-1298-01-00be-ieee-802-1-tsn-an-introduction.pdf