上一期，我們聊了那么多以太網(wǎng)的知識【TSN系列連載2|從以太網(wǎng)到TSN的技術(shù)變革】，想必大家也很想了解TSN網(wǎng)絡究竟是怎么工作的吧！

今天，我們的技術(shù)小哥哥，要非常非常詳細的帶大家了解TSN網(wǎng)絡的工作方式。能把技術(shù)說得這么透徹，我只服我們的技術(shù)小哥哥。往下看：

話說，TSN網(wǎng)絡是由IEEE802.1工作組下的TSN任務組負責開發(fā)的網(wǎng)絡標準，現(xiàn)在的TSN任務組其實是由之前的AVB（AudioVideoBridging）任務組改名而來，這一改名行為也意味著這一標準的應用領域發(fā)生了根本性的變化。TSN網(wǎng)絡主要定義了時間敏感數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上的傳輸機制。

IEEE802.1定義了各種TSN標準文檔，雖然每個標準規(guī)范都可以單獨使用，但是，只有在相互協(xié)同使用的情況下，TSN作為通信系統(tǒng)才能充分發(fā)揮潛力。為實現(xiàn)實時通信解決方案，這些規(guī)范均可大致分為三個基本組成部分：

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一時間同步

參與實時通信的所有設備都需要對時間進行同步

二調(diào)度和流量整形

參與實時通信的所有設備在處理和轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)包時都必須遵循相同的規(guī)則

三選擇信道、信道預留和容錯

參與實時通信的所有設備在選擇信道、保留帶寬和時隙時必須遵循相同的規(guī)則，可能同時使用多個路徑來實現(xiàn)容錯性

下面我們來詳細了解這三個部分的實現(xiàn)：

一時間同步

關(guān)于這一部分，“時間敏感網(wǎng)絡”這個名稱已經(jīng)描述的很形象了：

與我們之前提到的IEEE802.3標準以太網(wǎng)和IEEE802.1Q以太網(wǎng)橋接相比，時間在TSN網(wǎng)絡中起著至關(guān)重要作用。對于那些對數(shù)據(jù)實時性要求非常高的工業(yè)網(wǎng)絡而言，網(wǎng)絡中的所有設備均需要有一個公共的時間參考，因此要求時鐘彼此同步。

事實上，不僅僅PLC和工業(yè)機器人等終端設備需要時間同步，以太網(wǎng)交換機等網(wǎng)絡設備也同樣需要。只有通過同步時鐘，所有網(wǎng)絡設備才能同時運行并各自在所需的時間點執(zhí)行所需的操作。

同步

TSN網(wǎng)絡中的時間同步可以通過不同的技術(shù)來實現(xiàn)。

從理論上講，可以為每個終端設備和網(wǎng)絡交換機配備GPS時鐘。然而，這成本非常高，并且無法保證設備始終可以訪問無線電或GPS衛(wèi)星信號（比如設備安裝在移動的汽車或位于地下的工廠車間或隧道）。由于這些限制，TSN網(wǎng)絡往往并不會使用外部的時鐘源，而是直接通過網(wǎng)絡由一個主時鐘信號來進行分配。

在大多數(shù)情況下，TSN使用IEEE1588精確時間協(xié)議來進行時鐘分配，利用以太網(wǎng)幀來分配時間同步信息。除了普遍適用的IEEE1588規(guī)范之外，IEEE802.1的TSN任務組還指定了IEEE1588行規(guī)，稱為IEEE802.1AS。此行規(guī)背后的想法是將大量IEEE1588選項縮小到可管理的幾個關(guān)鍵選項，而使這些選項適用于家庭網(wǎng)絡、汽車或工業(yè)自動化網(wǎng)絡環(huán)境。

二調(diào)度和流量整形

調(diào)度和流量整形允許在同一網(wǎng)絡上具有不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流共存——而這些數(shù)據(jù)能夠各自根據(jù)需要適應帶寬和網(wǎng)絡延時。

在標準以太網(wǎng)中，根據(jù)IEEE802.1q的標準橋接，網(wǎng)絡可以嚴格根據(jù)優(yōu)先級方案使用八個不同的優(yōu)先級。在協(xié)議層面，這些優(yōu)先級可以在標準以太網(wǎng)幀的802.1QVLAN標記看到。通過這些優(yōu)先級，網(wǎng)絡可以區(qū)分重要性不同的數(shù)據(jù)流量。

然而在實際使用過程中，即使某個數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級，其實也并不能100%保證點對點的傳輸時間，這是由于以太網(wǎng)交換機內(nèi)部的緩沖機制造成的。如果數(shù)據(jù)幀到來時，交換機已經(jīng)開始在其中一個端口上傳輸數(shù)據(jù)幀，此時即使新來的數(shù)據(jù)幀有最高優(yōu)先級，它也必須在交換機緩沖區(qū)內(nèi)等待當前的傳輸完成。

在使用標準以太網(wǎng)時，這種時間上的非確定性無法避免。只能使用在對實時性要求不高的網(wǎng)絡環(huán)境中，如辦公網(wǎng)絡、文件傳輸、Email和其他商業(yè)應用中。

然而，在工業(yè)自動化和汽車等網(wǎng)絡環(huán)境中，閉環(huán)控制或安全應用也會使用以太網(wǎng)，這時，數(shù)據(jù)的可靠傳輸和和實時性就顯得至關(guān)重要了。對于在這些場合使用的以太網(wǎng)，則需要利用增強IEEE802.1Q的嚴格優(yōu)先級進行調(diào)度。我們?nèi)绻阉奶攸c概括成一句話，那就是：

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不同的流量類別使用不同的時間片

這也是IEEE802.1Qbv所定義的時間感知調(diào)度機制

TSN通過添加一系列機制來使標準以太網(wǎng)得到增強，以確保網(wǎng)絡實時性的要求。在TSN中，依然保留了利用八個不同的VLAN優(yōu)先級的機制，以確保兼容非TSN以太網(wǎng)——向下兼容和保持與現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)的互操作性，并實現(xiàn)網(wǎng)絡應用從原有系統(tǒng)到新技術(shù)的無縫遷移，這也始終是IEEE802工作組的重要設計原則之一。

在使用TSN時，對于八個優(yōu)先級中的任意一個，用戶都可以從不同的機制中選擇如何處理以太網(wǎng)幀，并且將優(yōu)先級單獨分配給現(xiàn)有方法（例如IEEE802.1Q嚴格的優(yōu)先級調(diào)度機制）或新的處理方法（例如TSNIEEE802.1Qbv時間感知流量調(diào)度程序）

TSN的典型應用是PLC與工業(yè)機器人、運動控制器等工控設備的通信。為了保證控制設備通信的所需要的實時性，系統(tǒng)可以將八個以太網(wǎng)優(yōu)先級中的一個或幾個分配給IEEE802.1Qbv時間感知調(diào)度程序。這一調(diào)度程序主要是將網(wǎng)絡通信分成固定的長度和時間周期。

在這些周期內(nèi)，系統(tǒng)可以根據(jù)需要配置不同的時間片，這些時間片可以分配給八個以太網(wǎng)優(yōu)先級中的一個或幾個，數(shù)據(jù)通過優(yōu)先級的不同而分別使用屬于自己的時間片，這樣，就實現(xiàn)了共享同一網(wǎng)絡介質(zhì)和傳輸周期，使得在以太網(wǎng)上傳輸有實時性要求且不能中斷的數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實。

對于這一機制，實現(xiàn)的基本概念即是時分多址（TDMA）。通過在特定時間段內(nèi)建立虛擬信道，可以將時間敏感數(shù)據(jù)與普通數(shù)據(jù)分開傳送。使時間敏感數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡介質(zhì)和設備擁有獨占訪問權(quán)，可以避免以太網(wǎng)交換機的緩沖效應，并且使時間敏感數(shù)據(jù)不發(fā)生中斷。 

三選擇信道，預留信道和容錯

TSN技術(shù)，主要用于實時性要求比較高的場合。在這些應用中，不僅要保證時序，同時，對容錯要求也非常高。支持TSN的工業(yè)以太網(wǎng)必須要能夠支持相應的工業(yè)應用，例如，安全網(wǎng)絡控制、運動控制乃至最新興的車輛自動駕駛等應用，盡最大可能避免硬件或網(wǎng)絡中的故障。TSN任務組為保證網(wǎng)絡的可靠性，也制定了大量相關(guān)的容錯協(xié)議、接口管理協(xié)議和本地網(wǎng)絡注冊協(xié)議等一系列協(xié)議。

總結(jié)來說，CC-LinkIETSN網(wǎng)絡即是基于OSI參考模型（見下圖）的第2層的TSN技術(shù)，在第3~7層，由CC-LinkIETSN獨立的協(xié)議和標準的以太網(wǎng)協(xié)議構(gòu)成。

OSI模型

鑒于TSN網(wǎng)絡具有與標準以太網(wǎng)的兼容性，CC-LinkIETSN也具有卓越的兼容性，還可以使用基于TCP/IP、UDP/IP的SNMP、HTTP和FTP等標準以太網(wǎng)協(xié)議。這樣通用的以太網(wǎng)診斷工具可以直接用于網(wǎng)絡診斷，提高了網(wǎng)絡管理的靈活性。

好了，是不是很詳細，C小C完全是一個字一個字、一臉佩服的看完了此文。下一期將是什么主題，敬請期待。