時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)探析

趙 奕，王海濤（南京審計(jì)大學(xué)金審學(xué)院，江蘇南京 210023）

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，確定性的流量傳輸成為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)以太網(wǎng)只注重解決非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)時(shí)流量和傳統(tǒng)TCP 流量競(jìng)爭(zhēng)資源將導(dǎo)致較大的傳輸時(shí)延和抖動(dòng)，使得傳統(tǒng)以太網(wǎng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)音視頻業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需求［1］。為此，2006 年成立的IEEE AVB（Audio Video Bridging）工作組制定了一組802.1 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包含802.1AS，802.1Qat，802.1Qav 等協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)通過采用預(yù)留帶寬、流量?jī)?yōu)先級(jí)和時(shí)間同步等技術(shù)來(lái)提供低傳輸時(shí)延的以太網(wǎng)服務(wù)。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）對(duì)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信需求的迅速增長(zhǎng)，2012年AVB 工作組更名為TSN（Time-Sensitive Networking）工作組，TSN 工作組通過擴(kuò)展AVB 技術(shù)以統(tǒng)一解決網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)效性問題。例如，TSN 在AVB 基礎(chǔ)上引入了時(shí)間調(diào)度流量（Time-scheduled traffic）和幀搶占（Framepreemption）機(jī)制，并且允許采用不同協(xié)議的時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流和非時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流混合交錯(cuò)傳輸。此外，TSN 可以在數(shù)據(jù)源頭獲取精確的數(shù)據(jù)信息，快速診斷和及時(shí)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的各種傳輸異常［2］。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，TSN）協(xié)議族的主體位于OSI 網(wǎng)絡(luò)模型的第2 層，即數(shù)據(jù)鏈路層，屬于IEEE 802.1 協(xié)議體系。TSN 在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)構(gòu)架上重新定義了流量傳輸機(jī)制，利用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的包頭進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，適用于任何以以太網(wǎng)為傳輸媒介的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)突破。具體而言，TSN引入的新技術(shù)主要包括時(shí)間同步、時(shí)間感知調(diào)度、流量整形和調(diào)度以及冗余備份路徑機(jī)制等。通過綜合應(yīng)用這些新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有時(shí)間敏感特性的TSN 可以為上層業(yè)務(wù)提供具有確定性時(shí)延特征的信息傳輸。

1 研究概況

隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，通信主體不再局限于人與人，人與物以及物與物為通信主體的通信業(yè)務(wù)日趨增加。面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)通信主體的更新變化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等許多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和低時(shí)延的要求愈加嚴(yán)格。為滿足上述場(chǎng)景的數(shù)據(jù)傳輸需求，許多標(biāo)準(zhǔn)化組織和行業(yè)提出了諸如HSE、Profinet、EtherCAT、TCnet 等協(xié)議［3-5］，但由于這些協(xié)議互不兼容，其發(fā)展和應(yīng)用受到諸多限制，在這種背景下TSN應(yīng)運(yùn)而生。

TSN 是一項(xiàng)從音視頻數(shù)據(jù)領(lǐng)域延伸到汽車領(lǐng)域并進(jìn)一步推廣至工業(yè)領(lǐng)域的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2006 年IEEE 成立AVB 任務(wù)小組［6］，于2012 年更名為TSN 任務(wù)組，研究領(lǐng)域從原來(lái)的音/視頻拓展到車載網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。2015 年TSN 和Interworking任務(wù)組合并，研究TSN 在運(yùn)營(yíng)商骨干網(wǎng)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。2017 年IEEE 與IEC 聯(lián)合建立60802 工作組，主要研究TSN在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方案。2019年TSN任務(wù)組開始研究TSN 在車載控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，TSN 技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景不斷發(fā)展，并將與OPC UA、5G 和邊緣計(jì)算等新技術(shù)進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)TSN 在不同領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用［7］。截至2022 年8 月，已經(jīng)發(fā)布的TSN主要標(biāo)準(zhǔn)參見表1，部分研制中的標(biāo)準(zhǔn)見表2［8］。

表1 已發(fā)布的TSN標(biāo)準(zhǔn)

表2 研制中的部分標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外相關(guān)組織和研究院近年來(lái)也高度重視TSN的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。在2016年的SPS上，CISCO、NI、KUKA、Parker、SEW、TTTech 等主流的自動(dòng)化與IT廠商都宣布了對(duì)OPC UA TSN 的支持。2018 年11 月27 日，在德國(guó)紐倫堡電氣自動(dòng)化系統(tǒng)及元器件展（SPS IPC）上，CC-Link 協(xié)會(huì)正式發(fā)布最新的開放式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——CC-Link IE TSN。2019 年起，北京郵電大學(xué)、南京紫金山實(shí)驗(yàn)室和廣東通信與網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院從學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)角度研究了面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的確定性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和市場(chǎng)需求。同年，PI 組織（工業(yè)通信組織）發(fā)布了新的使用TSN 技術(shù)的ProfiNet 協(xié)議。OPC UA 基金會(huì)也成立工作組，目標(biāo)在于將TSN 技術(shù)和OPC UA 規(guī)范融合。2020 年，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基于以太網(wǎng)技術(shù)分析驗(yàn)證了TSN 在列車以太網(wǎng)通信技術(shù)中應(yīng)用的可行性。如今，市場(chǎng)上許多知名企業(yè)都投入TSN 領(lǐng)域的布局與研發(fā)生產(chǎn)中，例如華為、Intel、MOXA、研華等，先后推出了不同層級(jí)的TSN 相關(guān)產(chǎn)品。虹科電子也在2020 年推出TSN IP 核的開發(fā)方案以及TSN 端/橋設(shè)備的使用方案，致力于幫助國(guó)內(nèi)企業(yè)更快速、簡(jiǎn)單地使用和集成TSN 技術(shù)［9］。2021 年，OpenTSN 項(xiàng)目組自主研發(fā)了一款低功耗TSN 芯片-楓林一號(hào)，以滿足確定性組網(wǎng)需求［10］。美國(guó)微芯科技公司（Microchip Technology Inc）同年發(fā)布SparX-5i 系列以太網(wǎng)交換機(jī)，提供了業(yè)界最全面的TSN 功能集［11］。2021 年4 月，ITU 在uRLLC R16 方面除了引入對(duì)工廠自動(dòng)化、車聯(lián)網(wǎng)以及智能電網(wǎng)場(chǎng)景的支持，還考慮支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IIOT——Industrial IoT），滿足TSN 對(duì)接5GS［12］。MPLS-TSN 草 案［13］提 出MPLS 和TSN 需要協(xié)同提供服務(wù)保護(hù)、資源分配和顯性路由，但并未提供具體的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方法。

總體來(lái)看，TSN 技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的關(guān)注重點(diǎn)，國(guó)外的自動(dòng)化廠商、通信設(shè)備廠商以及行業(yè)組織對(duì)TSN 的研究都較優(yōu)先于國(guó)內(nèi)。隨著工業(yè)4.0 時(shí)代的到來(lái)，TSN+OPC UA、TSN+邊緣計(jì)算、TSN+5G 成為了國(guó)內(nèi)外的熱門研究。目前，TSN 與眾多技術(shù)的融合互通仍處于研究階段，各大廠家的TSN 設(shè)備并未做到對(duì)全部協(xié)議族的支持，如何完善接口協(xié)議和增強(qiáng)應(yīng)用適配能力也成為今后TSN發(fā)展的技術(shù)重難點(diǎn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

2018 年發(fā)布的IEEE 802.1Qcc 標(biāo)準(zhǔn)正式制定了TSN 的系統(tǒng)架構(gòu)［14］，該系統(tǒng)架構(gòu)非常類似于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的3 層架構(gòu)，包含應(yīng)用層、控制層和網(wǎng)絡(luò)層3個(gè)層次，如圖1所示。

圖1 IEEE 802.1Qcc的TSN系統(tǒng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層由各種網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成，主要用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和自身資源信息上傳給控制層，用于全網(wǎng)監(jiān)控，并依據(jù)應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀態(tài)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整?？刂茖又械木W(wǎng)絡(luò)控制器（NC）利用北向接口向上面的應(yīng)用層開放網(wǎng)絡(luò)資源和能力，利用南向接口向轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)下發(fā)定制策略，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、流量監(jiān)控等功能。此外，該層的網(wǎng)管系統(tǒng)提供運(yùn)維服務(wù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。應(yīng)用層為各類業(yè)務(wù)應(yīng)用提供接入TSN 的接口，用戶控制器（UC）通過北向接口按需向用戶提供自適應(yīng)服務(wù)，支持在線測(cè)量以及運(yùn)維相關(guān)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、狀態(tài)檢測(cè)和業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度等功能。

基于IEEE 802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)提出的TSN體系架構(gòu)，給出了一種TSN 網(wǎng)絡(luò)分層模型如圖2 所示，該分層模型同樣包括應(yīng)用層、控制層和網(wǎng)絡(luò)層3層。其中，應(yīng)用層的CUC 負(fù)責(zé)采集終端業(yè)務(wù)的帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量需求，并將其轉(zhuǎn)換后通過北向接口發(fā)給CNC，向用戶提供網(wǎng)絡(luò)能力。應(yīng)用層借助控制層提供的網(wǎng)絡(luò)資源和狀態(tài)信息基于業(yè)務(wù)應(yīng)用要求進(jìn)行智能化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及運(yùn)維；控制層通過流預(yù)留協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)OPC UA 的發(fā)布—訂閱模式，通過添加CNC 網(wǎng)絡(luò)組件來(lái)實(shí)現(xiàn)TSN 的網(wǎng)絡(luò)功能和服務(wù)，具有計(jì)算拓?fù)渎窂降染W(wǎng)絡(luò)功能，通過南向接口下發(fā)更新路由路徑、門控列表等配置信息到TSN 交換機(jī)。TSN 工作組發(fā)布了一系列與Yang模型定義相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)草案，如基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)語(yǔ)言的信息模型和Yang 數(shù)據(jù)模型，基本的橋配置，結(jié)合Netconf 實(shí)現(xiàn)的時(shí)間感知整形、幀搶占、流過濾和策略的配置以及結(jié)合Netconf 的包復(fù)制和消除機(jī)制的配置；網(wǎng)絡(luò)層在設(shè)備中集成802.1AS 精確時(shí)鐘同步協(xié)議，并支持流預(yù)留、入端口每流過濾和策略、出端口時(shí)間感知整形、Yang數(shù)據(jù)模型等功能。

圖2 TSN的分層模型

2.2 時(shí)間同步

為了使全網(wǎng)絡(luò)圍內(nèi)的各個(gè)設(shè)備之間能夠協(xié)調(diào)配合，使數(shù)據(jù)幀能按照正確的時(shí)序到達(dá)下一個(gè)設(shè)備以保障數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)上順暢傳輸，TSN 中所有設(shè)備都必須在時(shí)間上保持高度一致，即TSN 必須基于可靠的時(shí)間同步協(xié)議來(lái)提供嚴(yán)格的時(shí)間同步。

經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）雖已得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，但是時(shí)間精度僅限于微秒級(jí)別，不能滿足TSN 要求的亞微秒級(jí)精度。TSN 使用的精密時(shí)鐘同步協(xié)議源自于IEEE 1588V2協(xié)議，又稱精確時(shí)間協(xié)議（Precise Time Protocol，PTP），主要用于以太網(wǎng)和分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步［15］。在局域網(wǎng)環(huán)境中，PTP 可實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)的時(shí)鐘精度，使其適用于測(cè)量和控制系統(tǒng)［16］。PTP 協(xié)議的同步過程主要包括主時(shí)鐘選擇、傳播時(shí)延和時(shí)鐘偏差計(jì)算以及偏差校準(zhǔn)3 個(gè)階段［17］。PTP 協(xié)議的報(bào)文主要有同步、跟隨、延遲請(qǐng)求、管理4種報(bào)文，具體的報(bào)文收發(fā)流程如圖3 所示。主時(shí)鐘周期發(fā)送同步報(bào)文，并且依據(jù)主時(shí)鐘精確記錄同步報(bào)文發(fā)送的時(shí)間點(diǎn)t1。同步報(bào)文包含的時(shí)間戳是預(yù)發(fā)送時(shí)間點(diǎn)，而真正發(fā)出時(shí)間點(diǎn)在該同步報(bào)文發(fā)出后被記錄并由一個(gè)跟隨報(bào)文進(jìn)行發(fā)送，然后從時(shí)鐘記錄下同步報(bào)文的到達(dá)時(shí)間t2。

圖3 PTP協(xié)議的報(bào)文收發(fā)流程

從時(shí)鐘發(fā)送時(shí)延請(qǐng)求響應(yīng)報(bào)文并記錄發(fā)送時(shí)間點(diǎn)t3，主時(shí)鐘記錄報(bào)文到達(dá)時(shí)間點(diǎn)t4，然后把t4通過延時(shí)響應(yīng)報(bào)文發(fā)送給從時(shí)鐘，此時(shí)從時(shí)鐘獲取到4 個(gè)確定的收發(fā)時(shí)間。在傳播路徑一致的情況下，2 次傳播時(shí)延可視為相等，且存時(shí)鐘偏差。根據(jù)圖3，可推算出：t2=t1+時(shí)延+偏差；t4=t3+時(shí)延-偏差。由此可以計(jì)算出延遲和偏差，然后通過修改本地時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

802.1AS-Rev 在802.1AS 的同步機(jī)制上擴(kuò)充了冗余備份機(jī)制，包括主時(shí)鐘冗余和時(shí)鐘通路冗余。主時(shí)鐘冗余允許當(dāng)前主時(shí)鐘和備份主時(shí)鐘同步運(yùn)行，如果當(dāng)前主時(shí)鐘發(fā)生問題，會(huì)立即切換到備份主時(shí)鐘，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。時(shí)鐘通路冗余規(guī)定每個(gè)主時(shí)鐘維護(hù)2條傳輸路徑，一條路徑發(fā)生故障或擁塞后，立即切換備用路徑。

2.3 時(shí)間感知流量調(diào)度和整形

2.3.1 時(shí)間敏感流量調(diào)度

時(shí)間感知流量調(diào)度是在時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)上，對(duì)流量進(jìn)行基于時(shí)間約束的傳輸調(diào)度，優(yōu)先執(zhí)行對(duì)時(shí)間因子更為敏感的數(shù)據(jù)傳輸。時(shí)間感知調(diào)度增加了時(shí)間維度，利用時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）協(xié)議，把時(shí)間分割為固定周期長(zhǎng)度的幀（也稱時(shí)元）；每一幀又分割為若干更細(xì)粒度的時(shí)間片，稱為時(shí)隙或時(shí)間槽。每個(gè)時(shí)隙被分配特定的以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí)，不同優(yōu)先級(jí)的時(shí)隙構(gòu)成一種虛擬信道，允許特定的實(shí)時(shí)流量能在非實(shí)時(shí)流量負(fù)載中交替?zhèn)鬏?，顯著減小了突發(fā)故障或異常發(fā)送對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽Ｔ谑褂肨DMA 協(xié)議時(shí)，具體的時(shí)隙劃分應(yīng)根據(jù)實(shí)際信道需求而定，并要兼顧通信實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，時(shí)隙過小會(huì)導(dǎo)致效率低下，時(shí)隙過大則會(huì)降低傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

上述的時(shí)間感知調(diào)度仍存在一些缺陷，如在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)無(wú)法完成某個(gè)較大數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該數(shù)據(jù)幀占用下一個(gè)周期的時(shí)間槽，進(jìn)而造成傳輸故障或信息延遲。為此，TSN 工作組引入了保護(hù)帶機(jī)制。保護(hù)帶是在每個(gè)時(shí)間周期結(jié)束前劃分的一個(gè)時(shí)間段，規(guī)定在保護(hù)帶內(nèi)不允許有新的幀進(jìn)行傳輸，而保護(hù)帶之前的幀若沒有傳輸完畢可以在保護(hù)帶內(nèi)繼續(xù)傳輸。因此，保護(hù)帶時(shí)長(zhǎng)應(yīng)不小于此鏈路中最長(zhǎng)幀的傳輸時(shí)間。采用保護(hù)帶的時(shí)間敏感調(diào)度如圖4所示。

圖4 采用保護(hù)帶的時(shí)間敏感調(diào)度

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延由傳播時(shí)延、處理時(shí)延、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延等構(gòu)成。在特定網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，傳播時(shí)延和處理時(shí)延一般可以確定，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延通常較小可以忽略，而排隊(duì)時(shí)延有很強(qiáng)的不確定性。使用傳統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度［18］不足以解決不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)效問題。例如，當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的幀已開始傳輸，即使有更高優(yōu)先級(jí)的幀到達(dá)，也需等到當(dāng)前幀傳輸完畢，這樣會(huì)引入最長(zhǎng)為以太網(wǎng)最大傳輸時(shí)間的時(shí)延，并且這種時(shí)延可以在多個(gè)節(jié)點(diǎn)累計(jì)，難以準(zhǔn)確估計(jì)。為此，IEEE 802.1Qbu［19］和IEEE 802.3br［20］2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都引入了提供延遲保障的幀搶占協(xié)議，該協(xié)議通過修改前導(dǎo)碼，將正常的以太網(wǎng)幀分為2 類：高優(yōu)先級(jí)的EMAC 幀和低優(yōu)先級(jí)的PMAC 幀。幀搶占工作原理簡(jiǎn)述如下：如果在當(dāng)前的傳輸線路上已經(jīng)有低優(yōu)先級(jí)幀在傳輸，高優(yōu)先級(jí)幀可視情況向低優(yōu)先級(jí)幀發(fā)出切片傳輸中斷的請(qǐng)求，并判斷是否能對(duì)低優(yōu)先級(jí)幀實(shí)施切片操作，如果滿足條件，則會(huì)在適當(dāng)位置中斷低優(yōu)先級(jí)幀的傳輸并開始傳輸高優(yōu)先級(jí)幀。同時(shí)，被中斷的低優(yōu)先級(jí)幀會(huì)添加一個(gè)適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)碼，以便在高優(yōu)先級(jí)幀傳輸結(jié)束后繼續(xù)傳輸，接收端根據(jù)引導(dǎo)碼將切片的低優(yōu)先級(jí)幀重新組裝成完整的幀。

2.3.2 時(shí)間感知流量整形

流量整形技術(shù)是一種主動(dòng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度的技術(shù)。流量整形器將待發(fā)送的數(shù)據(jù)流量按需進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整為滿足TSN傳輸需求的形式再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。流量整形能減少數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)等待排隊(duì)的時(shí)間，減少丟包可能性，減小轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的等待區(qū)空間大小。整形后的數(shù)據(jù)將以一種更為平滑的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，從而顯著改善網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的服務(wù)性能［3］。時(shí)間感知整形（TAS）是在IEEE 802.1 Qbv 標(biāo)準(zhǔn)中被正式提出的［21］，旨在優(yōu)化不同優(yōu)先級(jí)幀的傳輸性能。TAS將通信時(shí)長(zhǎng)分為等長(zhǎng)周期，并利用門控列表決定當(dāng)前優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)隊(duì)列能否進(jìn)行傳輸，并視情況在某個(gè)特定時(shí)間片內(nèi)暫停低優(yōu)先級(jí)流量的傳輸，只允許時(shí)間敏感的高優(yōu)先級(jí)流傳輸，降低了普通流量對(duì)時(shí)間敏感流的影響，有效降低了時(shí)間敏感數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延和和時(shí)延抖動(dòng)，保證信息傳遞的時(shí)效性。

2.4 冗余路徑機(jī)制

鑒于網(wǎng)絡(luò)通信中存在著大量難以預(yù)測(cè)的異常和突發(fā)故障，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮^大延遲甚至數(shù)據(jù)丟失，破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。為了緩解這種意外情況，TSN 引入了冗余路徑機(jī)制，在當(dāng)前路徑發(fā)生故障時(shí)，允許流量及時(shí)切換至另一條處于激活狀態(tài)的備用路徑。802.1CB 協(xié)議主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的冗余備份傳輸，利用冗余機(jī)制解決環(huán)路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲锌赡苡蒀RC、線路開路及節(jié)點(diǎn)故障等導(dǎo)致的信息傳輸錯(cuò)誤或丟失問題。冗余傳輸路徑具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，數(shù)據(jù)幀在傳輸前需要首先進(jìn)行復(fù)制，然后分別通過2 條路徑進(jìn)行傳輸。當(dāng)?shù)?份數(shù)據(jù)幀可靠到達(dá)目標(biāo)管理節(jié)點(diǎn)后，會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)至應(yīng)用層，隨后第2份到達(dá)的冗余數(shù)據(jù)幀則會(huì)被識(shí)別并丟棄。當(dāng)然，冗余路徑機(jī)制并不將同一數(shù)據(jù)流限制為2 條冗余路徑，它可以支持多條路徑同時(shí)傳輸。實(shí)施冗余路徑機(jī)制時(shí)，被發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)被打上特殊的標(biāo)簽和序列號(hào)，經(jīng)過不同節(jié)點(diǎn)復(fù)制傳輸。在進(jìn)行數(shù)據(jù)幀匯聚時(shí)，會(huì)選擇優(yōu)先到達(dá)的數(shù)據(jù)，其他的復(fù)制數(shù)據(jù)幀將被丟棄，防止下一節(jié)點(diǎn)處理重復(fù)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

TSN是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的用以提供確定性信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，TSN 處于快速發(fā)展階段，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究也在穩(wěn)步推進(jìn)，并已得到工業(yè)界的普遍認(rèn)可，成為未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。例如，隨著遠(yuǎn)程管理運(yùn)維系統(tǒng)和工業(yè)大數(shù)據(jù)采集分析等需求的涌現(xiàn)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的深度融合變得迫在眉睫［22］，TSN 可支持時(shí)間敏感的控制流量與非時(shí)間敏感的普通以太網(wǎng)流量共存?zhèn)鬏敚⑶揖哂袑?shí)時(shí)性、低延遲和去抖動(dòng)的特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)合和良好的發(fā)展前景。