時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用探析

周春云 楊銳

【摘? 要】 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）指的是處在OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層之中的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)為將傳統(tǒng)以太網(wǎng)作為基礎(chǔ)，向時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)提供確定性的傳輸協(xié)議，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行耘c實(shí)時(shí)性。所以，TSN技術(shù)在工業(yè)、汽車控制、航空控制、武器控制系統(tǒng)等相關(guān)行業(yè)擁有十分廣泛的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 時(shí)間敏感技術(shù)；以太網(wǎng)；數(shù)據(jù)傳輸

一、TSN概述

TSN技術(shù)是在 IEEE 802.1 框架范圍內(nèi)創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)基礎(chǔ)，以保證服務(wù)質(zhì)量（QoS）和以太網(wǎng)日益增長的需求，它擴(kuò)展了AVB（音視頻橋接）技術(shù)，成為基于以太網(wǎng)的新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有時(shí)間同步、延時(shí)保證等實(shí)時(shí)性功能。TSN主要應(yīng)用于汽車控制、工業(yè)控制、航空控制、武器控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，為這些領(lǐng)域提供確定性、魯棒性、可靠性的網(wǎng)絡(luò)連接。TSN技術(shù)包括多個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)屬于OSI通信的第2層，意味著使用TSN技術(shù)，用戶接口將保持不變。TSN技術(shù)可以為用戶提供預(yù)留帶寬、服務(wù)質(zhì)量（QoS）機(jī)制、低傳輸延遲和多協(xié)議（包括實(shí)時(shí)協(xié)議）的并行傳輸?shù)裙δ?。TSN技術(shù)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)IT與OT流量的統(tǒng)一承載，并保證數(shù)據(jù)包的延遲、抖動(dòng)、丟包等問題在限定范圍內(nèi)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，TSN技術(shù)的應(yīng)用前景尤為廣闊，可以實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備和系統(tǒng)之間的高效、實(shí)時(shí)通信，以提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接，確保機(jī)器人之間的精確同步和協(xié)作并提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

二、TSN 關(guān)鍵技術(shù)分析

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是一種針對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在工業(yè)自動(dòng)化、航空控制、視頻監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。TSN 的關(guān)鍵技術(shù)主要包括時(shí)鐘同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置。

（一）時(shí)鐘同步技術(shù)

時(shí)鐘同步是TSN中的核心技術(shù)，其保證了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備的時(shí)間一致性。高精度時(shí)鐘同步協(xié)議（如 IEEE 802.1AS）提供了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中的精準(zhǔn)定時(shí)和同步機(jī)制。時(shí)鐘同步技術(shù)主要包括以下三種，一是GPS/北斗同步。通過全球定位系統(tǒng)（GPS）或北斗導(dǎo)航系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步。這種同步方式具有較高的精確度和穩(wěn)定性，但受限于信號(hào)遮擋和衛(wèi)星系統(tǒng)故障。二是NTP/SNTP協(xié)議。通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）或簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）在網(wǎng)絡(luò)中傳遞時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。NTP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)亞毫秒級(jí)別的時(shí)鐘同步，適用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。SNTP協(xié)議適用于更簡單的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和較低的同步精度要求。三是衛(wèi)星授時(shí)同步。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，采用衛(wèi)星授時(shí)同步的方式實(shí)現(xiàn)星間、星內(nèi)的時(shí)鐘同步。這種同步方式具有較高的精確度和可靠性，但部署成本較高。

（二）流量調(diào)度技術(shù)

流量調(diào)度是TSN中確保數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性的關(guān)鍵手段。TSN采用確定性調(diào)度機(jī)制對(duì)事件進(jìn)行響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)低延遲、超高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸。流量調(diào)度技術(shù)主要包括三項(xiàng)，1. 優(yōu)先級(jí)調(diào)度。根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，確保高優(yōu)先級(jí)數(shù)包優(yōu)先傳輸。優(yōu)先級(jí)可以通過業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)包標(biāo)簽等方法進(jìn)行設(shè)定。2. 時(shí)分復(fù)用。將不同數(shù)據(jù)流的傳輸時(shí)間進(jìn)行劃分，使各數(shù)據(jù)流在規(guī)定的時(shí)間片內(nèi)傳輸。時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)在TSN網(wǎng)絡(luò)中保證了時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和可靠性。3. 級(jí)聯(lián)調(diào)度。通過級(jí)聯(lián)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)時(shí)間敏感應(yīng)用程序之間的公平調(diào)度。級(jí)聯(lián)調(diào)度可以在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用。

（三）網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)影響了TSN的性能和穩(wěn)定性，合理配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，降低網(wǎng)絡(luò)延遲，確保時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)主要包括三項(xiàng)，一是路由算法。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和業(yè)務(wù)需求，選擇合適的路由算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的快速傳輸。例如，短路徑優(yōu)先（SPF）算法、距離向量路由（DV）算法等。二是擁塞控制。通過擁塞控制策略，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，確保數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。常見的擁塞控制方法有速率限制、擁塞窗口調(diào)整、自適應(yīng)擁塞控制等。三是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。針對(duì)特定應(yīng)用場景，對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高網(wǎng)絡(luò)性能。例如，負(fù)載均衡、緩存策略、鏈路捆綁等。

三、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用分析

（一）在航空控制方面的應(yīng)用

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)是近年來備受關(guān)注的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其通過提供精確的定時(shí)和同步功能，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)通信的確定性和可靠性。在航空領(lǐng)域，這種技術(shù)的應(yīng)用前景尤為廣闊，主要包含以下幾方面。一是航空通信網(wǎng)絡(luò)。在航空通信網(wǎng)絡(luò)中，TSN技術(shù)為構(gòu)建高效、穩(wěn)定的通信架構(gòu)提供了可能。無論是機(jī)載通信系統(tǒng)還是地面控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，都需要高度的實(shí)時(shí)性和可靠性。TSN不僅能實(shí)現(xiàn)更低的數(shù)據(jù)傳輸延遲，還能確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性，這對(duì)飛行中的實(shí)時(shí)決策和地面指揮中心的策略調(diào)整都具有決定性的意義。二是飛行器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)拿芗瘏^(qū)域。飛行數(shù)據(jù)、傳感器信息、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等都需要在極短的時(shí)間內(nèi)得到處理并傳輸?shù)较鄳?yīng)的控制單元，通過對(duì)TSN技術(shù)的運(yùn)用能夠確保這些數(shù)據(jù)流在各個(gè)組件之間實(shí)現(xiàn)同步傳輸，讓數(shù)據(jù)能夠在正確的時(shí)間點(diǎn)到達(dá)，從而提高飛行控制的精度和飛機(jī)的整體響應(yīng)速度。三是機(jī)載傳感器融合?，F(xiàn)代飛機(jī)都裝備了多種傳感器，如雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭等，用于實(shí)時(shí)感知飛行環(huán)境和導(dǎo)航。這些傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，而且需要高度同步才能實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)融合。在TSN技術(shù)的作用下，可以確保這些數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)精確的同步，從而為飛行提供更為準(zhǔn)確的環(huán)境感知信息，進(jìn)一步增強(qiáng)飛機(jī)的自動(dòng)駕駛和飛行輔助系統(tǒng)的性能；無人機(jī)編隊(duì)飛行。TSN技術(shù)能夠?yàn)闊o人機(jī)編隊(duì)飛行提供了有力的技術(shù)支持，保證各個(gè)無人機(jī)在飛行過程中實(shí)現(xiàn)高度的協(xié)同和同步。四是衛(wèi)星通信。衛(wèi)星與地面站以及衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的通信需要高度的可靠性和實(shí)時(shí)性，TSN技術(shù)可以確保衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，從而提高航空導(dǎo)航、氣象預(yù)報(bào)和遠(yuǎn)程通信等應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。五是空中交通管制。TSN技術(shù)可以確?？罩薪煌ü苤葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸，從而提高空中交通管制的效率和準(zhǔn)確性，為航空安全提供更為可靠的保障。

（二）在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，主要涉及以下幾個(gè)方面。

首先，實(shí)時(shí)通信與控制。在現(xiàn)代工廠中，設(shè)備和系統(tǒng)之間需要高效、實(shí)時(shí)地交換信息，以確保生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。TSN技術(shù)通過提供精確的定時(shí)和同步功能，能夠確?？刂浦噶畹膶?shí)時(shí)傳輸和執(zhí)行。意味著無論是設(shè)備狀態(tài)更新、故障預(yù)警還是生產(chǎn)調(diào)整，都可以在短時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)和處理。通過TSN，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)能夠在復(fù)雜、多變的生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精確的同步和協(xié)作，從而提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化生產(chǎn)流程，并確保產(chǎn)品質(zhì)量。

其次，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接。隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，越來越多的智能設(shè)備和傳感器被部署在工廠中，它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)企業(yè)的決策和優(yōu)化至關(guān)重要。TSN技術(shù)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備之間的高精度時(shí)間同步和數(shù)據(jù)傳輸。意味著無論是設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)還是環(huán)境參數(shù)，都可以被實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集和傳輸。利用這些數(shù)據(jù)，企業(yè)不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程，還可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的瓶頸和問題，從而進(jìn)行針對(duì)性地優(yōu)化和改進(jìn)。

再次，機(jī)器人與生產(chǎn)線協(xié)同。在自動(dòng)化程度越來越高的工廠中，機(jī)器人扮演著越來越重要的角色，TSN技術(shù)可以確保機(jī)器人之間實(shí)現(xiàn)精確的同步和協(xié)作，諸如協(xié)同完成任務(wù)、避免碰撞、優(yōu)化工作流程等，這意味著生產(chǎn)線上的各個(gè)環(huán)節(jié)可以被更加緊密的連接在一起，實(shí)現(xiàn)高效、靈活的生產(chǎn)模式。此外，通過TSN技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人類的安全交互，進(jìn)一步提高生產(chǎn)的安全性和效率。

最后，安全可靠的環(huán)境。對(duì)任何企業(yè)而言，保障生產(chǎn)過程的安全性和可靠性都是至關(guān)重要的。TSN技術(shù)通過提供加密、認(rèn)證和確定性通信機(jī)制，可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院凸S的可靠性。意味著無論是內(nèi)部通信還是與外部系統(tǒng)的連接，都可以得到充分的保護(hù)，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和攻擊。此外，TSN技術(shù)還可以提供故障預(yù)警和恢復(fù)機(jī)制，確保在發(fā)生故障時(shí)能夠迅速響應(yīng)并恢復(fù)正常生產(chǎn)。

由此可見，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用具有多方面的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。無論是提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)流程還是保障生產(chǎn)安全，TSN技術(shù)都可以發(fā)揮重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場景的拓展，相信TSN技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

四、TSN的典型應(yīng)用場景分析

本文將典型的武器操控系統(tǒng)為例，根據(jù)其內(nèi)部組網(wǎng)特定需求，立足于分系統(tǒng)與總系統(tǒng)層面，探究怎樣運(yùn)用TSN提高控制系統(tǒng)所具備的智能化以及自動(dòng)化水平。圖1表現(xiàn)為TSN技術(shù)在武器控制系統(tǒng)分系統(tǒng)方面的潛在方案。對(duì)火控系統(tǒng)而言，其包含若干個(gè)功能模塊，不同模塊在以太網(wǎng)交換機(jī)的作用下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸交互。在協(xié)同分布式組件數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理以及控制的過程中，傳統(tǒng)方式為運(yùn)用硬件專線連接功能模塊和時(shí)鐘源，對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行周期性發(fā)送的方式達(dá)到同步。

但硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)帶外硬線連接涉及諸多不足之處，一方面接線復(fù)雜，若再增加冗余容錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度上升，不利于維護(hù)和管理。另一方面，單個(gè)組件如果丟失同步，無法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)。而運(yùn)用TSN的gPTP技術(shù)，能夠帶內(nèi)方式實(shí)現(xiàn)軟同步，讓時(shí)鐘同步和數(shù)據(jù)信息等，能夠基于交換網(wǎng)絡(luò)達(dá)到統(tǒng)一承載的效果，進(jìn)而簡化系統(tǒng)組件互連結(jié)構(gòu)，并提高診斷同步性。在gPTP的作用下，可以達(dá)到亞微秒級(jí)時(shí)間同步，除此之外，IEEE 802.1AS-2020還能夠支持許多不同類型的冗余容錯(cuò)機(jī)制，對(duì)火控系統(tǒng)可靠性、同步性以及實(shí)時(shí)性需求進(jìn)行滿足。

將TSN技術(shù)作為基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)融合方案，除了能夠有效支持網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)集成之外，還有利于集成子系統(tǒng)功能業(yè)務(wù)計(jì)算。此TSN組網(wǎng)方案主要將集中計(jì)算單位作為重點(diǎn)，例如供電與推進(jìn)系統(tǒng)的信息處理中心，建立并行傳輸骨干網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到冗余容錯(cuò)的效果，供電與推進(jìn)子系統(tǒng)終端結(jié)合部署需求，秉承就近接入原則，將TSN交換設(shè)備接入，關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息通過兩條并行路徑，往信息處理中心進(jìn)行傳送，以此達(dá)到冗余容錯(cuò)的效果，非關(guān)鍵和關(guān)鍵信息主要采取共網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，此方式不?huì)對(duì)關(guān)鍵信息傳輸服務(wù)質(zhì)量造成影響。在該方案的作用下，讓多子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與管理涉及的復(fù)雜性增大，讓各類終端組件能夠靈活地接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，方便集成計(jì)算功能，進(jìn)而通過軟件定義的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)的監(jiān)控管理以及維護(hù)升級(jí)。