解析时间敏感网络TSN（一）

kaller_cui 2020-06-17

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时间敏感网络（TSN：TimeSensitive Networking ）指的是IEEE802.1工作组中的TSN任务组正在开发的一套协议标准。该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保以太网能够为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。

一、TSN标准之诞生

众所周知，通用以太网是以非同步方式工作的，网络中任何设备都可以随时发送数据，因此在数据的传输时间上既不精准也不确定；同时，广播数据或视频等大规模数据的传输，也会因网络负载的增加而导致通讯的延迟甚至瘫痪。因此，通用以太网技术仅仅是解决了许多设备共享网络基础设施和数据连接的问题，但却并没有很好的实现设备之间实时、确定和可靠的数据传输。

出于对设备控制性能的要求，工业制造领域比较早地意识到了这一点，于是从上世纪末开始，业内多家协议组织（如：PI、ODVA、ETG、ESPG）分别基于原有的现场总线技术开发出各自的实时工业以太网协议，并将其应用到工业制造现场。

不过，我们真的很难将这些所谓的工业以太网协议称为“标准”。尽管它们普遍有着相似的用户需求和细分市场，但实际上相互之间的生态系统却有着极大的差异。它们中大多会通过一个组织运营，而在其身后则有着来自市场中某个主流玩家的引导和资助。用户和制造商在产品设计、制造、运行、诊断，维护和使用过程中的每个环节都需要面临不同的技术方案，例如：芯片、主板、连接器、线缆、软件等等，这无疑会带来技术实施的复杂性和成本的增加。

另外，随着工业互联网进程的推进，工业制造系统正在变得越来越庞大，各类设备间的互联互通也开始变得越来越重要，这几乎将成为智能制造成功的关键。然而多种以太网协议的并存却恰恰成了这其中的一个巨大障碍。因为我们真的很难想象在制造业现场从信息、控制、传感和执行机构等各个层面会只使用来自某一家/或一个组织的产品系统和解决方案，而与此同时这些总线系统之间却基本谈不上有什么兼容性和互操作性。

所以，在工业制造领域长期以来一直迫切需要有一种具备时间确定性的通用以太网技术。然而事实上，这样的需求，却不仅仅是来自于工业制造行业。比如在音频视频领域或汽车行业，多通道数据的同步传输也需要有一种可靠的、具备时间确定性的网络通讯技术，以帮助简化复杂系统中的线路敷设。

2006年，IEEE802.1工作组成立AVB音频视频桥接任务组，并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。这一点立刻受到来自汽车和工业等领域人士的关注。2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，并同时将任务组名称改为现在的：TSN任务组。

所以，TSN其实指的是在IEEE802.1标准框架下，基于特定应用需求制定的一组“子标准”，旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间确定性，如图1所示。而既然是隶属于IEEE802.1下的协议标准，TSN就仅仅是关于以太网通讯协议模型中的第二层，也就是数据链路层（更确切的说是MAC层）的协议标准。请注意，是一套协议标准，而不是一种协议，就是说TSN将会为以太网协议的MAC层提供一套通用的时间敏感机制，在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时，为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。