上次文章討論到TSN所圖甚大，覺得有必要多研究和大家分享，但是，這方面的文獻(xiàn)目前似乎國內(nèi)還比較少，因此，看的都是英文資料并且都是比較技術(shù)細(xì)節(jié)的，像我這樣不懂技術(shù)的人看起來比較難，如何寫的通俗易懂并非易事，勉力而為，還望高手留言指點(diǎn)錯誤。

在ISO/OSI的Internet參考模型中將網(wǎng)絡(luò)分為七個層級，考慮到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的特殊性需求，通常，工業(yè)總線包括實(shí)時以太網(wǎng)僅包括三層結(jié)構(gòu)，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層.如圖1所示，TSN位于網(wǎng)絡(luò)的第2層。

圖1-TSN在七層架構(gòu)中的位置（來源:劉丹.TC124年會TSN技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用,2018-11,北京）

TSN幀與以太網(wǎng)幀有何不同？

TSN網(wǎng)絡(luò)是一種“流”概念構(gòu)成的，它包括了PCP（優(yōu)先級代碼）和VLANID來構(gòu)成。

TSN是在物理層（基于IEEE802.3）及MAC之上的VLAN(VirtualLocalAreaNetwork),與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀相比，基于TSN的網(wǎng)絡(luò)會增加4個字節(jié)用于定義其特征：

圖2-TSN的標(biāo)簽位定義

（1）標(biāo)簽協(xié)議識別:網(wǎng)絡(luò)類型識別，代表這是一個TSN網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)記0X8100；

（2）優(yōu)先級代碼：三個優(yōu)先級位

（3）標(biāo)志位：1位，0標(biāo)志規(guī)范格式，1非規(guī)范格式；

（4）VLANIdentifier：VLAN網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，12位代表可支持的子網(wǎng)數(shù)量，2的12次方留一位即2014個子網(wǎng)，說明TSN是為了大型的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的。

TSN可以理解為一個軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SoftwareDefinedNetwork），在第2層的物理實(shí)現(xiàn)之上增加了軟件定義的交換機(jī)制，并采用了橋接方式（Bridge），傳統(tǒng)的實(shí)時以太網(wǎng)通常不采用交換機(jī)都是Hub透傳方式進(jìn)行，因?yàn)榻粨Q機(jī)有較大的延時，一方面，新的機(jī)制確保了延時的降低，而另一方面，交換機(jī)的成本也越來越低，TSN數(shù)據(jù)幀與普通以太網(wǎng)幀的區(qū)別就在于增加了上述的4個字節(jié)的數(shù)據(jù)插入和解除，并在TSN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對數(shù)據(jù)通道按照分類傳輸，當(dāng)然，TSN交換機(jī)的時鐘同步機(jī)制和延遲測量更為嚴(yán)格，也區(qū)別于普通的交換機(jī)，對于TSN不僅橋接節(jié)點(diǎn)可以打標(biāo)簽，而且終端節(jié)點(diǎn)（EndPoint）也可以對數(shù)據(jù)幀打上TSN標(biāo)簽。

在TSN交換機(jī)中，當(dāng)數(shù)據(jù)由上位進(jìn)入該網(wǎng)絡(luò)時增加TSN標(biāo)簽，而離開時則去掉VLAN標(biāo)簽，這樣通過數(shù)據(jù)標(biāo)簽就可以使得TSN交換機(jī)實(shí)現(xiàn)在不同網(wǎng)絡(luò)間的切換。

優(yōu)先級的定義

圖2中，PCP是優(yōu)先級代碼，在優(yōu)先級中定義了3位標(biāo)記，8個不同的優(yōu)先級，這個會對網(wǎng)絡(luò)場景進(jìn)行不同的匹配也是后續(xù)Shaper設(shè)計(jì)中會考慮到數(shù)據(jù)流調(diào)度因素。

表1-TSN網(wǎng)絡(luò)的PCP優(yōu)先級代碼定義

通過TSN交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成實(shí)時控制域，也可以與非實(shí)時域的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，這使得網(wǎng)絡(luò)變得更為靈活，在交換機(jī)內(nèi)構(gòu)建不同的Shaper，可以實(shí)現(xiàn)不同用應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)傳輸方案，包括AVB面向汽車領(lǐng)域，IEC目前針對TSNIA的60802規(guī)約，以及在航空航天領(lǐng)域的AS6802規(guī)約—關(guān)于Shaper-整形器，它是構(gòu)成TSN的核心機(jī)制，將在第3部分專門講述。

以太網(wǎng)交換機(jī)的機(jī)制

通常而言，TSN交換機(jī)分為兩個部分，即控制層面（ControlPlane）和數(shù)據(jù)層面（DataPlane），控制平面主要采用軟件實(shí)現(xiàn)自動配置特性和服務(wù)，而數(shù)據(jù)平面則解決MAC和轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，采用硬件來實(shí)現(xiàn)。

LLC處理底層與上層之間的通信，獲得網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)并增加控制信息以便有助于數(shù)據(jù)被傳輸至目標(biāo)。MAC構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路層的低層子層，由硬件實(shí)現(xiàn)，典型的是計(jì)算機(jī)NIC，兩個主要職責(zé)，數(shù)據(jù)封裝，媒體訪問控制。

對于支持橋接連接的TSN交換機(jī)而言，其處理數(shù)據(jù)的包括入口處理以下任務(wù)：

入口的任務(wù)包括：濾波，（去）標(biāo)記,VID翻譯,解包/封裝

Relay實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)，濾波任務(wù)

出口則實(shí)現(xiàn)濾波,(去)標(biāo)記，VID翻譯,封裝/解包,計(jì)量,排列,傳輸選擇。

對于普通的以太網(wǎng)即是如此實(shí)現(xiàn)，在這一點(diǎn)上，TSN與普通交換機(jī)沒有什么不同，而對于TSN而言，在控制面板（ControlPanel）方面則實(shí)現(xiàn)了其它我們后續(xù)會講到的控制（整形器）的調(diào)度設(shè)計(jì)。

圖3-TSN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)簡圖

接下來，我們可以了解一下以太網(wǎng)的延時測量與時鐘同步機(jī)制：

實(shí)時網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)

對于TSN而言，其與其它實(shí)時網(wǎng)絡(luò)一致，比較重要的在于確保滿足各種應(yīng)用場景，對于工業(yè)應(yīng)用而言，則聚焦于實(shí)時性，因?yàn)樗械目刂迫蝿?wù)都是基于“等時同步”機(jī)制而設(shè)計(jì)的，實(shí)時應(yīng)用主要是精確同步，確定的時延和確定的帶寬，具體到TSN的IA，即60802而言，則定義了以下幾個比較重要的指標(biāo)：

與主時鐘的最大偏差范圍在100nS到1微秒

支持冗余的同步主站和域

在冗余工作時鐘域零故障切換時鐘

網(wǎng)絡(luò)延時與計(jì)算

既然對于網(wǎng)絡(luò)而言，延時最為重要的考慮因素，那就簡單了，給每個節(jié)點(diǎn)包括橋接節(jié)點(diǎn)都帶塊表唄！不過，大家的表可不一定都是準(zhǔn)的啊！對于多個節(jié)點(diǎn)的主從/多主結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)而言，多個時間如何進(jìn)行同步就是一個問題，比較廣泛的精確時鐘協(xié)議（PTP）是IEEE1588，當(dāng)然，IEEE1588也允許針對特殊應(yīng)用需求的協(xié)議，如IEEE802.1Q工作組定義的IEEE802.1AS的gPTP(廣義精確時鐘協(xié)議)就是為TSN橋接網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，為了進(jìn)一步滿足工業(yè)中的可靠性需求，又開發(fā)了IEEE8201.1AS-Rev版本。

gPTP廣義精確始終同步

IEEE802.1AS就是采用了廣義精確時鐘同步協(xié)議（gPTP），與PTP相比而言，gPTP為嚴(yán)苛?xí)r間感知網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，用于分發(fā)時鐘，PTP可以基于MAC層，也可以基于IPV4/IPV6而傳輸?shù)?，即，它可以在?-4層的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，而gPTP集成在MAC硬件中，只在第2層工作，直接對數(shù)據(jù)幀插入時間戳信息，并隨著數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)矫總€節(jié)點(diǎn)，用于進(jìn)行延時計(jì)算。

圖4-IEEE802.1As的時鐘結(jié)構(gòu)

對于整個gPTP網(wǎng)絡(luò)，可以間隔數(shù)秒鐘進(jìn)行一次全局對表，過多的對表就會導(dǎo)致時間被消耗在對表這個數(shù)據(jù)包上，而太長時間的對表則會導(dǎo)致時間產(chǎn)生偏差，影響網(wǎng)絡(luò)整體的時間精準(zhǔn)度，這個對于任何網(wǎng)絡(luò)而言都是一樣的。

時鐘同步過程

通常，gPTP系統(tǒng)是由分布式和互連的gPTP和非gPTP設(shè)備組成（非時間敏感），包括時間感知橋（Bridge）和終端節(jié)點(diǎn)（EndPoint），非gPTP設(shè)備不支持分布式網(wǎng)絡(luò)中的時間同步，gPTP是一種分布式協(xié)議，它使用主/從架構(gòu)將pPTP域所有設(shè)備的實(shí)時時鐘與GM時鐘同步，這由兩個過程完成，先由BMCA建立主/次結(jié)構(gòu)，每個gPTP設(shè)備運(yùn)行g(shù)PTP狀態(tài)機(jī)，由幾個gPTPUDPIPv4或IPv6多播和單播消息來建立適當(dāng)?shù)膶哟谓Y(jié)構(gòu)，然后同步時間，任何不能中繼（橋/終端節(jié)點(diǎn)）或同步定時消息的非時間敏感網(wǎng)橋（如普通交換機(jī)）都不參與BMCA時鐘生成樹協(xié)議。

BMCA-誰的表最好？

BMCA是最佳時鐘計(jì)算算法（BestMasterClockAlgorithm），對于時間感知型網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)均帶有一個時鐘，但是，必須選擇一個最佳的時鐘（BestClock），BCMA算法就是將各個節(jié)點(diǎn)所帶的時鐘參數(shù)進(jìn)行集中比較，然后表決選出最佳時鐘（往往是時鐘精度最高的）--這就像一群人都帶了快表，各自拿出表，你的表是普通的梅花表，我是Omega，它是VacheronConstantin，最后有一個人拿出PartekPhilippe大家一致認(rèn)為你的表最好，你就是MasterClock，當(dāng)你的表出現(xiàn)問題的時候，大家都知道那塊VacheronConstantin不錯，是次優(yōu)的表，但是，當(dāng)PartekPhilippe不在的時候，VacheronConstantin就可以接管MasterClock，這個重新選擇最佳時鐘的過程是非?？焖俚?，因?yàn)椋喈?dāng)于已經(jīng)默認(rèn)了備份。

時間感知網(wǎng)絡(luò)利用對等路徑延遲機(jī)制。計(jì)算停留時間，即橋內(nèi)的入口到出口處理，排隊(duì)和傳輸時間，以及鏈路延遲。

圖5-IEEE802.1AS的時鐘結(jié)構(gòu)

gPTP應(yīng)用快速生成樹RSTP，這是一種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃，網(wǎng)絡(luò)配置后生成一個最優(yōu)路徑，這個由TSN橋接節(jié)點(diǎn)計(jì)算并以表格形式分發(fā)給每個終端節(jié)點(diǎn)存儲，當(dāng)一個TSN節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，它會先檢查這個表格，就會給出哪個路徑是最短的，每個節(jié)點(diǎn)都知道應(yīng)該如何轉(zhuǎn)發(fā)，并整個網(wǎng)絡(luò)與最短路徑傳送至需要接收的節(jié)點(diǎn)。

例如，在圖5中，最左下方的802.1AS端點(diǎn)從上游CM接收時間信息，該時間信息包括從GM到上游CM的累積時間。對于全雙工以太網(wǎng)LAN，計(jì)算本地CS和直接CM對等體之間的路徑延遲測量并用于校正接收時間。在調(diào)整（校正）接收時間后，本地時鐘應(yīng)與gPTP域的GM時鐘同步，當(dāng)然，TSN網(wǎng)絡(luò)也是支持交叉通信的，就在于每個節(jié)點(diǎn)都會有RSTP生成樹所給出的路徑表。

802.1AS定義了多個場景中的延時測量機(jī)制，包括802.3全雙工的點(diǎn)對點(diǎn)連接、采用無源光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（EPON）的連接，針對IEEE802.11無線連接方式，以及通用協(xié)調(diào)共享網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

圖6-IEEE802.1AS定義多種場景的時鐘同步應(yīng)用

圖7-IEEE802.1AS-Rev的保障機(jī)制

對于IEEE802.1AS而言，會出現(xiàn)主時鐘失效的可能性，而這是IEEE802.1TSN工作組制定的一種機(jī)制，它與AS的區(qū)別主要在于在主時鐘失效時快速切換到次優(yōu)時鐘作為主時鐘。

802.1AS的核心在于時間戳機(jī)制（Timestamping）。PTP消息在進(jìn)出具備802.1AS功能的端口時，會根據(jù)協(xié)議觸發(fā)對本地實(shí)時時鐘（RTC）的采樣，將自己的RTC值與來自該端口相對應(yīng)的主時鐘（Master）的信息進(jìn)行比較，利用路徑延遲測算和補(bǔ)償技術(shù)，將其RTC時鐘值匹配到PTP域的時間。當(dāng)PTP同步機(jī)制覆蓋了整個AVB局域網(wǎng)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備間就可以通過周期性的PTP消息的交換精確地實(shí)現(xiàn)時鐘調(diào)整和頻率匹配算法。最終，所有的PTP節(jié)點(diǎn)都將同步到相同的“掛鐘”（WallClock）時間，即主節(jié)點(diǎn)時間。在最大7跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，理論上PTP能夠保證時鐘同步誤差在1μs以內(nèi)。

IEEE802.1AS-Rev主要是在支持新的連接類型（如Wi-fi）、改善冗余路徑的支持能力、增強(qiáng)了時間感知網(wǎng)絡(luò)的主時鐘切換時間等性能，為了更為嚴(yán)苛的網(wǎng)絡(luò)需求而設(shè)計(jì)，但是，主要原理均與AS相同。

延遲的計(jì)算

在gPTP中，時間同步的過程與IEEEStd1588-2008中采用相同的方式：主時鐘發(fā)送同步時間信息給所有直接與其連接的時間感知系統(tǒng)，這些時間感知系統(tǒng)在收到這個同步時間信息后必需通過加上信息從主時鐘傳播到本節(jié)點(diǎn)的傳輸時間來修正同步時間信息。如果這個時間感知系統(tǒng)是一個時間感知網(wǎng)橋，則它必需轉(zhuǎn)發(fā)修正后的同步時間信息（包含額外的轉(zhuǎn)發(fā)過程的延時）給與它連接的其他時間感知系統(tǒng)。

為了保證上述過程正常工作，這個過程中有兩個時間間隔必需是精確已知的：一個是轉(zhuǎn)發(fā)延時（稱作，駐留時間），另一個是同步時間信息在兩個時間感知系統(tǒng)之間的傳輸路徑上的延時。駐留時間的測量是在時間感知網(wǎng)橋內(nèi)部的，測量計(jì)算比較簡單；而傳輸路徑上的延時則取決于諸多因素，包括介質(zhì)相關(guān)的屬性和路徑長度等。

如圖8所示，為在MAC中的內(nèi)部延時，以及在接收發(fā)送端口的延時，這些延時可以被精確計(jì)算。

圖8-數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時

對于每一類型的局域網(wǎng)或傳輸路徑有不同的方法來測量傳播時間，但是這些方法都基于同一原理：測量從一個設(shè)備發(fā)送某個消息的時間以及另一個設(shè)備接收到此消息的時間，然后以相反方向發(fā)送另一個消息并執(zhí)行相同的測量，如圖9和圖10所示。

圖9就是一個終端節(jié)點(diǎn)Requestor和Responder之間的測量過程：

圖9-標(biāo)準(zhǔn)的延時計(jì)算

在這個過程中，我們可以計(jì)算Pdelay的值如下公式：

而其比率r則如下式：

圖10-1次與2次方式的延時測量原理

圖10顯示的是測量路徑延時的方法，有1步和2步兩種，因?yàn)樵谶@個網(wǎng)絡(luò)中可能有一個節(jié)點(diǎn)無法提供準(zhǔn)確的時鐘，對于時間感知型節(jié)點(diǎn)而言，由于時間信息是隨著數(shù)據(jù)載荷發(fā)送的，因此，每個節(jié)點(diǎn)都會帶有時間信息，而對于有一些非時間感知網(wǎng)絡(luò)，則需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀后再發(fā)送一個發(fā)送的時間信息給另一個節(jié)點(diǎn)，因此，對于IEEE802.1AS-Rev而言，是增強(qiáng)了在oneStep這種機(jī)制的支持，使得實(shí)時性得以提高-畢竟，多發(fā)一次也是要耗費(fèi)時間的。

關(guān)于TSN技術(shù)，下一次會就TSN關(guān)鍵的Shaper整形器進(jìn)行介紹