上次文章討論到TSN所圖甚大，覺(jué)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(guó)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(lái)比較難，如何寫(xiě)的通俗易懂并非易事，勉力而為，還望高手留言指點(diǎn)錯(cuò)誤。

在ISO/OSI的Internet參考模型中將網(wǎng)絡(luò)分為七個(gè)層級(jí)，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(shí)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(lái)源:劉丹.TC124年會(huì)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(jí)代碼）和VLANID來(lái)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(huì)增加4個(gè)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(shí)別:網(wǎng)絡(luò)類型識(shí)別，代表這是一個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)記0X8100；

（2）優(yōu)先級(jí)代碼：三個(gè)優(yōu)先級(jí)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(gè)子網(wǎng)，說(shuō)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(gè)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(shí)以太網(wǎng)通常不采用交換機(jī)都是Hub透?jìng)鞣绞竭M(jìn)行，因?yàn)榻粨Q機(jī)有較大的延時(shí)，一方面，新的機(jī)制確保了延時(shí)的降低，而另一方面，交換機(jī)的成本也越來(lái)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)插入和解除，并在TSN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)通道按照分類傳輸，當(dāng)然，TSN交換機(jī)的時(shí)鐘同步機(jī)制和延遲測(cè)量更為嚴(yán)格，也區(qū)別于普通的交換機(jī)，對(duì)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(duì)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(shí)增加TSN標(biāo)簽，而離開(kāi)時(shí)則去掉VLAN標(biāo)簽，這樣通過(guò)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(jí)的定義

圖2中，PCP是優(yōu)先級(jí)代碼，在優(yōu)先級(jí)中定義了3位標(biāo)記，8個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)，這個(gè)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景進(jìn)行不同的匹配也是后續(xù)Shaper設(shè)計(jì)中會(huì)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(jí)代碼定義

通過(guò)TSN交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成實(shí)時(shí)控制域，也可以與非實(shí)時(shí)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(chǎng)景的數(shù)據(jù)傳輸方案，包括AVB面向汽車(chē)領(lǐng)域，IEC目前針對(duì)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(mén)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(gè)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(dòng)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(lái)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(gè)主要職責(zé)，數(shù)據(jù)封裝，媒體訪問(wèn)控制。

對(duì)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(duì)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(méi)有什么不同，而對(duì)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(huì)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(jiǎn)圖

接下來(lái)，我們可以了解一下以太網(wǎng)的延時(shí)測(cè)量與時(shí)鐘同步機(jī)制：

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)

對(duì)于TSN而言，其與其它實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)一致，比較重要的在于確保滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用而言，則聚焦于實(shí)時(shí)性，因?yàn)樗械目刂迫蝿?wù)都是基于“等時(shí)同步”機(jī)制而設(shè)計(jì)的，實(shí)時(shí)應(yīng)用主要是精確同步，確定的時(shí)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(gè)比較重要的指標(biāo)：

與主時(shí)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(shí)鐘域零故障切換時(shí)鐘

網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與計(jì)算

既然對(duì)于網(wǎng)絡(luò)而言，延時(shí)最為重要的考慮因素，那就簡(jiǎn)單了，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括橋接節(jié)點(diǎn)都帶塊表唄！不過(guò)，大家的表可不一定都是準(zhǔn)的?。?duì)于多個(gè)節(jié)點(diǎn)的主從/多主結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)而言，多個(gè)時(shí)間如何進(jìn)行同步就是一個(gè)問(wèn)題，比較廣泛的精確時(shí)鐘協(xié)議（PTP）是IEEE1588，當(dāng)然，IEEE1588也允許針對(duì)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(shí)鐘協(xié)議)就是為T(mén)SN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(kāi)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(shí)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(shí)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(duì)數(shù)據(jù)幀插入時(shí)間戳信息，并隨著數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)矫總€(gè)節(jié)點(diǎn)，用于進(jìn)行延時(shí)計(jì)算。

圖4-IEEE802.1As的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

對(duì)于整個(gè)gPTP網(wǎng)絡(luò)，可以間隔數(shù)秒鐘進(jìn)行一次全局對(duì)表，過(guò)多的對(duì)表就會(huì)導(dǎo)致時(shí)間被消耗在對(duì)表這個(gè)數(shù)據(jù)包上，而太長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)表則會(huì)導(dǎo)致時(shí)間產(chǎn)生偏差，影響網(wǎng)絡(luò)整體的時(shí)間精準(zhǔn)度，這個(gè)對(duì)于任何網(wǎng)絡(luò)而言都是一樣的。

時(shí)鐘同步過(guò)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(shí)間敏感），包括時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)鐘與GM時(shí)鐘同步，這由兩個(gè)過(guò)程完成，先由BMCA建立主/次結(jié)構(gòu)，每個(gè)gPTP設(shè)備運(yùn)行g(shù)PTP狀態(tài)機(jī)，由幾個(gè)gPTPUDPIPv4或IPv6多播和單播消息來(lái)建立適當(dāng)?shù)膶哟谓Y(jié)構(gòu)，然后同步時(shí)間，任何不能中繼（橋/終端節(jié)點(diǎn)）或同步定時(shí)消息的非時(shí)間敏感網(wǎng)橋（如普通交換機(jī)）都不參與BMCA時(shí)鐘生成樹(shù)協(xié)議。

BMCA-誰(shuí)的表最好？

BMCA是最佳時(shí)鐘計(jì)算算法（BestMasterClockAlgorithm），對(duì)于時(shí)間感知型網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均帶有一個(gè)時(shí)鐘，但是，必須選擇一個(gè)最佳的時(shí)鐘（BestClock），BCMA算法就是將各個(gè)節(jié)點(diǎn)所帶的時(shí)鐘參數(shù)進(jìn)行集中比較，然后表決選出最佳時(shí)鐘（往往是時(shí)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(gè)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(wèn)題的時(shí)候，大家都知道那塊VacheronConstantin不錯(cuò)，是次優(yōu)的表，但是，當(dāng)PartekPhilippe不在的時(shí)候，VacheronConstantin就可以接管MasterClock，這個(gè)重新選擇最佳時(shí)鐘的過(guò)程是非常快速的，因?yàn)椋喈?dāng)于已經(jīng)默認(rèn)了備份。

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

圖5-IEEE802.1AS的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

gPTP應(yīng)用快速生成樹(shù)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(gè)最優(yōu)路徑，這個(gè)由TSN橋接節(jié)點(diǎn)計(jì)算并以表格形式分發(fā)給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)，當(dāng)一個(gè)TSN節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，它會(huì)先檢查這個(gè)表格，就會(huì)給出哪個(gè)路徑是最短的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道應(yīng)該如何轉(zhuǎn)發(fā)，并整個(gè)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(shí)間信息，該時(shí)間信息包括從GM到上游CM的累積時(shí)間。對(duì)于全雙工以太網(wǎng)LAN，計(jì)算本地CS和直接CM對(duì)等體之間的路徑延遲測(cè)量并用于校正接收時(shí)間。在調(diào)整（校正）接收時(shí)間后，本地時(shí)鐘應(yīng)與gPTP域的GM時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)有RSTP生成樹(shù)所給出的路徑表。

802.1AS定義了多個(gè)場(chǎng)景中的延時(shí)測(cè)量機(jī)制，包括802.3全雙工的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、采用無(wú)源光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（EPON）的連接，針對(duì)IEEE802.11無(wú)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(chǎng)景的時(shí)鐘同步應(yīng)用

圖7-IEEE802.1AS-Rev的保障機(jī)制

對(duì)于IEEE802.1AS而言，會(huì)出現(xiàn)主時(shí)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(shí)鐘失效時(shí)快速切換到次優(yōu)時(shí)鐘作為主時(shí)鐘。

802.1AS的核心在于時(shí)間戳機(jī)制（Timestamping）。PTP消息在進(jìn)出具備802.1AS功能的端口時(shí)，會(huì)根據(jù)協(xié)議觸發(fā)對(duì)本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）的采樣，將自己的RTC值與來(lái)自該端口相對(duì)應(yīng)的主時(shí)鐘（Master）的信息進(jìn)行比較，利用路徑延遲測(cè)算和補(bǔ)償技術(shù)，將其RTC時(shí)鐘值匹配到PTP域的時(shí)間。當(dāng)PTP同步機(jī)制覆蓋了整個(gè)AVB局域網(wǎng)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備間就可以通過(guò)周期性的PTP消息的交換精確地實(shí)現(xiàn)時(shí)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(shí)間，即主節(jié)點(diǎn)時(shí)間。在最大7跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，理論上PTP能夠保證時(shí)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(shí)間感知網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘切換時(shí)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(shí)間同步的過(guò)程與IEEEStd1588-2008中采用相同的方式：主時(shí)鐘發(fā)送同步時(shí)間信息給所有直接與其連接的時(shí)間感知系統(tǒng)，這些時(shí)間感知系統(tǒng)在收到這個(gè)同步時(shí)間信息后必需通過(guò)加上信息從主時(shí)鐘傳播到本節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間來(lái)修正同步時(shí)間信息。如果這個(gè)時(shí)間感知系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)間感知網(wǎng)橋，則它必需轉(zhuǎn)發(fā)修正后的同步時(shí)間信息（包含額外的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程的延時(shí)）給與它連接的其他時(shí)間感知系統(tǒng)。

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

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

圖8-數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的延時(shí)

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

圖9就是一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)Requestor和Responder之間的測(cè)量過(guò)程：

圖9-標(biāo)準(zhǔn)的延時(shí)計(jì)算

在這個(gè)過(guò)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(shí)測(cè)量原理

圖10顯示的是測(cè)量路徑延時(shí)的方法，有1步和2步兩種，因?yàn)樵谶@個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘，對(duì)于時(shí)間感知型節(jié)點(diǎn)而言，由于時(shí)間信息是隨著數(shù)據(jù)載荷發(fā)送的，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)帶有時(shí)間信息，而對(duì)于有一些非時(shí)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(gè)發(fā)送的時(shí)間信息給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此，對(duì)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(shí)性得以提高-畢竟，多發(fā)一次也是要耗費(fèi)時(shí)間的。

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