一、tsn：新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
1、具有確定性時(shí)延以及多協(xié)議傳輸能力
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(time sensitive networking，tsn) ，是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)的新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它以傳統(tǒng)以太 網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，通過時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置等機(jī)制，提供確定性數(shù)據(jù)傳輸能力的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范。與傳 統(tǒng)以太網(wǎng)相比，tsn 能夠微秒級確定性服務(wù)，降低整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù) (it)與運(yùn)營技術(shù)(ot)融合， 其具有精準(zhǔn)的時(shí)鐘同步能力，確定性流量調(diào)度能力，以及智能開放的運(yùn)維管理架構(gòu)，可以保證多種業(yè)務(wù)流量的共網(wǎng)高 質(zhì)量傳輸，兼具性能及成本優(yōu)勢，是未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。
tsn 的出現(xiàn)主要解決了五大問題 1）流量傳輸不確定性：傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用“盡力而為”的傳輸方式，導(dǎo)致其在傳輸數(shù)據(jù)的延時(shí)波動較大，且具有極高 的不確定性，與商業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)擁堵的態(tài)度不同，工業(yè)、汽車醫(yī)療等領(lǐng)域一旦出現(xiàn)嚴(yán)重網(wǎng)絡(luò)問題則有可能導(dǎo)致 致命后果或巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此上述等領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)卡頓、延時(shí)容忍度極低，tsn 的出現(xiàn)為解決上述領(lǐng)域的應(yīng)用問題提 供了可行的解決方案，并衍生出了多種協(xié)議，為工業(yè)、車載等領(lǐng)域提供了多樣的選擇。
2）時(shí)間同步：具有精準(zhǔn)的時(shí)鐘同步能力在對時(shí)間敏感的領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間。 3）通信協(xié)議不統(tǒng)一：在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中通常不同的設(shè)備會使用不同的通信協(xié)議，而不同的通信協(xié)議之間難以實(shí)現(xiàn)直接的 互聯(lián)互通，tsn 旨在提升以太網(wǎng)的性能，使其更具備確定性、魯棒性、可靠性，通過 ieee802 網(wǎng)絡(luò)保證數(shù)據(jù)包的延 遲、抖動、丟包，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量的統(tǒng)一承載。
4）網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)配置：大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)的配置需要在網(wǎng)絡(luò)停止運(yùn)行期間進(jìn)行，這對于工業(yè)控制等應(yīng)用來說難以實(shí)現(xiàn)。tsn 通 過 ieee 802.1qcc 引入集中網(wǎng)絡(luò)控制器（centr alized network configuration，cnc）和集中用戶控制器（centralized user configuration， cuc）來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)配置，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)靈活地配置新的設(shè)備和數(shù)據(jù)流。 5）安全：tsn 利用 ieee 802.1qci 對輸入交換機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和管控，對不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行阻攔，能 及時(shí)隔斷外來入侵?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全，也能與其他安全協(xié)議協(xié)同使用，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的安全性能。
2、tsn發(fā)展歷史：不斷提高確定性
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（tsn），工業(yè)、車載互聯(lián)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低延時(shí)、高確定性的信息傳輸方法之一。tsn技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：1）傳統(tǒng)以太網(wǎng)階段。以太網(wǎng)最早于上世紀(jì)80年代開始被逐漸引入辦公領(lǐng)域，并由于10mbps的高吞吐量而迅速實(shí)現(xiàn)普及。以太網(wǎng)使用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，帶寬有多個(gè)設(shè)備共享，采用“best effort”的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制也使得在以太網(wǎng)在處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作時(shí)采用盡可能發(fā)送更多的數(shù)據(jù)而并不考慮數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，在大量數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵，從本質(zhì)上缺乏確定性和實(shí)時(shí)性，雖然傳統(tǒng)二層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)引入了優(yōu)先級機(jī)制，三層網(wǎng)絡(luò)也已內(nèi)置了服務(wù)質(zhì)量（quality of service，qos）機(jī)制，但實(shí)時(shí)流量和傳統(tǒng) tcp流量的資源競爭導(dǎo)致時(shí)延和抖動過多，致使傳統(tǒng)的以太網(wǎng)不能滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸需求。
2）avb 階段。與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比，avb 擁有確定性延時(shí)的優(yōu)勢。avb 全稱音視頻橋接技術(shù)，一般用于汽車多媒體設(shè)備之間的 信息傳輸。avb 工作組致力于解決音頻視頻數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)介質(zhì)上傳輸時(shí)的時(shí)延較高、抖動較大、傳輸不確定等問 題。由于多媒體應(yīng)用場景下視頻與音頻、字幕等信息有較高的時(shí)間同步要求，因此傳統(tǒng)的以太網(wǎng)較難滿足在音視 頻應(yīng)用場景下有較高的不確定性。avb 在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過引入傳輸時(shí)間策略，保證了各項(xiàng)數(shù)據(jù)上的時(shí)間上的 同步。
3）tsn 階段。工業(yè)與汽車領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)以太網(wǎng)的需求快速增長刺激 tsn 技術(shù)的發(fā)展。美國汽車工程師協(xié)會以 ttethernet為基礎(chǔ)推出了as6802標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將傳統(tǒng)以太網(wǎng)“best effort”傳輸方式所具備的靈活性與時(shí)間敏感的實(shí)時(shí)性、確定 性等特點(diǎn)相結(jié)合，具有支持不同類型的應(yīng)用的能力。ieee受到as6802標(biāo)準(zhǔn)推出的刺激，在 2012 年正式將 avb 任務(wù)組改名為 tsn 工作組，在原avb技術(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)針對車載、專業(yè)音頻、工業(yè)自動化以及移動通信等領(lǐng)域 進(jìn)行了實(shí)時(shí)通信、時(shí)鐘同步、低延時(shí)、高質(zhì)量的信息傳輸進(jìn)行了一系列的開發(fā)。
詳細(xì)來講，tsn 具有以下目標(biāo)： 針對交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文時(shí)延得到保障；時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流和非時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流可以混合傳輸，并且非時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流 的傳輸不會影響時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流的傳輸時(shí)延；多種高層協(xié)議可以共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施， 即多種協(xié)議的負(fù)載可以同時(shí) 在網(wǎng)絡(luò)中傳輸；網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤可以通過在源頭獲得精確的信息，從而快速地確診和修復(fù)。
當(dāng)前 tsn 已逐漸發(fā)展成為了被行業(yè)組織認(rèn)證的廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前國內(nèi)外已經(jīng)有眾多組織以及企業(yè)在積極推動 tsn 的發(fā)展，包括 abb、b&r、bosch rexroth、cisco、ge、ni、kuka、parker、phoenix、schneider、sew、 tttech 等主流的自動化與 it 廠商以及 epsg、cc-bbbb 等協(xié)會也在積極參與 tsn 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。
3、tsn技術(shù)：位于osi模型第二層，已具備多種協(xié)議供下游選擇適配
tsn 是 ieee802.1 工作組開發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，位于 osi 七層模型中的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），它為以太網(wǎng)協(xié)議的 mac 層增加了一套通用的時(shí)間敏感機(jī)制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時(shí)間確定性的同時(shí)，也為不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)提供了統(tǒng) 一的鏈路架構(gòu)。
（1）tsn 與以太網(wǎng)。tsn 兼容以太網(wǎng)，是對傳統(tǒng)以太網(wǎng)的一次重要技術(shù)變革。tsn 是符合 ieee802.1q 標(biāo)準(zhǔn)的 vlan，在標(biāo)準(zhǔn)的以太幀 中插入 4 個(gè)字節(jié)長度的 vlan tag。tsn 通過 vlan tag 中的 pcp（priority code point）和 vid（vlan id）定義流 的不同優(yōu)先級。現(xiàn)有以太網(wǎng)鏈路層的設(shè)備需要做改變來支持 tsn 特性，涉及到的主要設(shè)備是：網(wǎng)卡、網(wǎng)橋、交換機(jī)。tsn 除了時(shí)鐘 特性設(shè)置外，其它功能與 vlan 的網(wǎng)絡(luò)配置類似，通過不同維度的幀流量劃分，來實(shí)現(xiàn)幀的優(yōu)先級和冗余路徑，因此， 要構(gòu)建一個(gè) tsn 網(wǎng)絡(luò)，需要滿足以下條件：1）使用支持 tsn 特性的計(jì)算機(jī)終端網(wǎng)卡、網(wǎng)橋或交換機(jī)設(shè)備；2）配置 tsn 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
（2）tsn 協(xié)議族：各有利弊。tsn 協(xié)議族圍繞時(shí)間同步、低延遲、可靠性（安全性）、資源管理四個(gè)角度解決時(shí)間相關(guān)的問題。tsn 基于高精度 時(shí)間同步協(xié)議（ptp），在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間創(chuàng)建和分發(fā)一個(gè)時(shí)間計(jì)劃表，將計(jì)劃內(nèi)的幀優(yōu)先傳輸，主要是通過時(shí)間感知 整形（流量調(diào)度）、搶占幀、預(yù)留帶寬、多鏈路冗余幀等多種機(jī)制完成，并產(chǎn)生了不同的協(xié)議種類。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)使用需求促進(jìn)著其技術(shù)的飛速發(fā)展，ieee 802.1 工作組下的 tsn 任務(wù)組以及其他組織在不斷推進(jìn)著 有關(guān)草案和標(biāo)準(zhǔn)的制定與發(fā)布。
（1） 時(shí)間同步（time synchronization）代表性協(xié)議：ieee802.1as。ieee 802.1as 標(biāo)準(zhǔn)是 ieee std 1588 精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議（precision time protocol，ptp）的特定配置文件， 定義了廣義精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議（generalized ptp，gptp），并擁有更簡潔易操作的選項(xiàng)和功能。ieee 802.1as 通過在 gptp 域的時(shí)間感知系統(tǒng)之間傳遞相關(guān)時(shí)間事件消息來完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的同步。gptp 與 ptp 的同步機(jī)制類似，利用最佳主時(shí)鐘算法（best master clock algorithm，bcma）在網(wǎng)絡(luò)中選擇主時(shí)鐘并建 立同步時(shí)鐘樹，然后利用對等路徑時(shí)延測量機(jī)制計(jì)算主從時(shí)鐘端口間的時(shí)間誤差來進(jìn)行同步。最新版本的 ieee802.1as 的無縫切換功能能夠?qū)崿F(xiàn)在主時(shí)鐘出現(xiàn)問題的情況下能夠快速切換到冗余時(shí)鐘，達(dá)到無縫 切換冗余時(shí)鐘的效果。
（2） 低延時(shí)代表性協(xié)議：ieee802.1qva/ ieee802.1qch。qva 在網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的時(shí)候很難解決延時(shí)等問題。qva 是早期在 avb 中被經(jīng)常采用的協(xié)議，主要功能在于能 夠?qū)崿F(xiàn)在突發(fā)的很大量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)能夠做平衡的處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速輸出音視頻的數(shù)據(jù)，達(dá)到比較順暢的播 放效果。但 qva 在網(wǎng)絡(luò)變的非常復(fù)雜的情況下會難以解決時(shí)間延時(shí)的問題。
qch 的推出解決了 qva 在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下對延時(shí)控制效果不佳的問題。ieee 用 qch 自行設(shè)定周期保證每一 跳之間最大的延時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的增加，通過計(jì)算每一跳的最大延時(shí)就能計(jì)算出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最 大時(shí)延，保證了時(shí)延的確定性。但 qch 也存在一定的問題，數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機(jī)的時(shí)候整幀數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完 成的時(shí)候會一直占用這個(gè)端口，發(fā)送完成后其他數(shù)據(jù)才允許發(fā)送，所以如果一幀數(shù)據(jù)通過交換機(jī)設(shè)定時(shí)間 過短的話很有可能會被網(wǎng)絡(luò)本身設(shè)定的干擾幀干擾到，qch 設(shè)定的發(fā)送周期可能不足，從而違背設(shè)計(jì)初衷。
（3） ieee802.1 qbv/qbu：周期性數(shù)據(jù)傳輸解決方案。qbv 適用于周期性數(shù)據(jù)流的發(fā)送和控制。qbv 是時(shí)間感知整形的一種數(shù)據(jù)發(fā)送方式，其通過閥門（gate） 開關(guān)來控制流量的流入流出，并將每一個(gè)數(shù)據(jù)包都根據(jù)時(shí)間進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)在特定的時(shí)間讓特定的數(shù)據(jù)包 通過并阻止其他數(shù)據(jù)包的傳輸以防止傳輸通道被占用，防止了網(wǎng)絡(luò)堵塞的可能，因此保證了周期性數(shù)據(jù)傳 輸?shù)臅r(shí)效性。
qbv 仍然存在被干擾幀影響傳輸效果的可能性，需要引入保護(hù)區(qū)（guard band）機(jī)制。如果干擾幀在發(fā) 送期間同時(shí)到了需要發(fā)送周期性數(shù)據(jù)則會導(dǎo)致周期性數(shù)據(jù)的發(fā)送失敗，導(dǎo)致相應(yīng)數(shù)據(jù)無法在預(yù)定的時(shí)間內(nèi) 傳輸，因此需要設(shè)置一個(gè)與干擾幀大小相同的 guard band。guard band 會保證期間進(jìn)入的一個(gè)數(shù)據(jù)幀 發(fā)送完成，在該數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成之后 guard band 會禁止后續(xù)的除關(guān)鍵數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)幀發(fā)送，這樣就保 證了關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)效性。
qbu 分片將干擾幀分成小塊，既滿足了傳輸?shù)臅r(shí)效性要求，也能較好的提高帶寬利用率。qbv 雖然能保 護(hù)關(guān)鍵流量免受其他網(wǎng)絡(luò)流量的干擾，但不一定帶來最佳的帶寬利用率和最小的通信時(shí)延。在支持 qbu 幀搶占的鏈路上，允許中斷非關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀或者巨型幀的傳輸，并優(yōu)先傳輸時(shí)間關(guān)鍵幀，然后在不 丟棄先前傳輸?shù)姆顷P(guān)鍵幀片段的情況下恢復(fù)傳輸中斷的數(shù)據(jù)，一個(gè)非關(guān)鍵的數(shù)據(jù)幀可以被多次搶占。在應(yīng) 用保護(hù)帶機(jī)制時(shí)，幀搶占能有效減小保護(hù)帶的最大長度，縮短信道空閑時(shí)間。幀搶占機(jī)制在保證關(guān)鍵型數(shù) 據(jù)確定性低時(shí)延的同時(shí)，也提供了更細(xì)粒度的服務(wù)質(zhì)量，提高了帶寬利用率。qch 也可以與 qbv 相結(jié)合，引入 guard band 以及干擾幀分片機(jī)制，解決關(guān)鍵數(shù)據(jù)卡頓以及網(wǎng)絡(luò)帶寬資 源利用率低的問題。
（4） ieee802.1 cb：冗余鏈路發(fā)送方式。802.1 cb 是通過設(shè)置冗余鏈路發(fā)送冗余幀，通過兩條不同的鏈路發(fā)送關(guān)鍵數(shù)據(jù)幀，在某一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消除。 類似于將重要文件復(fù)制多份，然后通過 a、b、c 三條路徑同時(shí)運(yùn)送，三條路徑中一旦有一條路徑按時(shí)成 功達(dá)到即可視為傳輸任務(wù)完成，達(dá)到可靠性比較高的需求，同時(shí)銷毀其他復(fù)制文件，也可與 ieee 802.1qcc 等協(xié)議結(jié)合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫冗余和快速恢復(fù)。
（5） ieee 802.1qca 路徑控制和預(yù)留。ieee 802.1qca 的路徑控制和預(yù)留（path control and reservation，pcr）機(jī)制基于中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)（intermediate system to intermediate system，is-is）的擴(kuò)展承載時(shí)間同步和調(diào)度控制信息，為數(shù)據(jù)流 提供顯式路徑轉(zhuǎn)發(fā)控制，并允許使用非最短路徑。pcr 提前為每個(gè)流預(yù)定義受保護(hù)路徑的設(shè)置、帶寬預(yù) 留和冗余（保護(hù)或恢復(fù)）， 為數(shù)據(jù)流提供彈性的控制機(jī)制。
ieee 802.1qca 標(biāo)準(zhǔn)基于最短路徑橋接（shortest path bridging，spb）協(xié)議并結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò) （software-defined network，sdn）來完成路徑控制和預(yù)留。位于數(shù)據(jù)平面的 is-is 協(xié)議用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓 撲和計(jì)算基本路徑等，位于控制平面中的路徑計(jì)算元件（path computation element，pce）用于管理顯 式路徑，pce 與資源預(yù)留協(xié)議（srp）交互以沿著顯式路徑預(yù)留資源。此外 pce 可以管理顯式路徑的 冗余，從而利用備用路徑在現(xiàn)實(shí)路徑上提供保護(hù)和恢復(fù)。
（6） ieee 802.1qci 逐流過濾和監(jiān)管。當(dāng)輸入 tsn 交換機(jī)的數(shù)據(jù)幀不符合要求時(shí)，不僅會影響關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸，還可能危害網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全。 ieee 802.1qci 定義的逐流過濾和監(jiān)管（per-stream filtering and policing，psfp）基于規(guī)則匹配過濾和 監(jiān)控每個(gè)輸入設(shè)備的流，防止端點(diǎn)或網(wǎng)橋上的軟件錯(cuò)誤，抵御惡意設(shè)備和攻擊（如 dos 等）。
（7） 流管理。ieee 802.1qcc 提供了對 ieee 802.1qat 流預(yù)留協(xié)議（stream reservation protocol，srp）的增強(qiáng)和全 局管理與控制網(wǎng)絡(luò)的工具，支持靜態(tài)或動態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置，通過減少預(yù)留消息的大小和頻率改善原有的 srp， 僅通過鏈路狀態(tài)或預(yù)留變化來觸發(fā)更新。
ieee 802.1qcc 提供了 tsn 應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)組件之間的用戶網(wǎng)絡(luò)接口（user network interface，uni）。 網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行之前，集中用戶配置（cuc）會向網(wǎng)絡(luò)集中控制器（cnc）發(fā)起檢索網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)湔埱螅?cnc 遍歷網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜髮⒔Y(jié)果返回至 cuc。cuc 接收網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜箝_始收集網(wǎng)絡(luò)資源需求，如哪些終端設(shè) 備之間要進(jìn)行通信、tsn 流的周期、大小和時(shí)延界限等，并發(fā)送至 cnc。cnc 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浜途W(wǎng) 絡(luò)需求計(jì)算每個(gè) tsn 幀的調(diào)度表并發(fā)送至每個(gè)網(wǎng)橋，同時(shí) cuc 將調(diào)度表分發(fā)至每個(gè)終端設(shè)備并要求終端設(shè)備依據(jù)調(diào)度表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。至此，cuc 和 cnc 分別通過代理的方式完成了網(wǎng)絡(luò)的配置。當(dāng)有 新的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)或有新的 tsn 流產(chǎn)生時(shí)，依然可以用此方式在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)重新配置。
（3）tsn 技術(shù)難點(diǎn)。tsn 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的難點(diǎn)在于： 1）在網(wǎng)絡(luò)震蕩的情況下，保持高度的時(shí)間同步。即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不斷的發(fā)生震動、震蕩，且網(wǎng)絡(luò)仍然要求同步做到納秒級， 需要各方面技術(shù)網(wǎng)絡(luò)保持同步。 2）整網(wǎng)配置，tsn 技術(shù)系統(tǒng)不是固定系統(tǒng)，而是多個(gè)變化、復(fù)雜的大系統(tǒng)進(jìn)行整合。 3）如何保證原有網(wǎng)絡(luò)的資源要素在現(xiàn)有的平臺去保持同步跟進(jìn)，而非重新構(gòu)建、打造。在賦能客戶同步降本、迭代 升級的同時(shí)，如何助力其平滑切換到 tsn 網(wǎng)絡(luò)，其中不僅需要構(gòu)建大量的技術(shù)解決方案，同時(shí)還需要吸收眾多的行 業(yè)經(jīng)驗(yàn)。
二、tsn在工業(yè)、車載領(lǐng)域應(yīng)用趨勢明顯
1、工業(yè)：tsn是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)愿景的前置條件
傳統(tǒng)工業(yè)不同層級之間相互孤立，設(shè)備之間也互不兼容。傳統(tǒng)的有線工業(yè)通信基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)提供實(shí) 時(shí)可靠的連接服務(wù)。常用的現(xiàn)場總線技術(shù)包括 modbus、can（controller area network）、profibus（process field bus） 等，而工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)種類繁多，包括 sercos（serial realtime commu- nication specification）、profinet（process field net）、ethercat（ethernet control automation tech- nology）等。這些異構(gòu)的工業(yè)通信總線和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)兼 容性差，數(shù)據(jù)互通困難，導(dǎo)致形成了工業(yè)生產(chǎn)的一座座信息孤島，無法滿足未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全面連接的目標(biāo)。如果想 要將相關(guān)的工業(yè)設(shè)備連接到以太網(wǎng)，需要根據(jù)不同的底層設(shè)備來編寫接口和應(yīng)用層配置工具，這些工作的復(fù)雜性和任 務(wù)量會消耗大量的人力物力，大大增加生產(chǎn)成本。
除此之外，傳統(tǒng)工會也自動化也存在一定的延遲和控制問題、不能線路共享、傳輸速度無法超過 100mb/s 也極大的 影響了擴(kuò)展性。在應(yīng)用層面，由于各使用的硬件與軟件也是相對獨(dú)立，互相之間也會影響交互的操作性，額外增加運(yùn) 營與維護(hù)成本，也給工業(yè)環(huán)境帶來了一定的應(yīng)用層面的不穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致各層間難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和透明可視，對 整個(gè)價(jià)值鏈造成不利影響。
在工業(yè)控制方面，有許多應(yīng)用場景對實(shí)時(shí)性、確定性、魯棒性要求很高，未來的工業(yè)通信領(lǐng)域?qū)蛑y(tǒng)一、融合、 確定以及低時(shí)延方向發(fā)展。企業(yè)本身始終具備著提升保持最大程度的靈活性、提升效率以及響應(yīng)能力的需要，傳統(tǒng)制 造逐漸轉(zhuǎn)向柔性制造。在這類需求的驅(qū)動下，工業(yè)自動化以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域主流趨勢， 不斷驅(qū)動著各個(gè)層級的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)走向融合。我們認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)高階的柔性制造或自動化生產(chǎn)必然要求，未來的工業(yè) 場景中各個(gè)層級之間孤立的現(xiàn)狀將會被逐漸打破并走向融合統(tǒng)一。
基于以太網(wǎng)的 tsn 技術(shù)不僅能夠滿足上述要求，并且為工業(yè)以太網(wǎng)連接到數(shù)據(jù)中心提供了解決方案。tsn 能夠提供 高效率的實(shí)時(shí)決策信息，而且相較于現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，tsn 是開放的標(biāo)準(zhǔn)，能夠使得設(shè)備易于升級，降低成本， 并且實(shí)現(xiàn)更好的兼容性。傳統(tǒng)的控制技術(shù)都是各廠家和設(shè)備提供商的專有技術(shù)，不同的控制系統(tǒng)之間可能無法實(shí)現(xiàn)兼 容，升級改造也很困難。tsn 憑借這一點(diǎn)在一定程度上解決了工業(yè)控制領(lǐng)域傳輸協(xié)議復(fù)雜的問題。，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的 互聯(lián)互通，推動 it 和 ot 網(wǎng)絡(luò)融合，當(dāng)前已有多個(gè)成功應(yīng)用案例。
2、車載：tsn為自動駕駛提供網(wǎng)絡(luò)時(shí)效性以及安全性保障
（1）傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)的功能有限。汽車智能化大勢所趨，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級已迫在眉睫。近年來隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，智能交通、車聯(lián)網(wǎng)、自動 駕駛等先進(jìn)技術(shù)逐漸映入人們眼簾。汽車中的車載電子系統(tǒng)的作用越來越重要。例如現(xiàn)在廣受關(guān)注的ａｄａｓ系統(tǒng)需 要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸和處理。
adas 系統(tǒng)通過各種各樣安裝在汽車上的傳感器，不斷分析車內(nèi)外的駕駛環(huán)境，在汽 車行駛時(shí)收集數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)車輛的緊急制動，避免駕駛中發(fā)生意外碰撞、偏離車道等情況，也能夠?qū)崿F(xiàn)輔助倒車、自適應(yīng)巡航和駕駛員疲勞探測等功能。這些功能對車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量有著嚴(yán)格的要求。在傳統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，車內(nèi)ecu透過內(nèi)聯(lián)網(wǎng)及中央網(wǎng)關(guān)連接來在不同子網(wǎng)間傳輸數(shù)據(jù)，雖然也具有ecu以及中央網(wǎng)關(guān)等部件， 但功能較單一，主要作為信息傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通道，并未設(shè)計(jì)成適合數(shù)據(jù)處理的結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有 can 總線、lin、flexray、most 等。can 總線主要用于汽車的剎車、引擎和懸掛等系統(tǒng)； lin 用于燈光、車門和遙控等系統(tǒng)；flexray 主要負(fù)責(zé)引擎控制、abs、懸掛等；而 most 是車載多媒體的首選協(xié)議。 隨著汽車電子的發(fā)展，這些車載網(wǎng)絡(luò)所存在的不兼容、帶寬小、高延遲和抖動等缺點(diǎn)逐漸突顯。
（2）汽車智能化時(shí)代開啟，引入車載 tsn 已成剛需。汽車朝著自動駕駛的方向發(fā)展，大量精密的傳感器被融合進(jìn)系統(tǒng)之中，產(chǎn)生了新應(yīng)用場景 如 gps 坐標(biāo)和當(dāng)前道路狀 況及發(fā)動機(jī)的控制器進(jìn)行信息交互、大燈的亮度可隨周圍環(huán)境的變化而變化以節(jié)約能源等。日益增加的高帶寬、低時(shí) 延、可跨域通信和安全性的網(wǎng)絡(luò)需求使得傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已難以滿足汽車智能化時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)需求，主要體現(xiàn)在： 1）數(shù)據(jù)傳輸量的急劇上升。隨著新興的車載需求不斷提升尤其是自動駕駛技術(shù)的不斷進(jìn)步，車載數(shù)據(jù)傳輸量將 會出現(xiàn)指數(shù)級上升。據(jù)北匯信息估算，一輛自動駕駛的汽車每小時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量有望高達(dá) 4tb，傳統(tǒng)汽車網(wǎng) 絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)難以滿足自動駕駛時(shí)代汽車的數(shù)據(jù)傳輸需求。
2）時(shí)效性要求的提高以及時(shí)間同步需求的上升。自動駕駛系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)由簡單的傳輸已經(jīng)升級成為需要實(shí)時(shí)高效的處理，這對車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了新的要求。除此之外，為保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，自動駕駛對于數(shù)據(jù)之間的時(shí)間同步也有較高要求，傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)無法滿足此類需求。3）高度自動駕駛下的安全性保障。自動駕駛系統(tǒng)對于網(wǎng)絡(luò)堵塞、延遲等容忍度極低（一旦出現(xiàn)問題對于乘客來說大概率是致命性后果），因此從安全性的角度出發(fā)，設(shè)置充足的冗余網(wǎng)絡(luò)也是汽車智能化時(shí)代中自動駕駛的必要要求。傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)對時(shí)延不保證，也不具備設(shè)置冗余的結(jié)構(gòu)。4）網(wǎng)絡(luò)安全保障。由于新一代智能汽車與互聯(lián)網(wǎng)將會產(chǎn)生連接，因此必須考慮在網(wǎng)絡(luò)攻擊以及單點(diǎn)功能失效造成的流量過載等因素對于汽車行駛安全的威脅。
我們認(rèn)為 tsn 將會是上述問題的最佳解決方案。智能駕駛領(lǐng)域的發(fā)展不斷引領(lǐng)車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不斷發(fā)生變革，當(dāng)前整 車廠的設(shè)計(jì)方案通常傾向于將車輛按照不同的功能劃分不同的域，整合域中部分功能相近 ecu 的功能在域控制器下 來管理，形成 domain architecture，例如：adas、車載娛樂、車身控制、動力傳動等域，而 tsn 網(wǎng)絡(luò)則是對這種 設(shè)計(jì)架構(gòu)提供了有力保障，設(shè)想其將具備高速 ip 網(wǎng)絡(luò)連接、智能自動駕駛員輔助/制動系統(tǒng)、信息娛樂門戶、簡化的 內(nèi)部線束及更輕的總重量。
目前支持 tsn 的車載設(shè)備已經(jīng)開始逐步面市，例如 marvell 公司所推出的 88q5050 車載以太網(wǎng)交換芯片，是一款８ 端口、高安全性車載千兆以太網(wǎng)交換芯片，能夠?qū)斎攵丝诘?avb 流進(jìn)行監(jiān)管和限流。博通也推出了 bcm5316x 系 列交換芯片，主要的目標(biāo)市場就是無人車、無人機(jī)、機(jī)器人和 l3 級別的無人駕駛。
三、tsn與其他新興技術(shù)的融合趨勢
1、5g與tsn
5g 賦能工業(yè)已成為大趨勢，是與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的重要技術(shù)手段之一。3gpp 5g 無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也是工業(yè)互 聯(lián)網(wǎng)的重要連接技術(shù)之一。5g 的三大典型應(yīng)用場景包括增強(qiáng)移動寬帶、大規(guī)模機(jī)器類通信以及超高可靠低時(shí)延通信。 5g 可滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同類型業(yè)務(wù)的通信需求。5g 通信具備不需要布線、部署靈活以及移動性支持等優(yōu)勢，在自動 巡檢、機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。 5g 與 tsn 融合為工業(yè)設(shè)備無線接入 tsn 網(wǎng)絡(luò)的適配提供解決方案，在保證可靠性和傳輸延遲的基礎(chǔ)上，很好地適 應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變的情況。5g tsn 典型的應(yīng)用場景包括場內(nèi)產(chǎn)線設(shè)備控制、機(jī)器人控制、agv 控制、5g 可 編程邏輯控制器（plc）。
場內(nèi)產(chǎn)線設(shè)備控制：面向數(shù)控機(jī)床、立體倉庫、制造流水線，基于 5g tsn 打通產(chǎn)線設(shè)備和集中控制中心的數(shù)據(jù) 鏈路，實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造產(chǎn)線的遠(yuǎn)程、集中控制，以更好地提升生產(chǎn)效率。 機(jī)器人控制：在工業(yè)自動化產(chǎn)線，利用 5g tsn 低時(shí)延特性，結(jié)合傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和機(jī)械臂的環(huán)境感知、 姿態(tài)控制、遠(yuǎn)程操作、自動控制等功能，滿足智能生產(chǎn)需求。agv 控制：在生產(chǎn)車間及園區(qū)中，通過視覺、雷達(dá)、無線等多種技術(shù)進(jìn)行融合定位和障礙物判斷，經(jīng)低時(shí)延 5g 網(wǎng)絡(luò)上傳位置和運(yùn)動信息，實(shí)現(xiàn) agv 的自動避障和相互協(xié)同工作，提升產(chǎn)線自動化水平。 5g plc：在生產(chǎn)過程中，利用 5g 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) plc 之間、plc 與廠內(nèi)系統(tǒng)間的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，在保證數(shù)據(jù)安全和 實(shí)時(shí)性的同時(shí)，減少車間內(nèi)布線成本，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線產(chǎn)能匹配，助力柔性制造。
2、tsn與sdn（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)
工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)逐漸復(fù)雜，sdn 技術(shù)助力簡歷綜合管控平臺進(jìn)行集中管理。工業(yè)現(xiàn)場逐漸走向以網(wǎng)絡(luò)為中心的布局， 導(dǎo)致工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場趨于復(fù)雜化，sdn 技術(shù)將數(shù)據(jù)平面和控制平面分離，并通過集中控制方式滿足定制化的工業(yè) 業(yè)務(wù)需求，加快部署時(shí)間、提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，同時(shí)穩(wěn)定硬件投入成本增長速度。基于 sdn 的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在數(shù)據(jù)交換層的交換機(jī)可為時(shí)間敏感型應(yīng)用支持 tsn。sdn 控制器對根據(jù)操作能力 以及操作時(shí)間封裝后的數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)一的集中管理，sdn 的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將不同應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量（qos）映射 到 sdn 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，從而形成支持 tsn 分時(shí)操作的工業(yè) sdn 統(tǒng)一管控架構(gòu)。
3、tsn與 opc ua
opc ua over tsn 是目前工業(yè)界的普遍共識。opc ua 主要解決語義互操作、垂直行業(yè)信息模型、上層傳輸如 c/s 結(jié)構(gòu)、pub/sub 結(jié)構(gòu)的傳輸，以及信息安全的機(jī)制，tsn 則提供實(shí)時(shí)性保障以及統(tǒng)一的底層網(wǎng)絡(luò)支撐，兩者共同構(gòu) 成整個(gè)工業(yè) rami4.0/iic 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信框架。在此之上，opc ua 在機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生與底層物理系統(tǒng)交互中 也將扮演重要角色，因此，opc ua over tsn 是未來整個(gè)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。
四、tsn產(chǎn)業(yè)投資機(jī)會逐漸出現(xiàn)
我國一直重視 tsn 的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)落地。2017 年國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè) 互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》，指出要夯實(shí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，計(jì)劃到 2025 年，工業(yè)無線、tsn、ipv6 等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在規(guī)模 以上工業(yè)企業(yè)中廣泛部署；加大關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)力度，開展時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)等新型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)研究。2020 年 8 月， 工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加快發(fā)展的通知》，提出增強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品供給能力，鼓勵(lì)相關(guān)單位在時(shí) 間敏感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域加快技術(shù)攻關(guān)，加快部署應(yīng)用。
tsn 技術(shù)已經(jīng)逐步趨于成熟，終端用戶已開始研究 tsn 解決方案。由于 tsn 具有的特性非常契合當(dāng)前工業(yè)、車載 等下游領(lǐng)域的痛點(diǎn)，眾多工業(yè)自動化以及汽車領(lǐng)域企業(yè)已經(jīng)開始研究和應(yīng)用 tsn 的解決方案，科研機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī) 構(gòu)和測試廠商也已經(jīng)初步確立確立了“技術(shù)-標(biāo)準(zhǔn)-檢測”產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑。當(dāng)前包括英特爾、博通、德州儀器（ti）在 內(nèi)的主流芯片提供商的 tsn 芯片都已經(jīng)上市銷售；以華為、新華三、思科、摩莎為代表的通信設(shè)備廠商也已有相關(guān) 樣機(jī)面世，相關(guān)產(chǎn)品也計(jì)劃于 2020 年正式上市銷售；工業(yè)廠商方面，cc-bbbb 支持 tsn 的系列產(chǎn)品已經(jīng)于 2019 年 上市發(fā)售，profinet、ethercat、ethernet/ip 等工業(yè)以太網(wǎng)也積極尋求與 tsn 兼容的技術(shù)方案。在 2018 年、2019 年的紐倫堡和漢諾威工業(yè)博覽會上，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)連續(xù)兩年成為產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。
1、tsn芯片：外資為主，國內(nèi)東土科技已有突破
世界半導(dǎo)體大廠已經(jīng)積極投入到了 tsn 芯片的研發(fā)中，國內(nèi)公司也有所進(jìn)展。恩智浦（nxp）在 ls1028a 工業(yè)應(yīng) 用處理器內(nèi)置了 tsn 轉(zhuǎn)換器和 tsn 終端模塊，同時(shí)也具備 tsn 交換芯片產(chǎn)品。亞德諾半導(dǎo)體推出了專用 tsn 交換 芯片。德州儀器（ti）公司的 sitara 處理器、瑞薩電子 rz/n1d 處理器都內(nèi)置了 tsn 支持。賽靈思（xilinx）等 fpga 廠商，也提出了基于現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）的 tsnip 核心解決方案。在國產(chǎn)方面，東土科技推出了中國首款 tsn 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)芯片并獲準(zhǔn)商用，在未來有望打破 tsn 芯片領(lǐng)域歐美壟斷的市場格局。
五、重點(diǎn)企業(yè)分析
1、三旺通信
高度重視科技研發(fā)創(chuàng)新投入，tsn 等新技術(shù)布局成效顯現(xiàn)。三旺通信高度重視科研，積極布局工業(yè)無線、tsn 等新 技術(shù)。以 tsn 技術(shù)為例，tsn 技術(shù)不僅會使交換機(jī)溢價(jià) 20%-25%，且會帶來其他相關(guān)工業(yè)通信產(chǎn)品的更新升級空 間。全球 tsn 市場預(yù)計(jì)將從 2021 年的 1.34 億美元增長到 2026 年的 11.88 億美元，cagr 高達(dá) 54.7%。目前公司 tsn 產(chǎn)品已在煤炭、軌道交通等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了早期合作，積累先發(fā)優(yōu)勢，有望在 tsn 推動的設(shè)備更新?lián)Q代潮中收益。 2021 年公司完成 tsn 與 hass 平臺開發(fā)，預(yù)計(jì)從今年開始陸陸續(xù)續(xù)有訂單落地。tsn 為工業(yè)組網(wǎng)與汽車車身局域網(wǎng) 的主流技術(shù)方向，第三方預(yù)測未來增長 50%，目前各大工控廠商系數(shù)入局，汽車廠商逐步入局。hass 平臺為公司業(yè) 務(wù)模式的重大突破，會從產(chǎn)品型過度到解決方案型，單體價(jià)值量可擴(kuò)大 10 倍。今年預(yù)計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域會率先突破，后 續(xù)可關(guān)注公司業(yè)務(wù)進(jìn)展。
2、東土科技
發(fā)布我國首款 tsn 芯片，引領(lǐng) tsn 國產(chǎn)化進(jìn)程。tsn 未來在工業(yè)、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用趨勢明顯，世界半導(dǎo)體大廠已 經(jīng)積極投入到了 tsn 芯片的研發(fā)中，恩智浦（nxp）、亞德諾半導(dǎo)體等世界半導(dǎo)體大廠都推出了自身的 tsn 芯片解 決方案。在國產(chǎn)方面，東土科技推出了中國首款 tsn 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)芯片并獲準(zhǔn)商用，在未來有望打破 tsn 芯片領(lǐng)域 歐美壟斷的市場格局，對于我國的 tsn 國產(chǎn)化具有重要意義。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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