时间敏感网络(TSN)相关综述
姓名：刘家沐学号：19011210553
资料来源于网上，自己编辑整理
【嵌牛导读】：时间敏感网络的目标就是实现同一个网络中实时性关键数据流与普通数据流有良好兼容性的共同传输。要实现这两种业务的融合就是要求时间敏感网络中设备对时间表有着精准的把控，实现实时性关键业务所要求的低时延低抖动。此外，如果能将各类设备错综复杂的业务流在同一网络上进行传输，这便意味着专用网络连线的减少，简化系统设备的部署流程，同时又能减少系统设备的体积与花销。
【嵌牛鼻子】：时间敏感网络 TSN 确定性传输
【嵌牛提问】：近些年来被提出的时间敏感网络相关问题
【嵌牛正文】：
一． 问题提出
传统的以太网通常采用的转发模式是“Best Effort”（尽力而为），但是这种转发方式往往缺乏确定性。当数据包到达发送端口后并准备发送时，发送端按照先入先出的原则进行转发，但是当某个发送端口同时有多个数据要进行发送的时候，这些数据就要进行排队，排队等待时长由队列长度，数据发送速度等多个因素决定。如果网络中流量过大，便会出现拥塞或者丢包等情况，排队等待时间也会变得无法预测，确定性也就无法保证，这就会引起流量调度，时间同步，流量监控，容错机制标准化等问题。
在带宽足够的情况下，这种尽力而为的以太网可以适应于目前大多数的情况，但在某些应用领域这种不确定性是不可容忍的，例如远程医疗或者网络辅助的自动驾驶。在这些安全或者生命攸关(Security or Life Critical)的网络应用中，某次信息的传输不确定性可能会带来无法挽回的后果。
这时，建立可靠的传送机制就成了摆在技术人员面前的首要问题。
为了保证某些较为重要的受控物理系统的确定性行为，需要实时网络具有确定且较低的网络延迟和延迟变化（抖动）。传统上，现场总线已经用于此目的，但由于总线的设计，花销，体积，重量等多种因素，时间敏感网络开始被提出。
时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）基于标准以太网。在标准以太网上的通信流量（如音视频流）可以与具有高优先级确定性信息流(如运动控制)等共享物理网络。不同的服务对时延的要求不一样，尤其是在那些需要确定传输的下行服务领域，对时延和抖动要求尤为敏感。
时间敏感网络的目标就是实现同一个网络中实时性关键数据流与普通数据流有良好兼容性的共同传输。要实现这两种业务的融合就是要求时间敏感网络中设备对时间表有着精准的把控，实现实时性关键业务所要求的低时延低抖动。此外，如果能将各类设备错综复杂的业务流在同一网络上进行传输，这便意味着专用网络连线的减少，简化系统设备的部署流程，同时又能减少系统设备的体积与花销。
TSN并非涵盖整个网络，而仅仅是对MAC层的定义，对数据帧进行处理的过程。
二．内容历史
AVB——以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的传输协议集。它有效地解决了数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。同时又保持了100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。其中包括：
1. 802.1AS：精准时间同步协议（Precision Time Protocol，简称PTP）
2. 802.1Qat：流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP）
3. 802.1Qav：排队及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称Qav）
4. 802.1BA：音视频桥接系统（Audio Video Bridging Systems）
5. 1722：音视频桥接传输协议（Audio/Video Bridging Transport Protocol，简称AVBTP）
6. 1733：实时传输协议(Real-Time Transport Protocol，简称RTP)
7. 1722.1：负责设备搜寻、列举、连接管理、以及基于1722的设备之间的相互控制。
AVB不仅可以传输音频也可以传输视频。用于音频传输时，在1G的网络中，AVB会自动通过带宽预留协议将其中750M的带宽用来传输双向420通道高质量、无压缩的专业音频。而剩下的250M带宽仍然可以传输一些非实时网络数据。用于视频传输时，可以根据具体应用调节预留带宽。比如：750M带宽可以轻松传输高清full HD视觉无损的视频信号。并且可以在AVB网络中任意路由。
IEEE 802.1任务组在2012年11月的时候正式将AVB更名为TSN – Time Sensitive Network时间敏感网络。也就是说，AVB只是TSN中的一个应用。
第一个应用就是我们的专业音视频(Pro AV)。在这个应用领域里强调的是主时钟频率。也就是说，所有的音视频网络节点都必须遵循时间同步机制。
第二个应用是在汽车控制领域。目前大多数的汽车控制系统非常复杂。比如说：刹车、引擎、悬挂等采用CAN总线。而灯光、车门、遥控等采用LIN系统。娱乐系统更是五花八门，有FlexRay和MOST等目前的车载网络。实际上，所有上述系统都可以用支持低延时且具有实时传输机制的TSN进行统一管理。可以降低给汽车和专业的A/V设备增加网络功能的成本及复杂性。
第三个应用是商用电子领域。比如说，你坐在家中，可以通过无线WIFI连接到任何家中的电子设备上，实时浏览任何音视频资料。
最后一个应用也是未来最广泛的应用。所有需要实时监控或是实时反馈的工业领域都需要TSN网络。比如：机器人工业、深海石油钻井以及银行业等等。TSN还可以用于支持大数据的服务器之间的数据传输。全球的工业已经入了物联网(Internet of Things，IoT)的时代，毫无疑问TSN是改善物联网的互联效率的最佳途径。
三. 研究现状与热点
TSN正在关键的小型封闭式汽车和工业网络中得到广泛采用，以建立可靠的ULL端到端连接。然而，关键的TSN限制恰恰是关注于封闭网络，例如车载网络和小规模机器人网络。在机器人和车载网络中运行的网络应用程序通常涉及与外部非TSN网络的显着交互。机器人和车载网络应用程序需要通过外部网络与移动性处理程序紧密集成。如果外部网络中没有适当支持高级网络功能（如移动性），那么TSN的好处基本上仅限于小型封闭网络。因此，TSN和不同外部网络之间的平滑互操作性对于异构网络场景中的TSN操作是必不可少的。理想情况下，TSN和非TSN网络之间的连接应该能够适应与TSN类似的特性，以确保异构部署中的整体端到端连接要求。
V2X通信：Lee和Park提出了iTSN，这是一种将大型TSN网络互连用于大规模应用的新方法。 iTSN方法利用诸如IEEE 802.11p的无线协议用于不同TSN网络之间的互联网。特别地，跨互连网络共享全球定时和同步信息对于建立公共定时平台以支持外部网络中的TSN特性是重要的。 因此，iTSN方法使得例如车载网络能够将安全关键信息发送到控制节点，例如路侧单元（RSU），在异构部署中具有微秒级的延迟。通过采用这种可靠的互连技术，可以在比当前可行的毫秒范围短得多的（微秒）时间跨度内实现车辆制动安全距离。总的来说，TSN和互连技术（如iTSN）可以为安全的自动驾驶系统创建一个通信平台。
网络建模：尽管TSN标准在汽车驾驶网络中得到了很大的重视，但网络部署的一个主要挑战是如何管理网络的复杂性。汽车行业随着技术的进步，对现有的车载网络基础设施提出了更多的要求。随着车载网络中传感器数量的增加，日益增加的连接 在网络规划中，应相应地满足传感器相互之间的连接和带宽要求。然而，车载控制系统网络需求的动态变化可能需要更广泛的网络基础设施，从而导致更高的支出。
硬件和软件设计：支持TSN功能的硬件和软件组件设计，例如TSN节点中的调度，抢占和时间触发事件生成，需要大量的工程和开发工作。硬件实现在计算资源利用率和执行延迟方面非常高效，但导致难以适应新应用程序要求的严格架构。 另一方面，软件实现可以灵活地适应新的应用程序要求，但由于网络功能的软件化，例如时间触发的调度和硬件虚拟化，可能使CPU过载。
总结和吸取的经验教训：迄今为止，大多数关于TSN的研究都集中在独立且与外部网络隔离的车载网络上。 TSN研究领域的另一个限制是缺乏包含大规模异构网络架构的仿真框架。应在基准评估中创建并考虑包括本地和外部网络交互（例如汽车驾驶）的有效用例。目前，大多数TSN研究中的一般用例是支持车载传感器连接和用于信息娱乐的音频/视频传输的车载网络。未来的定制TSN仿真框架应基于支持具有本地化和外部网络交互的下一代应用的网络，例如汽车驾驶。类似地，基于SDN的TSN管理可以利用分层控制器设计来将管理从诸如车辆网络之类的本地化网络扩展到诸如车辆到任何（vehicle-to-any （V2X））网络之类的外部网络。
四． 下一步研究趋势
TSN网络基础设施和协议必须支持有限的端到端延迟和可靠性，以支持与物联网，医药，汽车驾驶和智能家居中的关键应用相关的基本功能。用于满足这些应用要求的基于TSN的解决方案导致支持各种协议的复杂网络基础设施。因此，简化的TSN网络管理机制对于降低复杂性同时满足ULL应用的关键需求至关重要。
因此，多个TSN网络之间的可靠，安全和低延迟通信对于支持广泛的未来应用至关重要。 缺乏与外部TSN和非TSN网络连接和通信的TSN标准阻碍了互操作网络中的研究活动，需要紧急解决。总之，我们确定了TSN研究的以下主要未来设计要求：
① 支持从时间敏感到具有流量调度功能的延迟容忍应用程序的各种应用程序。
② 多个封闭TSN架构之间的连接。
③ 灵活和动态的优先级分配，以确保较低优先级流量的有限端到端延迟。
④ 采用SDN以全球网络视角集中管理TSN功能。
⑤ 通过自我估计和本地时钟偏差校正来实现高效的定时信息共享和精确的时钟设计。
⑥ 计算有效的硬件和软件设计。
1. TSN中低优先级数据的传输
TSN节点抢占正在进行的低优先级帧传输，用于发送进入的高优先级帧以保证高优先级帧的绝对最小TSN节点传输延迟。根据高优先级流量的强度，可以多次抢占低优先级帧。结果，由于抢占事件直接取决于高优先级业务强度，因此不能保证低优先级业务的端到端延迟特性。如果高优先级业务强度明显高于低优先级业务强度，则可以大大增加低优先级业务的端到端延迟。通常，低优先级流量承载延迟敏感数据，这不如高优先级流量数据重要，但仍应在最坏情况下的deadline内传送。在当前的技术水平中，没有研究机制或标准来确保抢占下的低优先级业务的最坏情况端到端延迟。
因此，未来的研究需要开发新的机制，以确保TSN网络中低优先级流量的有界最坏情况延迟.
2. 无线TSN的发展
为了将工业设备（工业传感器/执行器）以无线方式连接到TSN网络，5G是非常合适的解决方案。与4G相比，5G的新功能，尤其是无线接入网络（RAN），提供了更好的可靠性和传输延迟。而且，新的5G系统架构允许被灵活地部署。因此，5G可以实现不受电缆安装限制的TSN网络。
时间敏感网络（TSN）是一组用于改善工业网络中同步和确定性通信的技术。基于IEEE802.1AS标准，TSN定义了一种支持精确定时和同步的新型以太网。相较于传统以太网，TSN更具确定性和响应性，因此成为需要低延迟和高可靠性应用的理想选择，如工厂自动化、高速公路、汽车网络和航空航天等领域。
TSN的关键优势包括：
1. 时间感知调度程序：确保数据包在正确的时间传输，更精确地控制数据包的发送和接收时间，满足低延迟应用的需求。
2. 时间触发发送：确保数据包始终在正确的时间发送，避免重新传输导致的延迟。
3.数据流保留：保证特定流的数据包始终按顺序传输，确保确定性通信。
TSN网络技术的主要趋势包括：
1.转向以太网：从专有网络转向以太网，满足更高带宽需求，并利用以太网提供的规模经济优势。
2. 对更精确计时的需求：随着工业4.0的发展，对更精确计时和同步的要求越来越高，TSN技术正好满足这一需求。
3.融合其他技术：将TSN与其他技术（如5G、边缘计算等）相结合，实现更高效、可靠的网络通信。
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