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时间敏感网络研究现状

与关键技术探析

0引言

随着信息技术的不断发展，确定性的流量传输成为传统以太网的一大挑战。传统以太网只注重解决非实时数据的传输，实时流量和传统TCP流量竞争资源将导致较大的传输时延和抖动，使得传统以太网无法满足实时音视频业务的数据传输需求［1］。为此，2006年成立的IEEEAVB（AudioVideoBridging）工作组制定了一组802.1以太网标准，包含802.1AS，

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收稿日期：2022-08-10

802.1Qat，802.1Qav等协议，该标准通过采用预留带宽、流量优先级和时间同步等技术来提供低传输时延的以太网服务。随着工业互联网（IndustrialInternet）对以太网实时通信需求的迅速增长，2012年AVB工作组更名为TSN（Time-SensitiveNetworking）工作组，TSN工作组通过扩展AVB技术以统一解决网络传输的时效性问题。例如，TSN在AVB基础上引入了时间调度流量（Time-scheduledtraffic）和帧抢占（Frame-preemption）机制，并且允许采用不同协议的时间敏感数据流和非时间敏感数据流混合交错传输。此外，TSN可以在数据源头获取精确的数据信息，快速诊断

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和及时修复网络中出现的各种传输异常［2］。

时间敏感网络（Time-SensitiveNetworking，TSN）协议族的主体位于OSI网络模型的第2层，即数据链路层，属于IEEE802.1协议体系。TSN在传统以太网的基础构架上重新定义了流量传输机制，利用以太网数据帧的包头进行数据传输，适用于任何以以太网为传输媒介的应用场景，实现了现有工业网络的技术突破。具体而言，TSN引入的新技术主要包括时间同步、时间感知调度、流量整形和调度以及冗余备份路径机制等。通过综合应用这些新技术实现的具有时间敏感特性的TSN可以为上层业务提供具有确定性时延特征的信息传输。

1研究概况

随着信息网络技术的快速发展，通信主体不再局限于人与人，人与物以及物与物为通信主体的通信业务日趋增加。面对互联网通信主体的更新变化，工业互联网和车联网等许多应用场景对数据传输的确定性和低时延的要求愈加严格。为满足上述场景的数据传输需求，许多标准化组织和行业提出了诸如HSE、Profinet、EtherCAT、TCnet等协议［3-5］，但由于这些协议互不兼容，其发展和应用受到诸多限制，在这种背景下TSN应运而生。

TSN是一项从音视频数据领域延伸到汽车领域并进一步推广至工业领域的信息网络技术。

2006年IEEE成立AVB任务小组［6］，于2012年更名为TSN任务组，研究领域从原来的音/视频拓展到车载网络和工业控制网络。2015年TSN和Interworking任务组合并，研究TSN在运营商骨干网领域的标准。2017年IEEE与IEC联合建立60802工作组，主要研究TSN在工业控制网络的应用方案。2019年TSN任务组开始研究TSN在车载控制网络应用的标准。近年来，TSN技术在各个应用场景不断发展，并将与OPCUA、5G和边缘计算等新技术进行深度融合，实现TSN在不同领域的创新应用［7］。截至2022年8月，已经发布的

序号标准

序号

标准号

标准名称

状态

时间

1

IEEEP802.1Qdj

时间敏感网络的配置增强

更新至D1.5

2022-08

2

IEEEP802.1Qdj

时间敏感网络的配置增强

更新至D0.3

2022-06

3

IEEEP802.1Qcz

拥塞隔离

更新至D1.2

2022-05

4

IEEEP802.1Qcw

用于计划流量、帧抢占以及逐流过滤和监管的YANG数据模型

更新至D1.4

2022-05

5

IEEEP802.1DG

用于汽车车载以太网通信的TSN配置文件

更新至D1.4

2021-12

6

IEEEP802.1

ABcu

LLDPYANG数据模型

更新至D2.3

2021-09

7

IEEEP802.1DF

服务提供商网络的

TSN配置文件

更新至D0.1

2020-12

表1已发布的TSN标准

序号标准