上一期，我們聊了那么多以太網的知識【TSN系列連載2|從以太網到TSN的技術變革】，想必大家也很想了解TSN網絡究竟是怎么工作的吧！

今天，我們的技術小哥哥，要非常非常詳細的帶大家了解TSN網絡的工作方式。能把技術說得這么透徹，我只服我們的技術小哥哥。往下看：

話說，TSN網絡是由IEEE802.1工作組下的TSN任務組負責開發的網絡標準，現在的TSN任務組其實是由之前的AVB（AudioVideoBridging）任務組改名而來，這一改名行為也意味著這一標準的應用領域發生了根本性的變化。TSN網絡主要定義了時間敏感數據在以太網上的傳輸機制。

IEEE802.1定義了各種TSN標準文檔，雖然每個標準規范都可以單獨使用，但是，只有在相互協同使用的情況下，TSN作為通信系統才能充分發揮潛力。為實現實時通信解決方案，這些規范均可大致分為三個基本組成部分：

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一時間同步

參與實時通信的所有設備都需要對時間進行同步

二調度和流量整形

參與實時通信的所有設備在處理和轉發通信數據包時都必須遵循相同的規則

三選擇信道、信道預留和容錯

參與實時通信的所有設備在選擇信道、保留帶寬和時隙時必須遵循相同的規則，可能同時使用多個路徑來實現容錯性

下面我們來詳細了解這三個部分的實現：

一時間同步

關于這一部分，“時間敏感網絡”這個名稱已經描述的很形象了：

與我們之前提到的IEEE802.3標準以太網和IEEE802.1Q以太網橋接相比，時間在TSN網絡中起著至關重要作用。對于那些對數據實時性要求非常高的工業網絡而言，網絡中的所有設備均需要有一個公共的時間參考，因此要求時鐘彼此同步。

事實上，不僅僅PLC和工業機器人等終端設備需要時間同步，以太網交換機等網絡設備也同樣需要。只有通過同步時鐘，所有網絡設備才能同時運行并各自在所需的時間點執行所需的操作。

同步

TSN網絡中的時間同步可以通過不同的技術來實現。

從理論上講，可以為每個終端設備和網絡交換機配備GPS時鐘。然而，這成本非常高，并且無法保證設備始終可以訪問無線電或GPS衛星信號（比如設備安裝在移動的汽車或位于地下的工廠車間或隧道）。由于這些限制，TSN網絡往往并不會使用外部的時鐘源，而是直接通過網絡由一個主時鐘信號來進行分配。

在大多數情況下，TSN使用IEEE1588精確時間協議來進行時鐘分配，利用以太網幀來分配時間同步信息。除了普遍適用的IEEE1588規范之外，IEEE802.1的TSN任務組還指定了IEEE1588行規，稱為IEEE802.1AS。此行規背后的想法是將大量IEEE1588選項縮小到可管理的幾個關鍵選項，而使這些選項適用于家庭網絡、汽車或工業自動化網絡環境。

二調度和流量整形

調度和流量整形允許在同一網絡上具有不同優先級的數據流共存——而這些數據能夠各自根據需要適應帶寬和網絡延時。

在標準以太網中，根據IEEE802.1q的標準橋接，網絡可以嚴格根據優先級方案使用八個不同的優先級。在協議層面，這些優先級可以在標準以太網幀的802.1QVLAN標記看到。通過這些優先級，網絡可以區分重要性不同的數據流量。

然而在實際使用過程中，即使某個數據具有最高優先級，其實也并不能100%保證點對點的傳輸時間，這是由于以太網交換機內部的緩沖機制造成的。如果數據幀到來時，交換機已經開始在其中一個端口上傳輸數據幀，此時即使新來的數據幀有最高優先級，它也必須在交換機緩沖區內等待當前的傳輸完成。

在使用標準以太網時，這種時間上的非確定性無法避免。只能使用在對實時性要求不高的網絡環境中，如辦公網絡、文件傳輸、Email和其他商業應用中。

然而，在工業自動化和汽車等網絡環境中，閉環控制或安全應用也會使用以太網，這時，數據的可靠傳輸和和實時性就顯得至關重要了。對于在這些場合使用的以太網，則需要利用增強IEEE802.1Q的嚴格優先級進行調度。我們如果把它的特點概括成一句話，那就是：

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不同的流量類別使用不同的時間片

這也是IEEE802.1Qbv所定義的時間感知調度機制

TSN通過添加一系列機制來使標準以太網得到增強，以確保網絡實時性的要求。在TSN中，依然保留了利用八個不同的VLAN優先級的機制，以確保兼容非TSN以太網——向下兼容和保持與現有網絡架構的互操作性，并實現網絡應用從原有系統到新技術的無縫遷移，這也始終是IEEE802工作組的重要設計原則之一。

在使用TSN時，對于八個優先級中的任意一個，用戶都可以從不同的機制中選擇如何處理以太網幀，并且將優先級單獨分配給現有方法（例如IEEE802.1Q嚴格的優先級調度機制）或新的處理方法（例如TSNIEEE802.1Qbv時間感知流量調度程序）

TSN的典型應用是PLC與工業機器人、運動控制器等工控設備的通信。為了保證控制設備通信的所需要的實時性，系統可以將八個以太網優先級中的一個或幾個分配給IEEE802.1Qbv時間感知調度程序。這一調度程序主要是將網絡通信分成固定的長度和時間周期。

在這些周期內，系統可以根據需要配置不同的時間片，這些時間片可以分配給八個以太網優先級中的一個或幾個，數據通過優先級的不同而分別使用屬于自己的時間片，這樣，就實現了共享同一網絡介質和傳輸周期，使得在以太網上傳輸有實時性要求且不能中斷的數據成為現實。

對于這一機制，實現的基本概念即是時分多址（TDMA）。通過在特定時間段內建立虛擬信道，可以將時間敏感數據與普通數據分開傳送。使時間敏感數據對網絡介質和設備擁有獨占訪問權，可以避免以太網交換機的緩沖效應，并且使時間敏感數據不發生中斷。 

三選擇信道，預留信道和容錯

TSN技術，主要用于實時性要求比較高的場合。在這些應用中，不僅要保證時序，同時，對容錯要求也非常高。支持TSN的工業以太網必須要能夠支持相應的工業應用，例如，安全網絡控制、運動控制乃至最新興的車輛自動駕駛等應用，盡最大可能避免硬件或網絡中的故障。TSN任務組為保證網絡的可靠性，也制定了大量相關的容錯協議、接口管理協議和本地網絡注冊協議等一系列協議。

總結來說，CC-LinkIETSN網絡即是基于OSI參考模型（見下圖）的第2層的TSN技術，在第3~7層，由CC-LinkIETSN獨立的協議和標準的以太網協議構成。

OSI模型

鑒于TSN網絡具有與標準以太網的兼容性，CC-LinkIETSN也具有卓越的兼容性，還可以使用基于TCP/IP、UDP/IP的SNMP、HTTP和FTP等標準以太網協議。這樣通用的以太網診斷工具可以直接用于網絡診斷，提高了網絡管理的靈活性。

好了，是不是很詳細，C小C完全是一個字一個字、一臉佩服的看完了此文。下一期將是什么主題，敬請期待。