上次文章討論到TSN所圖甚大，覺得有必要多研究和大家分享，但是，這方面的文獻目前似乎國內還比較少，因此，看的都是英文資料并且都是比較技術細節的，像我這樣不懂技術的人看起來比較難，如何寫的通俗易懂并非易事，勉力而為，還望高手留言指點錯誤。

在ISO/OSI的Internet參考模型中將網絡分為七個層級，考慮到工業網絡的特殊性需求，通常，工業總線包括實時以太網僅包括三層結構，物理層、數據鏈路層與應用層.如圖1所示，TSN位于網絡的第2層。

圖1-TSN在七層架構中的位置（來源:劉丹.TC124年會TSN技術在智能制造中的應用,2018-11,北京）

TSN幀與以太網幀有何不同？

TSN網絡是一種“流”概念構成的，它包括了PCP（優先級代碼）和VLANID來構成。

TSN是在物理層（基于IEEE802.3）及MAC之上的VLAN(VirtualLocalAreaNetwork),與標準的以太網幀相比，基于TSN的網絡會增加4個字節用于定義其特征：

圖2-TSN的標簽位定義

（1）標簽協議識別:網絡類型識別，代表這是一個TSN網絡，標記0X8100；

（2）優先級代碼：三個優先級位

（3）標志位：1位，0標志規范格式，1非規范格式；

（4）VLANIdentifier：VLAN網絡的規模，12位代表可支持的子網數量，2的12次方留一位即2014個子網，說明TSN是為了大型的數據傳輸而設計的。

TSN可以理解為一個軟件定義網絡（SoftwareDefinedNetwork），在第2層的物理實現之上增加了軟件定義的交換機制，并采用了橋接方式（Bridge），傳統的實時以太網通常不采用交換機都是Hub透傳方式進行，因為交換機有較大的延時，一方面，新的機制確保了延時的降低，而另一方面，交換機的成本也越來越低，TSN數據幀與普通以太網幀的區別就在于增加了上述的4個字節的數據插入和解除，并在TSN網絡內部對數據通道按照分類傳輸，當然，TSN交換機的時鐘同步機制和延遲測量更為嚴格，也區別于普通的交換機，對于TSN不僅橋接節點可以打標簽，而且終端節點（EndPoint）也可以對數據幀打上TSN標簽。

在TSN交換機中，當數據由上位進入該網絡時增加TSN標簽，而離開時則去掉VLAN標簽，這樣通過數據標簽就可以使得TSN交換機實現在不同網絡間的切換。

優先級的定義

圖2中，PCP是優先級代碼，在優先級中定義了3位標記，8個不同的優先級，這個會對網絡場景進行不同的匹配也是后續Shaper設計中會考慮到數據流調度因素。

表1-TSN網絡的PCP優先級代碼定義

通過TSN交換機網絡，可以構成實時控制域，也可以與非實時域的數據進行交互，這使得網絡變得更為靈活，在交換機內構建不同的Shaper，可以實現不同用應用場景的數據傳輸方案，包括AVB面向汽車領域，IEC目前針對TSNIA的60802規約，以及在航空航天領域的AS6802規約—關于Shaper-整形器，它是構成TSN的核心機制，將在第3部分專門講述。

以太網交換機的機制

通常而言，TSN交換機分為兩個部分，即控制層面（ControlPlane）和數據層面（DataPlane），控制平面主要采用軟件實現自動配置特性和服務，而數據平面則解決MAC和轉發任務，采用硬件來實現。

LLC處理底層與上層之間的通信，獲得網絡協議數據并增加控制信息以便有助于數據被傳輸至目標。MAC構成數據鏈路層的低層子層，由硬件實現，典型的是計算機NIC，兩個主要職責，數據封裝，媒體訪問控制。

對于支持橋接連接的TSN交換機而言，其處理數據的包括入口處理以下任務：

入口的任務包括：濾波，（去）標記,VID翻譯,解包/封裝

Relay實現轉發，濾波任務

出口則實現濾波,(去)標記，VID翻譯,封裝/解包,計量,排列,傳輸選擇。

對于普通的以太網即是如此實現，在這一點上，TSN與普通交換機沒有什么不同，而對于TSN而言，在控制面板（ControlPanel）方面則實現了其它我們后續會講到的控制（整形器）的調度設計。

圖3-TSN網絡的結構簡圖

接下來，我們可以了解一下以太網的延時測量與時鐘同步機制：

實時網絡關鍵指標

對于TSN而言，其與其它實時網絡一致，比較重要的在于確保滿足各種應用場景，對于工業應用而言，則聚焦于實時性，因為所有的控制任務都是基于“等時同步”機制而設計的，實時應用主要是精確同步，確定的時延和確定的帶寬，具體到TSN的IA，即60802而言，則定義了以下幾個比較重要的指標：

與主時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

在冗余工作時鐘域零故障切換時鐘

網絡延時與計算

既然對于網絡而言，延時最為重要的考慮因素，那就簡單了，給每個節點包括橋接節點都帶塊表唄！不過，大家的表可不一定都是準的啊！對于多個節點的主從/多主結構的網絡而言，多個時間如何進行同步就是一個問題，比較廣泛的精確時鐘協議（PTP）是IEEE1588，當然，IEEE1588也允許針對特殊應用需求的協議，如IEEE802.1Q工作組定義的IEEE802.1AS的gPTP(廣義精確時鐘協議)就是為TSN橋接網絡而設計的，為了進一步滿足工業中的可靠性需求，又開發了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鐘同步協議（gPTP），與PTP相比而言，gPTP為嚴苛時間感知網絡而設計，用于分發時鐘，PTP可以基于MAC層，也可以基于IPV4/IPV6而傳輸的，即，它可以在第3-4層的IP網絡傳輸，而gPTP集成在MAC硬件中，只在第2層工作，直接對數據幀插入時間戳信息，并隨著數據幀傳輸到每個節點，用于進行延時計算。

圖4-IEEE802.1As的時鐘結構

對于整個gPTP網絡，可以間隔數秒鐘進行一次全局對表，過多的對表就會導致時間被消耗在對表這個數據包上，而太長時間的對表則會導致時間產生偏差，影響網絡整體的時間精準度，這個對于任何網絡而言都是一樣的。

時鐘同步過程

通常，gPTP系統是由分布式和互連的gPTP和非gPTP設備組成（非時間敏感），包括時間感知橋（Bridge）和終端節點（EndPoint），非gPTP設備不支持分布式網絡中的時間同步，gPTP是一種分布式協議，它使用主/從架構將pPTP域所有設備的實時時鐘與GM時鐘同步，這由兩個過程完成，先由BMCA建立主/次結構，每個gPTP設備運行gPTP狀態機，由幾個gPTPUDPIPv4或IPv6多播和單播消息來建立適當的層次結構，然后同步時間，任何不能中繼（橋/終端節點）或同步定時消息的非時間敏感網橋（如普通交換機）都不參與BMCA時鐘生成樹協議。

BMCA-誰的表最好？

BMCA是最佳時鐘計算算法（BestMasterClockAlgorithm），對于時間感知型網絡，每個節點均帶有一個時鐘，但是，必須選擇一個最佳的時鐘（BestClock），BCMA算法就是將各個節點所帶的時鐘參數進行集中比較，然后表決選出最佳時鐘（往往是時鐘精度最高的）--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，最后有一個人拿出PartekPhilippe大家一致認為你的表最好，你就是MasterClock，當你的表出現問題的時候，大家都知道那塊VacheronConstantin不錯，是次優的表，但是，當PartekPhilippe不在的時候，VacheronConstantin就可以接管MasterClock，這個重新選擇最佳時鐘的過程是非常快速的，因為，相當于已經默認了備份。

時間感知網絡利用對等路徑延遲機制。計算停留時間，即橋內的入口到出口處理，排隊和傳輸時間，以及鏈路延遲。

圖5-IEEE802.1AS的時鐘結構

gPTP應用快速生成樹RSTP，這是一種網絡中的節點路徑規劃，網絡配置后生成一個最優路徑，這個由TSN橋接節點計算并以表格形式分發給每個終端節點存儲，當一個TSN節點要發送數據的時候，它會先檢查這個表格，就會給出哪個路徑是最短的，每個節點都知道應該如何轉發，并整個網絡與最短路徑傳送至需要接收的節點。

例如，在圖5中，最左下方的802.1AS端點從上游CM接收時間信息，該時間信息包括從GM到上游CM的累積時間。對于全雙工以太網LAN，計算本地CS和直接CM對等體之間的路徑延遲測量并用于校正接收時間。在調整（校正）接收時間后，本地時鐘應與gPTP域的GM時鐘同步，當然，TSN網絡也是支持交叉通信的，就在于每個節點都會有RSTP生成樹所給出的路徑表。

802.1AS定義了多個場景中的延時測量機制，包括802.3全雙工的點對點連接、采用無源光學網絡（EPON）的連接，針對IEEE802.11無線連接方式，以及通用協調共享網絡，如圖6所示。

圖6-IEEE802.1AS定義多種場景的時鐘同步應用

圖7-IEEE802.1AS-Rev的保障機制

對于IEEE802.1AS而言，會出現主時鐘失效的可能性，而這是IEEE802.1TSN工作組制定的一種機制，它與AS的區別主要在于在主時鐘失效時快速切換到次優時鐘作為主時鐘。

802.1AS的核心在于時間戳機制（Timestamping）。PTP消息在進出具備802.1AS功能的端口時，會根據協議觸發對本地實時時鐘（RTC）的采樣，將自己的RTC值與來自該端口相對應的主時鐘（Master）的信息進行比較，利用路徑延遲測算和補償技術，將其RTC時鐘值匹配到PTP域的時間。當PTP同步機制覆蓋了整個AVB局域網，各網絡節點設備間就可以通過周期性的PTP消息的交換精確地實現時鐘調整和頻率匹配算法。最終，所有的PTP節點都將同步到相同的“掛鐘”（WallClock）時間，即主節點時間。在最大7跳的網絡環境中，理論上PTP能夠保證時鐘同步誤差在1μs以內。

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、增強了時間感知網絡的主時鐘切換時間等性能，為了更為嚴苛的網絡需求而設計，但是，主要原理均與AS相同。

延遲的計算

在gPTP中，時間同步的過程與IEEEStd1588-2008中采用相同的方式：主時鐘發送同步時間信息給所有直接與其連接的時間感知系統，這些時間感知系統在收到這個同步時間信息后必需通過加上信息從主時鐘傳播到本節點的傳輸時間來修正同步時間信息。如果這個時間感知系統是一個時間感知網橋，則它必需轉發修正后的同步時間信息（包含額外的轉發過程的延時）給與它連接的其他時間感知系統。

為了保證上述過程正常工作，這個過程中有兩個時間間隔必需是精確已知的：一個是轉發延時（稱作，駐留時間），另一個是同步時間信息在兩個時間感知系統之間的傳輸路徑上的延時。駐留時間的測量是在時間感知網橋內部的，測量計算比較簡單；而傳輸路徑上的延時則取決于諸多因素，包括介質相關的屬性和路徑長度等。

如圖8所示，為在MAC中的內部延時，以及在接收發送端口的延時，這些延時可以被精確計算。

圖8-數據傳輸過程中的延時

對于每一類型的局域網或傳輸路徑有不同的方法來測量傳播時間，但是這些方法都基于同一原理：測量從一個設備發送某個消息的時間以及另一個設備接收到此消息的時間，然后以相反方向發送另一個消息并執行相同的測量，如圖9和圖10所示。

圖9就是一個終端節點Requestor和Responder之間的測量過程：

圖9-標準的延時計算

在這個過程中，我們可以計算Pdelay的值如下公式：

而其比率r則如下式：

圖10-1次與2次方式的延時測量原理

圖10顯示的是測量路徑延時的方法，有1步和2步兩種，因為在這個網絡中可能有一個節點無法提供準確的時鐘，對于時間感知型節點而言，由于時間信息是隨著數據載荷發送的，因此，每個節點都會帶有時間信息，而對于有一些非時間感知網絡，則需要發送數據幀后再發送一個發送的時間信息給另一個節點，因此，對于IEEE802.1AS-Rev而言，是增強了在oneStep這種機制的支持，使得實時性得以提高-畢竟，多發一次也是要耗費時間的。

關于TSN技術，下一次會就TSN關鍵的Shaper整形器進行介紹