物聯網、5G、工業網際網路等新一代信息通信技術的發展，加快了傳統行業轉型升級的步伐，物物互聯的通信需求也隨之增加。傳統乙太網已經不能滿足越來越多的數據和廣泛分布的網絡需求，時間敏感網絡（TSN）技術應運而生。時間敏感網絡以傳統乙太網為網絡基礎，通過時鐘同步、數據調度、網絡配置等機制，提供確定性數據傳輸能力。
一、發展背景
1.1 概述
時間敏感網絡（TSN）是 IEEE 802.1 任務組開發的一套數據鏈路層協議規範，用於構建更可靠的、低延遲、低抖動的乙太網。TSN 的誕生和發展離不開傳統乙太網的技術支撐和行業需求的推進。
1.2 技術演進
乙太網技術誕生於 20 世紀 70 年代。1983 年，IEEE 802.3《IEEE 標準 乙太網》標準正式發布。乙太網由於高帶寬、低成本、互操作性強等優勢被廣泛應用，從同軸電纜慢慢發展成為千兆乙太網。2005 年，IEEE802.1Q-2005《IEEE標準 區域網和城域網 虛擬橋接區域網》標準正式發布，提出了虛擬區域網（VLAN）技術，使得區域網能夠同時支持聲音和圖像的傳輸。圖 1 給出了乙太網的發展歷程。
儘管乙太網技術一直處於不斷發展的過程中，交換技術的採用也大大減少了網絡延遲，但是乙太網協議採用的「Best-effffort」通信機制從本質上仍然缺乏確定性和實時性。為此一些標準化協會、技術組織等一直在推出各自的確定性網絡的實現機制，圖 2 給出了不同技術實現的集中確定性網絡。
在工業自動化領域，在 2000 年提出了多種提供工業乙太網實時性的解決方案，整體上推動了乙太網技術在工業自動化上的應用。根據 HMS的 2019 年工業網絡數據 a，新安裝工業自動化網絡節點中，Ethernet/IP b、Profifinetc、EtherCATd、Powerlinke 四種實時乙太網標準佔比超過 40%，此外還有 Sercos IIIa、CC-Link IEb 等實時乙太網標準。多種實時乙太網協議在物理層實現了統一，但解決實時性的技術路線各不相同，各種實時乙太網都形成了各自獨立配置的網絡系統，彼此之間形成了自動化孤島，存在互連互通互操作問題。同時導致標準乙太網和各種自動化系統的實時乙太網也不能直接相連。
在航空電子和汽車電子領域，隨著各種機械液壓控制轉向各種線控，對標準化的高可靠性時間觸發通信架構提出了要求。維也納大學等研究機構把時間觸發通信機制與標準的實時乙太網機制相結合，提出了時間觸發乙太網（TTE）技術方案，並在綜合航空電子系統中獲得應用。
2002 年，IEEE 發布 IEEE 1588-2002《IEEE 標準 網絡測控系統的精確時鐘同步協議》，啟動了在 IEEE 802 標準框架下形成統一實時乙太網的進程。2005 年，IEEE 802.1 成立了音頻視頻橋接（AVB）任務組，開始制定一套基於乙太網架構，用於實時音視頻的傳輸協議集。它有效地解決了數據在乙太網傳輸中的時序性、低延時和流量整形問題，同時又可以 100% 向後兼容傳統乙太網。
AVB 任務組的成果引起了車聯網、自動化網絡領域廠商和技術組織的關注，2012 年，AVB 任務組更改名字為TSN任務組，在其章程中擴大了時間確定性乙太網的應用需求和適用範圍。在 AVB 標準集的基礎上，TSN 任務組綜合了多個應用領域對時間敏感通信的需求，形成了一系列標準，建立了時鐘同步、數據調度和網絡配置等核心機制。TSN 和 TTE 位於數據鏈路層。網際網路工程任務組（IETF）在 2015 年 10 月成立了 DetNet 工作組，專注於網絡層及上層的廣域確定性網絡技術，旨在將確定性網絡通過網際互連協議 / 多協議標籤交換（IP/MPLS）等技術擴展到廣域網上。
1.3 行業需求
TSN 技術標準起源於音視頻行業，用於滿足廣播、直播、現場等公共媒體的高清視頻及音頻數據高實時、同步傳輸的高帶寬網絡應用需求，同時旨在用乙太網取代家庭中的高清多媒體接口（HDMI）、揚聲器和同軸電纜。
雖然 AVB 任務組的研究成果沒有廣泛應用於家庭娛樂設備，但已經在工作室、體育和娛樂等場所得到推廣。這一成功吸引了汽車界和工業界的關注。
在汽車領域中，隨著車載乙太網在高級駕駛輔助系統方面的需求日益增加，而傳統乙太網的高延時及其不確定是無法滿足無人駕駛或智能駕駛的車載音視頻同步、安全和車聯網交互等需求，因此極低延時的高帶寬乙太網傳輸技術應運而生。透過乙太網實現的 TSN 架構由於能夠增加產品的差異化、改善駕駛員的行車體驗。
同時在工業領域，許多工業自動化應用對於延遲的要求非常嚴格，以滿足實時數據傳輸的需求。但是，現有的大部分自動化控制解決方案都是基於傳統的乙太網實現的，而且各大廠商還研發了一些附加的技術機制，從而導致了協議之間互不兼容，使實時乙太網解決方案市場嚴重分散，無法支持未來工業網絡融合、一體化的發展。
因此智能製造、工業網際網路的快速發展，迫切地需要通過統一的乙太網實現高可靠低延遲、支持同步、具有良好兼容性的確定性工業通信。
1.4 TSN 價值
TSN 提供微秒級確定性服務，保證各行業的實時性需求。TSN 可以達到 10us 級的周期傳輸，性能優於主流的工業乙太網。並且 TSN 面向音視頻、工業、汽車等多種行業，將實時性延伸至更高的層次。TSN 降低整個通信網絡複雜度，實現周期性數據和非周期性數據同時傳輸。以工業為例，當前周期性控制數據使用工業乙太網傳輸，非周期性數據使用標準乙太網傳輸。TSN 通過其調度機制能夠實現周期性數據和非周期性數據在同一網絡中傳輸，進一步簡化了整個通信中的網絡複雜性。
TSN 統一網絡傳輸，提高經濟性。TSN 能夠幫助實現信息技術（IT）與運營技術（OT）融合，統一的網絡能夠減少開發部署成本，降低控制器等產品網絡配置所需的工程時間。
1.5 小結
乙太網經歷了串行通信、傳統乙太網、實時乙太網時代，目前進入確定性網絡時代。TSN 基於傳統乙太網，提供更可靠的、低延遲、低抖動的數據傳輸服務。除了 TSN 之外，近 10 年中也出現了一些網絡確定性的技術解決方案，包括工業乙太網、TTE、DetNet 等，但 TSN 無疑是當前最為成熟的確定性網絡技術之一。
二、TSN 技術
2.1 TSN 在 OSI 模型中的位置
TSN協議族位於開放式系統互連（OSI）模型的第二層，即數據鏈路層。它可以採用 IEEE 802.3 的乙太網或 IEEE 802.3cg《IEEE 標準 補篇 5：單對平衡導線上 10 Mb/s 運行和相關電力輸送的物理層規範和管理參數》的標準網絡來實現物理層。
TSN 協議族進一步可以劃分為三個子層：
（1）基礎層：IEEE 802.1AS-2020《IEEE 標準 區域網和城域網 橋接區域網中時間敏感應用的定時和同步》的時鐘同步和 IEEE Qat-2010《IEEE標準 區域網和城域網 虛擬橋接區域網 修正 14：流預留協議 (SRP)》、IEEE 802.1Qbv-2015《IEEE 標準 區域網和城域網 網橋和橋接網絡 修正25: 調度業務的增強》等調度協議；
（2）中間層：IEEE 802.1Qcc-2018《IEEE 標準 區域網和城域網 網橋和橋接網絡 修正：流保留協議 (SRP) 增強和性能改進》TSN 配置和IEEE 802.1AB《IEEE 標準 區域網和城域網 站和媒體訪問控制連接發現》定義的鏈路層發現協議（LLDP）等支撐協議，Yang 模型的定義等；
（3）應用適配層：各種應用配置協議。例如 IEEE 802.1BA-2009《IEEE 標準 區域網和城域網 音視頻橋接系統》面向 TSN 在 AVB 系統中的應用，IEEE 802.1CM-2018《IEEE 標準 區域網和城域網 時間敏感網絡應用於移動前傳網絡》面向 TSN 在移動通信前傳中的應用。IEEE802.1DG《車內乙太網通信的時間敏感網絡應用行規》面向 TSN 在車聯網中的應用，IEC/IEEE 60802《面向工業自動化的時間敏感網絡行規》面向 TSN 在工業自動化中的應用。此外，國際電工委員會（IEC）制定中的IEC TR 61850-90-13《電力自動化中的確定性網絡》面向 TSN 在能源領域的應用。
2.2 TSN 核心機制
TSN 協議族包含了時鐘同步、流量整形、數據調度、網絡配置、應用配置等方面的標準。在本節中，將介紹時鐘同步、數據調度、網絡配置等 TSN 核心技術。
2.2.1 時鐘同步
與 IEEE 802.3 的標準乙太網和 IEEE 802.1Q 的乙太網橋接相比，時鐘在 TSN 網絡中起著重要的作用。對於實時通信而言，端到端的傳輸延遲具有難以協商的時間界限，因此 TSN 中的所有設備都需要具有共同的時間參考模型，因此需要彼此同步時鐘。這不僅適用於諸如工業控制器和製造機器人之類的通信流的終端設備，而且對於網絡組件也是如此。在 TSN 中，主要的時鐘同步標準包括 IEEE 802.1AS 和其修訂版IEEE 802.1AS-Rev。相對而言，IEEE802.1AS-Rev 對於網絡的時鐘精度要求更高。
IEEE 802.1AS 所規範的協議嚴格保證了時間敏感的業務在基於以太的橋接網絡或虛擬橋接網絡等時延固定或對稱的傳輸媒質中的同步傳送。圖 4 給出了 IEEE 802.1AS 架構。其內容包括在網絡正常運行或添加、移除或重配置網絡組件和網絡故障時對時鐘同步機制的維護，並規範了 IEEE 1588 在 IEEE 802.1Q 和 IEEE 802.1D《IEEE 標準 區域網和城域網 媒體訪問控制（MAC）網橋》中的應用。 IEEE 802.1AS 和 IEEE802.1AS-Rev定義了廣義的精確時鐘同步協議（gPTP）。
與IEEE 1588不同，gPTP 支持媒體訪問控制（MAC）層的通信，是一個完全基於二層的網絡、非 IP 路由的協議。並且，gPTP 定義了一個媒體獨立子層，即使採用不同網絡技術，甚至不同的媒體接入技術的混合網絡，也可採用相同的時間域進行同步。這種情況下，這些時間敏感子網間信息的交換可以採用不同的包格式和管理機制。gPTP 為上層應用程式提供標準的接口定義，而 IEEE1588 沒有定義應用程式如何能得到或者提供時間信息。
2.2.2 數據調度
TSN 的數據調度是保證時間敏感的基礎，它的核心思想是基於不同的整形器（Shaper）來進行不同應用場景的流控制。IEEE 802.1 提供了一系列的標準來確保可靠性的數據傳輸，一般主要包括以下幾種情況。
（1）基於信用的整形器 CBS（Credit-Based Shaper）
CBS 整形器在 IEEE 802.1Qav-2009《IEEE 標準 區域網和城域網 虛擬橋接區域網 修正 12：時效性流的轉發和隊列增強》中規定，它可以通過對不同隊列賦予一個「信用值」來進行數據傳輸的調度，不同傳輸隊列的「信用值」會隨著數據傳輸的過程而自動更改，這樣就會保證優先級較低的數據也會得到數據傳輸的機會。CBS整形器主要在汽車工業得到應用，但相對工業應用而言還是具有較大的平均延遲。
（2）時間感知的整形器 TAS（Time Awareness Shaper）
TAS 一 般 分 為 兩 種： 搶 佔 式 和 非 搶 佔 式。 非 搶 佔 式 基 於 IEEE802.1Qbv，通過門控制列表（GCL）周期性的控制門的開 / 關，TAS 需要從發送方（Talker）到接收方（Listener）中間的所有網橋進行時鐘同步，對於網橋中的每個埠，TAS 根據已知且商定的時鐘表進行開關驅動動作，而數據調度則可以根據每個節點及隊列的優先級進行定義，在 IEEE802.1Qbv 的實現中，那些需要實時傳輸的數據流通常被第一個安排進行傳輸，需要在時間調度配置時預先予以確定，而與此同時，還需要為非周期性的數據預留一個通道。
注意，這裡的非周期性數據並不是低優先級的，相反，它的優先級更高，一旦數據需要發送，那麼就需要立刻安排調度。TAS 可以和 CBS 整形器結合使用，在這個機制下，除了原定計劃的周期性的調度和非周期性的預留調度外，還可以增加一個 CBS 整形器對其隊列內部的數據進行按照信用的排序調度。
在 IEEE 802.1Qbv 中所採用的 TAS 整形器存在一個問題，就是帶寬保護，也就是無論是周期性的數據還是非周期性的預留數據，都需要預留通道。但是，TSN網絡中還存在一些其他的數據，這些數據也是非周期性的，但是沒有足夠的預留通道，那麼這時的數據傳輸就是「Best-effffort」的數據調度。儘管這些數據是非周期性的，但是可能他們的優先級很高，因此，為了確保嚴格時間要求的數據傳輸，IEEE 802.1 Qbv 給每個周期預留了一個「標準乙太網」幀作為保護帶寬。
而為了節省帶寬，IEEE 802.1Qbu-2016《IEEE 標準 區域網和城域網網橋和橋接網絡 修正 26: 框架優先》規定了搶佔式的 TAS 整形器，在保證時間敏感任務數據可調度的前提下，儘可能的節省帶寬。搶佔式策略的原理是暫停非時間敏感型數據的傳輸過程，轉而傳輸時間敏感型數據，時間敏感型數據傳輸完成後，再繼續傳輸非時間敏感型數據，主要解決低優先級隊列對於高優先級隊列傳輸的影響。需要注意的是，搶佔式機制需要網橋節點和終端節點支持 LLDP。
（3）周 期 性排 隊 與 轉 發 機 制 整 形 器 CQF（Cyclic Queuing andForwarding）
CQF 整形器基於 IEEE 802.1Qch-2017《IEEE 標準 區域網和城域網 網橋和橋接網絡 修正 29: 循環排隊和轉發》。其中單流過濾和管控機制（PSFP）中的時間門控邏輯控制了時間敏感分組進入緩存隊列的時間，而時間敏感流增強調度（EST）機制中的輸出門控機制控制了分組離開輸出隊列的時間。基於對 PSFP 和 EST 機制的不同配置，TSN 交換機可以實現多樣的確定性轉發，滿足不同場景的需求。CQF 對 PSPF 和EST 機制進行配置，可以通過簡單的計算實現確定性的轉發延時。CQF也是目前 TSN 規範中確定的唯一配置方式。CQF 也可以與搶佔式機制進行配合，使得可以在隊列中避免低優先級反轉壓制高優先級數據的傳輸。
（4）異步數據流整形器 ATS（Asynchronous Traffic Shaper）
ATS 整形器基於 IEEE 802.1Qcr《IEEE 標準 網橋和橋接網絡 修正 :異步流量整形》標準，為了解決非周期性數據的傳輸零擁堵問題，並且針對周期性的數據傳輸而言，網絡的嚴格時鐘同步和隊列保護帶寬等原因無法最大的使用到網絡帶寬，ATS 進一步優化那些對於時間同步非嚴苛任務的帶寬利用。ATS 整形器旨在通過每跳重塑 TSN 數據流，並不要求網橋和終端節點同步，對於高實時要求和非實時業務混合業務模式下，ATS整形器也能保持帶寬的最大利用率。
2.2.3 網絡配置
面向時間敏感網絡應用，IEEE 802.1Qcc-2018《IEEE 標準 區域網和城域網 網橋和橋接網絡 修正 : 流保留協議 (SRP) 增強和性能改進》描述了三種用戶 / 網絡配置模型，這些模型為後續規範提供了體系結構。每個模型規範都顯示了網絡中不同實體之間的用戶 / 網絡配置信息的邏輯流。
（1）全分布模型
該模式下，用戶流的終端直接通過 TSN 用戶 / 網絡協議傳達用戶需求。網絡以完全分布式的方式配置，沒有集中的網絡配置實體。分布式網絡配置使用一個協議來執行，該協議沿著流的活動拓撲傳播 TSN 用戶 /網絡配置信息。隨著用戶需求在每個網橋中傳播，網橋的資源管理在本地有效地執行。這種本地管理僅限於網橋知道的信息，不一定包括整個網絡的信息。
（2）集中式網絡 / 分布式用戶模式
有些 TSN 用例在計算上很複雜，對於這樣的用例，將計算集中在單個實體（網橋或端）中，而不是在所有網橋中執行計算。一些 TSN用例可以受益於對網絡中所有流的完整了解，對於這些用例，實體可以收集整個網絡的信息，以便找到最佳配置。在集中式網絡 / 分布式模型中，配置信息直接指向或來自集中式網絡配置（CNC）實體。TSN流的所有網橋配置都是由這個 CNC 使用遠程網絡管理協議來完成的。CNC 對網絡的物理拓撲和每個網橋的能力有一個完整的視圖，這使得 CNC 可以集中複雜的計算。CNC 可以存在於端或網橋上，並且知道網絡邊緣所有與終端連接的網橋地址，CNC 將這些網橋配置為一個代理，直接在網橋和 CNC 之間傳輸信息，而不是將信息傳播到網絡內部。
（3）完全集中的模型
許多 TSN 用例需要在終端進行重要的用戶配置，例如在許多工業控制應用程式中，物理輸入和輸出（I/O）的定時是由所控制的物理環境決定的，TSN 的定時需求是由該 I/O 定時產生的。而這些 I/O 計時需求可能在計算上非常複雜，並且涉及到每個終端中應用軟體和硬體的詳細信息。為了適應這類 TSN 用例，完全集中的模型支持集中用戶配置（CUC）實體來發現終端和用戶需求，並在終端中配置TSN特性。從網絡的角度來看，完全集中式模型和集中式網絡 / 分布式用戶模型的主要區別在於：所有的用戶需求都在 CNC 和 CUC 之間進行交換。
2.2.4 幀複製與消除
IEEE 802.1CB《IEEE 標準 區域網和城域網 可靠性的幀複製和消除》通過在網絡的源端系統和中繼系統中對每個包進行序列編號和複製，並在目標端系統和其他中繼系統中消除這些複製幀，通過幀複製和幀消除過程為乙太網提供無縫冗餘特性，提高可靠性。當幀複製和消除機制被用於特定的網絡結構時，可以用來防止由於擁塞導致的丟包情況，也可以降低由於設備故障造成分組丟失概率及故障恢復時間，有效提高工業自動化網絡和車載乙太網數據交互的可靠性。
2.3 TSN 與新興信息技術融合
TSN 僅為乙太網提供了一套 MAC 層的協議標準，它確保數據在複雜網絡環境下傳輸的可靠性和實時性。在不同場景的應用需求下，TSN 與新興的信息技術融合加快未來 TSN 靈活的部署趨勢。
2.3.1 TSN 與 IP 網絡的融合
（1）一體化網絡架構技術
通過研究工業異構融合網絡架構、混合網絡容限分析等關鍵技術，為實現異構網絡協議的高速轉換、混合業務流的調度、時間敏感業務的確定性傳輸、網絡的動態重構等需求，需建立異構融合網絡的拓撲、資源、業務、性能管理的一體化網絡技術框架，並通過集中式控制的方式為基於 TSN 的工業異構網絡提供支撐。
（2）軟體定義網絡（SDN）技術
隨著工業網際網路的發展及部署應用，工業現場呈現出以網絡為中心的趨勢，為了應對複雜的工業異構網絡現場環境，需要建立統一管控工業現場（包括現場設備、控制層、管理層等）的綜合管控平臺。SDN 技術將數據平面和控制平面分離，並通過集中控制方式滿足定製化的工業業務需求，加快部署時間、提高網絡資源利用率，同時穩定硬體投入成本增長速度。
圖 9 給出了基於 SDN 的工業異構網絡架構，數據交換層的 SDN 交換機是一種為滿足時間敏感應用設計的支持 TSN 的自適應交換機，將對數據包的操作能力和操作時間進行封裝，接著由 SDN 控制器進行邏輯抽象和集中管理，將不同應用的服務質量（QoS）映射到 SDN 網絡基礎設施上，從而形成支持 TSN 分時操作的工業 SDN 統一管控架構。
（3）異構協議高速轉換技術
當前的工業異構網絡主要支持「單向」信息採集類業務的協議轉換，而 IT 網絡並不能支持下行協議的轉換。因此需要針對不完善的異構協議轉換機制，研製新的異構協議高速轉換技術，實現雙向協議轉換中的消息同步、功能完整和高效轉換，滿足消息事務處理、同步 / 異步處理、提升協議轉換效率等需求。進而使得傳統 OT 設備在未來的 TSN 網絡中，可通過「異構協議高速轉換技術」和 IT 系統進行諸如大數據分析、訂單排產和能源優化等數據和控制業務的交換。
（4）混合業務流調度
工業異構網絡中不同智能設備具有不同延遲流的數據交換要求，網絡承載的業務類型顯著增加，而不同業務對網絡的 QoS 需求也不同，針對不同業務種類的 QoS，工業應用主要分為採集類業務、交互式業務以及控制類業務。混合數據流具有不同的帶寬和實時性需求，且隨環境因素而變化，使得跨網實時調度問題更具挑戰。另外，實時調度方法直接影響數據流傳輸延遲上界，是保障傳輸實時性和 QoS 的核心環節。為實現全工業網絡信息的全面互聯互通，需要對網絡中存在的採集類、交互類和控制類混合業務流進行混合傳輸，保障包括控制類業務流的各種業務流的傳輸確定性是工業網絡最重要的任務。因此高確定性的混合業務流調度技術對於 TSN 技術的實現具有重要的意義。
（5）網絡動態重構技術
傳統工業乙太網無法滿足智能工廠產線重構、基於數據流動的工業智能處理等應用需求。當前任何設備和業務調整均需通過手工配製網絡參數進行使能，不能支持網絡動態重構。因此動態重構技術具有很大的理論和實際應用價值。通過動態重構技術可以改善工業網絡靜態配置，滿足 TSN 中在無需網絡或設備變動情況下將組件添加至實時系統中的問題。
（6）確定性網絡技術
IETF 的確定性網絡工作組專注於網絡層及更高層次的廣域確定性網絡技術。確定性網絡旨在第二層橋接和第三層路由段上實現確定傳輸路徑，這些路徑可以提供時延、丟失分組和抖動的最壞情況界限，以此提供確定的時延。確定性網絡在二層網絡的確定性路徑的實現主要依靠 TSN 標準實現。相比於 TSN，確定性網絡的工作範圍更加廣泛，通過 IP/MPLS 技術，以期實現三層的確定性傳輸。
2.3.2 TSN 與控制網絡協議融合
由於自動化領域的各種實時乙太網標準已在全球範圍內有大量安裝節點，因此其與 TSN 的融合具有巨大的現實意義。主流實時乙太網技術組織都提出了與 TSN 的融合方案，在二層與 TSN 兼容的同時也保留了各自的應用行規，從而與相應的自動化系統無縫集成。目前已有多個實時乙太網組織把先前的時間觸發報文調度機制基於TSN 重新實現，如 Profifinet over TSN、CC-Link IE TSN。
圖10 的 Profifinet over TSN 架 構 中，TSN 的實時和等時同步的特性無縫集成到 Profifinet 架構中，並維護現有的上層 Profifinet 功能，包括關於 Profifinet 的診斷、配置、報警等服務內容保持不變。這使用戶和設備製造商在 TSN 網絡中繼續使用原來他們開發的應用程式，也使現在提供實乙太網技術解決方案的製造商，確保他們的技術具有可持續性。
而為了將 EtherCAT 的應用領域進一步擴展到異構網絡環境中，EtherCAT 將 TSN 技術補充到了 EtherCAT 中並定義了「EtherCAT TSN 通信行規」，在此規範下 EtherCAT 主站和各個 EtherCAT 網段之間、各個EtherCAT 主站之間可以通過 TSN 交換機連接，把 EtherCAT 網段和 TSN流相適配。在此過程中，通過 TSN 網絡無需對 EtherCAT 從站設備進行更改，多個工業控制器都可以通過乙太網網絡與多個不同的 EtherCAT 網段進行實時通訊。
在可以預期的將來，隨著各廠商控制協議與 TSN 融合技術的完善。各種不同的實時乙太網控制器和 IO 網段都可以物理連接在一個 TSN 網絡裡，通過 TSN 交換機的配置，實現若干個獨立的實時流映射到不同的實時乙太網應用層協議。
2.3.3 TSN 與 OPC UA 融合
目前工業界較為普遍的共識在於實現 OPC UA over TSN，OPC UA與 TSN 分別在整個架構中扮演不同的角色，OPC UA 主要解決語義互操作、垂直行業信息模型、上層傳輸如 C/S 結構、Pub/Sub 結構的傳輸，以及信息安全的機制，而 TSN 則負責為其提供實時性、統一的底層網絡支撐，兩者合起來構成了實現整個工業 RAMI4.0/IIC 的工業網際網路參考架構（IIRA）的通信框架。不僅如此，OPC UA 在機器學習、數字孿生與底層物理系統交互中也將扮演重要角色，因此，OPC UA over TSN 是未來整個工業通信網絡發展的一個重要趨勢。
（1）OPC UA over TSN 的結構
OPC UA 將實現與 TSN 在控制、傳感器層的連接能力，也包括實現與 5G、GSM 等的連接能力。
（2）OPC UA FLC
在整個數位化製造的框架中，由 OPC UA 基金會組織的現場層通信(FLC) 工作組主要聚焦將 OPC UA 與 TSN 融合，IEC 與 IEEE 合作成立了IEC/IEEEE 60802 工作組，旨在將 OPC UA 與 TSN 融合，由 OPC UA 統一實現對 TSN 的網絡配置功能。
OPC UA 通過信息模型支持語義級通信，已成為 RAMI4.0 等智能製造架構的主流通信協議，OPC 基金會發起了 FLC 項目，使得 OPC UAover TSN 既滿足車間級的 M2M 橫向通信，也滿足現場層的等時同步通信。
2.3.4 TSN 與 5G 融合
在前傳網絡中，經歷了幾代的發展，其中就包括大家熟知的 3G、4G 等，而近兩年大熱的 5G 也屬於這個領域的。5G 是第五代移動通信技術，具有高可靠、低時延的特性，工業網際網路應用場景將在 5G 應用拓展方面佔據至關重要的地位。基於以上特性，5G 成為工業設備無線接入 TSN 網絡的適配解決方案，不僅提供了更好的可靠性和傳輸延遲。同時 5G 系統靈活部署的特性也可以很好的解決工業現場環境複雜多變的情況。
在 IEEE 802.1CM-2018 中，定義了適用於前向傳輸的時間敏感網絡。IEEE 802.1CM-2018 對橋接網絡中網橋的要求進行了嚴格的定義，首先要符合 IEEE 802.1Q 標準中對於網橋的要求，規定了橋接網絡支持插入快速通信、幀搶佔、支持 64 位片段的大小配置等功能。除此之外，對網橋的同步要求，也規定了必須支持電信 ITU-T G.8275.1/Y.1369.1《支持網絡定時的相位 / 時間同步精準時間協議電信概括》配置文件中的一個或多個相關時鐘。
在對端站的要求中，同樣也規定了除 IEEE 802.1Q 中的一些要求外的同步的規定，其中包括支持的三種類型流的埠以及支持 ITU-T G.8275.1中的一個或多個時鐘等要求。IEEE 802.1CM-2018 中對前傳也進行了介紹和規定，並說明了通過橋接網絡可以來滿足這些要求，其中包括除了點對點連接之外，橋接網絡還能夠在需要時提供 eRE/RE 和 eREC/REC 之間的多點對多點和根點連接。
同時在 IEEE 802.1CM-2018 中，重點描述了橋接和同步功能，其中包括延遲組件、網橋延遲計算、幀搶佔、網絡同步、流控制以及節能乙太網。
圖 14 給出了一個 TSN 與 5G 交互的高級網絡架構示例。
這種架構允許 TSN 系統將整個 5G 系統視為一個開關，即 5G 系統變成一個具有 TSN 功能的「交換機」。5G 系統通過 N5 和 N6 接口與外部實體交互。應用程式功能 (AF) 的 N5 接口負責接收來自外部系統的配置請求。數據網絡 (DN) 的 N6 接口負責接收通過 5G 系統傳輸的分組數據單元 (PDU)。TSN 適配器負責將 TSN 系統作為 DN 和 AF 呈現給 5G 系統，同時利用可用的 5G 技術，儘量減少 5G 系統定製到 TSN 特定功能。5G系統應該簡單地支持 TSN 系統可以使用的某些操作能力。為了實現 5G 系統的「TSN 交換機」功能，需要解決四個方面的主要問題。
（1）本地部署
傳統的蜂窩網絡部署側重於廣域部署，即宏觀網絡。工業製造業通過本地部署通信網絡的方式更方便的實現高實時性和高可靠性的需求，同時工廠可以實現工廠內部的數據隱私。3GPP 架構可以支持本地部署的無線接入網絡和數據網關。
（2）5G 網橋
除了通過 5G 本地傳輸乙太網幀外，它還需要支持廣播 / 多播包，這些包通常用於區域網而不是蜂窩系統。另一個主要的區別是乙太網地址和交換路徑是通過學習橋發現的，而不是像典型的蜂窩系統 IP 地址那樣分配地址。另外，由於乙太網報頭與有效負載的大小不同，報頭壓縮可以顯著提高系統容量。
（3）時間同步
5G 基礎設施不僅需要能夠將工廠主時鐘連接到 5G UE，還需要能夠將機器連接 5G UE。
（4）QoS
QoS需要支持基於跨工廠同步時間的「時間感知調度」。為了識別流量，5G 系統需要理解乙太網報頭和 VLAN，而不是典型的 IP 地址。同時為了保證延遲還需要正確分配資源，必須理解 TSN 端到端的配置。由於運動控制流量的可預測性和周期性，它也很好地符合 3GPP 中定義的半持續性調度 (SPS) 方案。
2.3.5 TSN 與邊緣計算融合
邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺。邊緣計算的核心，將計算任務從雲計算中心，遷移到產生源數據的邊緣設備上，不再全部上傳至雲計算平臺，能夠滿足數據隱私和數據安全性問題、降低運營成本、交互性和彈性、自治能力等方面的關鍵需求。
在工業現場環境中，複雜多樣的總線協議標準、產生的複雜多樣的數據、對通訊實時性更高的要求，這些都是影響邊緣計算發揮其作用的因素。引入 TSN 網絡能夠有效保障邊緣計算的過程中複雜數據傳輸的可靠性及實時性。
在 2018 年雪浪大會上，美國國家儀器公司（NI）構建了在基於 NI模塊化、開放式平臺的 IIoT 系統上，實現了納秒級分析和控制、採集任意傳感器的數據、適用於邊緣計算的硬體以及使用 TSN 同步的架構。TSN 技術的使用，可以達到邊緣節點的同步精度高達 100ns，這是 IIoT系統的一項重大突破。在不遠的將來，TSN 與邊緣計算的深度融合將提供一個高實時高確定的開放互聯通信網絡，為智能製造、智慧城市、智慧交通等領域的發展提供強有力的底層保障。
2.4 小結
TSN 位於 OSI 七層模型中數據鏈路層，能夠與傳統乙太網進行兼容。TSN 的時鐘同步、數據調度、網絡配置、幀複製與消除等核心機制保證了物理層和數據鏈路層的確定性時延。TSN 與 IP 網絡、控制網絡協議、OPC UA、5G、邊緣計算等新興信息技術的融合能夠使網絡的確定性延伸至網絡層及更高層，有助於實現 TSN 在不同領域的部署。
三、標準化進展
3.1 標準化組織
3.1.1 國外標準化組織
IEEE 802.1 TSN 任務組。TSN 是由 IEEE 802.1 工作組下 TSN 任務組開發的一套標準。
TSN 任務組的前身是 AVB 任務組，成功解決了音視頻網絡中數據實時同步傳輸的問題，從而得到了汽車和工業界的關注。AVB 任務組共發布 4 項標準，包括了 gPTP、流預留協議（SRP）、基於信用的整形器、音視頻系統配置等內容。
2012 年，AVB 任務組擴大了 AVB 的應用需求和業務範圍，更名為TSN 任務組。該任務組的工作內容是通過 IEEE 802 網絡提供確定性服務，例如具有低時延、低時延抖動和低丟包率特性的保證分組傳輸，更新標準乙太網協議，為時間敏感型數據制定了低延遲數據傳輸標準。目前 TSN任務組發布 13 項標準，豐富了增強了數據調度、網絡配置和流量整形的各個機制。
3.1.2 國內標準化組織
SAC/TC 28。全國信息技術標準化技術委員會數據通信分技術委員會（SAC/TC 28/SC 6）正在制定 2 項 TSN 的國家標準，一是《信息技術 系統間遠程通信和信息交換 區域網和城域網 橋接和橋接網絡》（計劃號：20190835-T-469），該標準修改採用 ISO/IEC/IEEE 8802-1Q:2016 國際標準。二是《信息技術 系統間的遠程通信和信息交換 區域網和城域網 橋接區域網用時間敏感應用的定時和同步》（計劃號：20194195-T-469），該標準修改採用 ISO/IEC/IEEE 8802-1AS:2014 國際標準。兩項標準規定了 TSN的關鍵技術和主要的協議機制。
SAC/TC 124。全國工業過程測量控制和自動化標準化技術委員會也在研究 TSN 在工業領域應用。正在制定《基於時間敏感技術的寬帶工業總線規範 AUTBUS》（計劃號：20194001-T-604）。
CCSA。中國通信標準化協會（CCSA）也在進行確定性網絡的標準化研究工作，研製《超高精度時間同步接口要求》（計劃號：2019-1248T-YD）、《增強型同步設備時鐘技術要求》（計劃號：2019-1250T-YD）、《路由域通用 YANG 數據模型技術要求》（計劃號：2019-1276T-Y）相關通信行業標準。
3.2 行業技術組織
AVnu 一直致力於建立和推廣 IEEE 802.1 AVB 網絡標準，建立了一整套一致性測試流程從而確保所有基於 AVB 網絡架構的音視頻設備之間的兼容性和互通性。聯盟成員一同致力於將 TSN 標準應用於音視頻、汽車、消費電子以及工業。一旦廠家的產品通過了 AVnu 的測試，就可以在其產品上使用 AVnu 的標誌。
OPC 基金會。2017 年，OPC 基金會開始關注 TSN 技術與 OPC UA的融合問題。2018 年 5 月，成立新的工作組來識別 OPC UA 和 TSN 的協調需求，映射與包括 TSN 在內的乙太網上的實時操作有關的 OPC UA 應用程式配置文件，與 IEC/IEEE 60802 工業自動化 TSN 配置文件相適配，並將 OPC 基金會的標準和規範擴展到現場，從而推動 OPC UA 在整個工業自動化中的採用。
在最近的工作計劃中，OPC 基金會繼續把 OPC UA 與 TSN 映射列為工作目標之一。把 OPC UA PubSub 的傳輸映射添加到 TSN，基於此映射，可以在 UA 應用程式之間進行確定性的數據交換。
3GPP。隨著 5G 的快速發展，5G 和 TSN 融合也成為一項研究熱點。在 3GPP Rel. 16 的規劃中，3GPP 降低了 5G NR 的延遲，增加了可靠性，以便支持 5G 在時間敏感的工業場景下應用，更好地集成 5G 和 TSN。
EtherCAT 技術協會的《EtherCAT 與 TSN——工業乙太網系統架構的最佳實踐》白皮書於 2018 年發布。通過利用 TSN，多個工業控制器可以通過乙太網網絡與多個不同的 EtherCAT 網段進行實時通訊。TSN 還擴展了用於控制之間通訊的 EtherCAT 自動化協議 (EAP)，從而在控制層上更具有確定性。
3.3 小結
TSN 是 IEEE 802.1 工作組研究制定的一套標準協議。目前國內外標準化組織及行業協會等，均十分重視 TSN 技術及應用標準化工作。標準能夠使 TSN 獲得更大範圍內的應用推廣，為 IT 與 OT 融合、統一網絡傳輸提供支撐。
四、應用場景
4.1 智能製造
4.1.1 現狀
智能製造代表著先進位造技術與信息化的融合，概念提出至今僅 30年，已發展到至今以萬物互聯為主要特徵的網絡化製造階段。這一階段依賴於生產系統、信息系統、工業應用、雲等各系統間充分的協調及融合。而傳統的工業網絡結構由於 IT 和 OT 網絡技術標準各異，底層數據鏈路無法打通，導致工業生產全流程存在大量「信息死角」，無法為大規模複雜數據的交互和傳輸提供一個完整的共性平臺，TSN 網絡在工業中的部署可以幫助解決這個關鍵問題。
TSN 提了一個可互操作的系統，並支持多個製造商、協議和機構在同一個網絡上共享，同時數據使用相同的語言進行解析，使得更多企業可以在此架構上實現 OT 和 IT 的融合。使得過去人們對於 IT 與 OT 連接的各種障礙得以獲得一個清晰而可行的解決之道，最終實現工業互聯，在這個基礎上，大數據應用、人工智慧分析等才能被實現，在工業現場環境下，TSN 網絡較工業乙太網主要有以下幾個優勢：
一是同一的網絡傳輸，提供了市面上更低成本的網絡接口。二是優於目前工業乙太網的擴展性。TSN 對傳輸速率的定義靈活。可用於 100 Mbps，也可同樣用於 1 Gbps、10 Mbps 或 5 Gbps。三是 TSN 能夠更好的優化拓撲結構，因為現在可以針對各個不同的區段選擇與之相適應的數據速率。無論是 1 Gbps、100 Mbps 還是 10Mbps，都使用統一的第 2 層——IEEE 802.1/TSN。四是統一的網絡基礎設施易於建設和維護，因為通過 TSN，解決方案現在可以用於自動化以外的其它領域，如建築、過程和工廠自動化以及能源分配等。
4.1.2 TSN 行業實現
工廠的運營者面對 TSN 網絡部署的趨勢，強調的重點都是如何讓工廠的網路結構能夠輕鬆順利地過渡到 TSN。近年來各大廠商也提出了相應的協議解決方案來保障工業乙太網協議不會在一夜之間消失。如Powerlink on TSN、CC-LINK IE TSN 等，幫助當前正在使用 Powerlink、Profifinet、CC-LINK IE 或類似普遍的工業乙太網協議的工廠能夠升級協議來兼容 TSN 網絡方式。現有工業網絡的接口由網關 (Sercos)、帶耦合器 (EtherCAT) 或沒有任何特殊硬體 (Profifinet RT) 的接口組成。特別是Profifinet 和 EtherNet/IP 計劃將其完整協議作為第 2 層用於 TSN，這使得現有的工廠乙太網方式順利過渡到 TSN 成為可能。
隨著TSN網絡的繼續發展，更多新的協議將會出現在工業乙太網領域。對於現場設備的製造商來說，這意味著它們不得不同時支持傳統的工業乙太網解決方案以及 TSN 和新協議。
4.1.3 應用 TSN 的核心標準
主要應用於工業領域的 TSN 技術標準包括 IEEE 802.1AS 時鐘同步、IEEE 802.1Qbv 時間感知調度程序、IEEE 802.1Qcc 網絡管理和配置、IEEE 802.1CB 高可靠、IEEE 802.1Qci 逐一串流過濾與管理等。未來 5 年，隨著 TSN 技術不斷的落地及推進，智能製造將會成為TSN 技術主要應用的核心場景之一，第一批時間敏感型網絡產品的部署實施也會讓我們越來接近智能製造新階段這一事實。
4.2 車聯網
4.2.1 現狀
在智能網聯汽車時代浪潮下，隨著處理器運算能力和硬體的高速發展，使得許多創新在汽車環境下得到迅速推進，汽車電子產品在整車中所佔比重也與日俱增，連接電子控制單元（ECU）的網絡帶寬需求也相應的增大，這一需求將遠遠超出控制器區域網路（CAN）等傳統車載網絡的容量極限。此外，伴隨著車輛網聯化、智能化的推進，雲和大數據的運用，以及高級駕駛輔助系統（ADAS）的普及，構築新電子網絡總線平臺已經成為新一代汽車的必然任務。
目前乙太網在車內的主要應用形式還是點到點以太化總線連接方式，且總線各具特色、復用性差，導致車內網絡結構複雜，通常一輛整車上需使用 5 至 14 種總線技術，繁雜的總線類型無法融合，在未來汽車電子化、智能化的趨勢下，增加了設計難度和生產成本。如何構建統一的網絡架構，在混流的條件下，保證各種不同類型的流量對端到端傳輸，並滿足時延、抖動、丟包率等需求，是車載智能平臺遇到的技術難點。TSN 技術標準就是未來的解決方案。
4.2.2 TSN 行業實現
車載網絡以高速乙太網作為骨幹網絡，目前新的車內網絡架構將核心域控制器（動力總成、車身、娛樂、ADAS）連接在一起。各個域控制器在實現專用的控制功能的同時，還提供強大的網關功能。這種基於域控制器的架構改變傳統的車載網絡中 ECU 到 ECU 的點到點通信方式，如：在車身控制域內部，各部件通過 CAN、LIN 溝通實現數據共享。在娛樂子網中，娛樂域控制器與其子部件的通信將通過乙太網實現，當一個域需要與其他域交換信息時則經由網關、乙太網路由實現。而車載乙太網協議架構對應 OSI 參考模型，主要分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層，每一層都有各自的功能，車載乙太網的協議架構圖和支持的應用協議及協議簇見圖 17。
基於以上架構，目前車載 TSN 網絡，在現有的 IEEE 802.1 與 IEEE802.3 乙太網絡標準增加一系列的擴展功能，進一步確保其確定性效能。透過乙太網絡實現的 TSN 架構由於能夠增加產品的差異化、改善駕駛人的行車體驗。為了廣泛布署這項重要的技術架構，業界標準組織正為此車用網絡技術進行標準化。最終，一旦這些新的確定性功能塵埃落定後，將使 TSN 網絡成為更具可行性的選擇，從而取代目前汽車中所使用的傳統網絡，最終成為汽車的核心網絡骨幹，實現整車網絡的融合統一。
4.2.3 應用 TSN 的核心標準
主要應用於車聯網領域的 TSN 關鍵技術標準包括 IEEE 802.1AS 時鐘同步、IEEE 802.1Qbv 時間感知調度程序、IEEE 802.1CB 高可靠、IEEE802.1Qci 逐一串流過濾與管理標準。未來隨著 TSN 技術標準的更新與完善，及 TSN 技術成果轉化的不斷落地，TSN 技術在車載網絡的應用將會成為未來車載網絡構架主要趨勢。
4.3 音視頻
音視頻製作、直播、廣播、電影院、現場音樂會的公共廣播媒體和應急系統等傳輸音頻和視頻信息的網絡需要遵守嚴格的時序規則。如果音頻或視頻分組不能按指定的時序規則到達目的地，則接收設備（例如視頻屏幕或揚聲器）可能會發生視頻幀被丟棄、音頻偽像的情況。此外，這種網絡還需要可預測的延遲，保證視頻和相關音頻流之間的同步。另一方面，足球賽事的實況轉播有很多高清的數據要通過網絡傳輸到處理中心，對帶寬的需求極大。而且為了最大限度的提供實時性，這些圖像、音頻必須實現高實時的傳輸與處理，可以想像其對帶寬和實時性的需求。
AVB 任務組成功解決了音頻視頻網絡中數據實時同步傳輸的問題，藉助 AVB 能較好的傳輸高質量音視頻。隨著技術標準的革新，在專業音視頻領域，AVB 標準落後於專有競爭對手 Dante 數字音頻傳輸技術，所以 TSN 是否是專業音視頻領域的趨勢還有待商榷。
4.4 小結
TSN 致力於適應於不同行業的通信需求，目前在智能製造領域得到了大力推廣。TSN 能夠為工業網絡提供微秒級確定性數據傳輸，降低網絡複雜度。雖然學術界和產業界認為 TSN 有著廣泛的應用前景，但是目前 TSN 還沒有實際的產業化應用，處於測試床階段。
五、產業圖譜
TSN 的技術趨於成熟，行業應用初見雛形。已有晶片廠商和設備廠商推出支持 TSN 特性的交換晶片和支持部分特性的 TSN 交換機。來自工業自動化和汽車領域的企業開始研究和應用 TSN 的解決方案。科研機構、標準化機構和測試廠商初步組成了「技術 - 標準 - 檢測」產業技術路徑。TSN 的產業圖譜如圖 18 所示。
5.1 TSN 晶片
主流半導體公司正積極在晶片級支持各類 TSN 網絡終端設備和交換設備的開發。
荷蘭恩智浦半導體（NXP Semiconductors）公司的 LS1028A 工業應用處理器內置了 TSN 轉換器和 TSN 終端模塊。德州儀器（TI）公司的Sitara 處理器、瑞薩電子（Renesas Electronics）公司 RZ/N1D 處理器都內置了 TSN 支持。NXP 和亞德諾半導體（ADI）公司也推出了專用 TSN 交換晶片。賽靈思（Xilinx）等 FPGA 廠商，也提出了基於現場可編程門陣列（FPGA）的 TSN IP 核心解決方案。在可以預期的未來，基於 TSN 的乙太網 MAC 將被普遍集成到各類嵌入式 SoC（System-on-a-Chip）晶片中。
5.2 網絡設備
5.2.1 TTTech TSN 網卡
TTTech 推出 PCIE-0400-TSN 網卡。該網卡是一個基於 FPGA 的超薄 型 千 兆 以 太 網 接 口 卡， 支 持 IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv、IEEE802.1Qbu、IEEE 802.1Qcc 等標準，用於將工控機連接到符合 IEEE 802.1TSN 的網絡。PCIE-0400-TSN 具有四個 10/100/1000 Base-T 乙太網埠，可用於從生產層到 IT 層的融合網絡中構建確定性控制應用。
5.2.2 思科交換機
思科展出了（IE）4000 系列 TSN 交換機，該交換機為工業領域提供高帶寬交換（第 2 層）和經過驗證的基於 Cisco IOS 軟體的路由（第 3 層）功能。IE 4000 系列交換機可承受極端環境，同時符合整體 IT 網絡設計，合規性和性能要求。它們使用思科彈性乙太網協議（REP）提供高度安全的訪問並且支持工業協議。具有更高的整體性能，更大的帶寬，更全面的功能集和增強的硬體，可提供：具有 Cisco DNA 中心管理的擴展企業功能，並支持物聯網的軟體定義訪問擴展；帶寬和容量：40-Gbps無阻塞交換容量，每個交換機最多 20 個千兆乙太網埠；一個簡單的，即用即付的軟體升級路徑，帶有通用軟體映像；它支持高密度工業有源乙太網（PoE）/ PoE+ 支持，可為多達 8 個電源設備提供在線電源，如 IP 攝像頭，電話或無線接入點。
5.2.3 赫斯曼交換機
2017 年百通（Belden）發布了其模塊化管理的赫斯曼（Hirschmann）交換機類型 RSPE35 和 RSPE37 的軟體更新，使得在這些交換機上實現TSN 功能成為可能。此外，這兩種 RSPE 類型的舊交換機也可以針對TSN 技術進行升級。
根據 Belden 的說法，RSPE 產品系列的管理型交換機包括一個帶有八個雙絞線和四個組合埠的基本單元，可以通過各種媒體模塊進行擴展。RSPE35 和 RSPE37 版本支持符合 IEEE 1588-2008 的精確時間協議（PTP），並具有 FPGA 模塊，這意味著可以實現基於硬體的選擇性冗餘機制，如高可用性無縫冗餘（HSR）、並行冗餘協議（PRP）。
5.2.4 摩莎 TSN 交換機
摩 莎（MOXA）推出 2 款 TSN 交換機 TSN-G5004 和 TSN-G5008，採用緊湊型設計，配有用戶友好配置界面的全新 Moxa web GUI，簡化了網絡部署。支持 IEEE 802.1 AS ，IEEE 802.1 Qbv 等 TSN 協議，並將進一步提供對其他 TSN 協議的支持。
5.2.5 研華 TSN 交換機
研華公司於 2020 年發布了 EKI-8500G 工業級 TSN 乙太網交換機，採用 TSN 專用晶片設計，具備 8 個千兆 RJ45 埠 + 2 個千兆 SFP 埠。支持 IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbu、IEEE 802.1Qbv 和 IEEE 802.1CB 等TSN 協議。
5.2.6 東土 TSN 交換機
東土推出 2 款 TSN 交換機 SICOM3000TSN、SICOM3028TSN 及基於基於 SDN 的時間敏感網絡交換機的組網管理配置平臺，具有完成 IEEE802.1Qbu、IEEE802.1Qbv、IEEE802.1Qci、IEEE 802.1Qch、IEEE 802.1Cr 等協議功能模塊，工業現場級時間敏感網絡交換機支持 8 口 , 提供 8 個千兆埠，其中包括兩個千兆光口和 6 個千兆電口10/100/1000BASE-TX；車間級時間敏感網絡交換機支持 24 口， 提供 24個千兆埠，其中包括兩個千兆光口和 22 個千兆電口 (10/100/1000BASETX)；2 個萬兆光口；Console 接口支持 RJ45 接口，ALARM 接口支持１個 DI、1 個 DO 。
5.2.7 華為 TSN 交換機
2018 年的漢諾瓦工業展上，華為展出了中國國內第一款 TSN 交換機樣機，支持 IEEE 802.1AS 和 IEEE 1588v2 時鐘同步協議，支持 IEEE802.1Qbv（門控調度），IEEE802.1Qbu（幀搶佔），IEEE 802.1Qci（流過濾），IEEE 802.1CB（無縫環網冗餘）等 TSN 協議。同時打通了 OPCUA 至 TSN 協議棧，並可通過 YANG 模型從網絡控制器對網絡中 TSN 交換機進行集中配置。樣機集成了 8 個千兆（GE）TSN 埠，具有雙電源備份功能。
5.2.8 新華三 TSN 交換機
H3C 推出 2 款 TSN 工業交換機 IE4320-10S-UPWR、IE4320-10S，同時支持基於 SDN 的時間敏感網絡交換機的網絡管理配置平臺，目前已支持 IEEE802.1as，IEEE802.1Qbv，IEEE802.1Qcc 等 TSN 特性；具體性能為：轉發延時最低小於 10us 秒，時延抖動最高指標能達到正負 2us 內，802.1Qbv門控精度可達到ns級。這兩款設備可部署在工業現場和車間網絡，支持 IP40 防護等級，包括 8 個千兆電口 + 2 個萬兆光口，1 個 Console接 口（RJ45） 和 1 個 ALARM 接 口（1 個 DI，1 個 DO），IE4320-10SUPWR 的 8 個千兆電口支持 POE 方式供電，工作環境溫度滿足 -25 ～ 55℃的要求。
5.3 測試床
5.3.1 貝加萊測試床
2017年SPS貝加萊（B&R）展出OPC UA over TSN系統，如圖19所示。
該系統總計 200 個 I/O 站接近 10,000 個 I/O 點，5 個 1920*1280 的高清攝像頭，採用 1 個工業 PC 和 2 個橋節點（TSN 交換機）連接，整個系統達到的性能為 100μS 的刷新速度、50nS 抖動、50μS 交叉通信能力。
截止 2019 年 11 月，貝加萊的 TSN 產品可批量化的產品為工業計算機（APC）和 X20BC008T 的 TSN 總線控制器，可以構成的拓撲架構如圖 20 所示。
5.3.2 華科 + 電子標準院測試床
中國電子技術標準化研究院和華中科技大學／國家數位化設計與製造創新中心聯合搭建的 TSN 測試床。測試床的網絡拓撲如圖 21 所示。
TSN 測試床當前主流的 TSN 交換機設備和終端設備，用於進行 TSN設備的兼容性測試、互操作性測試，面向典型應用場景的網絡配置和性能測試。
在兼容性和互操作性測試方面，目前主要針對 IEEE 802.1AS、IEEE802.1Qbv 和 IEEE 802.1Qcc 的核心內容進行測試。
在網絡延遲和抖動等性能測試方面，主要參照正在制定中的 IEEE60802 標準，對 8 種類型網絡流量的的 QoS 進行測試。
5.3.4 IIC 測試床
工業網際網路聯盟（IIC）搭建了多個 TSN 測試床，如柔性製造 TSN測試床，參與的廠商 / 技術組織超過二十多家。
5.3.5 LNI4.0 測試床
LNI4.0 是德國電氣電子協會（ZVEI）、德國機械設備製造業聯合會（VDMA）、德國信息技術、電信和新媒體協會（bitkom）等協會和西門子（SIEMENS）、思愛普（SAP）、費斯託（FESTO）等企業發起的技術組織，LNI4.0 搭建了多個面向數字製造的測試床，包括 TSN 測試床。該 TSN 測試床也得到了通信廠商和自動化廠商的廣泛支持，目前開展了多次接口兼容性測試，重點包括 IEEE 1588-2008、IEEE Std 802.1AS 時鐘同步協議測試和 IEEE 802.1Qbv 流量調度驗證。目前，LNI 4.0 測試床正圍繞制定中的 IEEE 802.1CS、IEEE 802.1Qdd，進行 TSN 網絡分布式配置的驗證實驗。
5.3 小結
目前 TSN 產業初具規模，產業鏈包括了科研機構、標準化機構、晶片廠商、設備廠商、應用廠商和測試廠商。TSN 產品主要包括晶片、交換機等終端設備以及測試床。從 TSN 產業發展看來，國內外差距明顯。大部分的 TSN 晶片廠商和設備廠商為國外企業。國內廠商主要以開發TSN 交換機為主，但數量遠遠不及國外廠商。
六、展望
隨著智能製造進入高速發展階段，IT 與 OT 的不斷融合，工業對網絡傳輸實時性、統一網絡架構的需求變得迫切。TSN 允許周期性與非周期性數據在同一網絡中傳輸，並且能夠提供實時可靠的數據傳輸服務，目前是國內外產業界正在積極推動的工業通信技術。
在技術標準方面，IEEE、IEC 等組織均在制定 TSN 關鍵技術以及應用於工業的底層互操作性標準與規範。在應用落地方面，自動化設備廠商、網絡設備廠商紛紛推出符合相關 TSN 標準的晶片、交換機、終端設備等，加快推進了 TSN 協議標準的落地。隨著 TSN 技術日趨完善，許多企業、組織嘗試將 TSN 與其他信息技術進行融合，拓寬 TSN 的應用領域。總體來說，TSN 還處於技術攻關和產業落地的關鍵時期，因此有四點建議。
一是加大 TSN 晶片、網絡設備的研發力度。目前國內廠商推出的TSN 晶片、網絡設備寥寥無幾，面市的 TSN 交換機僅滿足少數 TSN 標準。大力推進晶片、網絡設備研發，對 TSN 技術成果及時進行轉化，避免出現「缺芯」問題：
二是健全 TSN 標準體系，開展相關國家標準研製工作。繼續依託SAC/TC 28、CCSA、SAC/TC 124 開展 TSN 關鍵技術以及 TSN 在通信、工業等領域應用標準的研製工作，加強國際標準和國家標準的相關轉化。注重標準技術組織之間的聯絡溝通，保障標準的協調一致。
三是加強 TSN 技術與新興網絡技術融合的研究工作，為智能製造、電力等領域提供綜合解決方案。通過融合 TSN、5G、F5G 等高帶寬網絡技術，形成廣義的時間敏感型骨幹網絡，提供低延遲接入機制。通過 TSN與邊緣計算平臺的融合，為預測性維護、數字孿生等端 / 邊 / 雲協同等工業應用提供支撐。
四是加快 TSN 行業應用推廣，建設 TSN 的行業應用試點。TSN 在智能製造、車聯網領域的應用前景可期，但目前實際應用較少。建議政府設立相關資金支持，鼓勵企業，尤其是龍頭企業聯合上下遊企業建設 TSN行業應用試點，為 TSN 的大規模推廣做好示範。
（報告觀點屬於原作者，僅供參考。報告來源：中國電子技術標準化研究院）
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