摘要：时间敏感型网络（TSN）是目前国际产业界正在积极推动的工业通信技术。阐述了TSN技术产生的背景、工业物联网以及新制造转型中对于工业通信的需求，并从技术角度对TSN进行了全面的介绍。通过对当前国际上重要的TSN标准组织、企业、大学与研究机构的TSN实践进行分析，全面梳理了其发展简要历程、相关国际标准、实现架构与方法、开发、测试与验证、应用前景等。通过这些分析，以全局视角分析该技术对于产业的推动作用，以及未来发展趋势和在智能制造、工业互联网领域的前景，并希望国内的产业、标准化组织、大学等能够积极加强对其更为深入的研发、测试，以获得市场的先机。
关键词：时间敏感型网络；整形器； 精确时钟同步； 传输选择；
0 引言
随着信息技术（informationtechnology,IT）与运营技术（operation technology,OT）的不断融合，对于统一网络架构的需求变得迫切。智能制造、工业物联网、大数据的发展，都使得这一融合变得更为紧迫。而IT与OT对于通信的不同需求也导致了在很长一段时间，融合这两个领域出现了很大的障碍：互联网与信息化领域的数据需要更大的带宽，而对于工业而言，实时性与确定性则是问题的关键。这些数据通常无法在同一网络中传输。因此，寻找一个统一的解决方案已成为产业融合的必然需求。
时间敏感型网络（timesensitive network，TSN）是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术。时间敏感型网络允许周期性与非周期性数据在同一网络中传输，使得标准以太网具有确定性传输的优势，并通过厂商独立的标准化进程，已成为广泛聚焦的关键技术。目前，IEEE、IEC等组织均在制定基于TSN的工业应用网络的底层互操作性标准与规范[1]。
1 实时通信技术的发展及需求1.1总线时代
早在20世纪70年代，随着可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）的产生，为了分布式控制所需的总线也诞生。至今，总线技术已经发展了近50年，各始创公司开发了多种总线，其在介质、信号电平、校验方式、物理接口、波特率等多个指标方面都有不同。20世纪90年代，随着竞争的加剧，各公司在IEC争取主导地位，产生了“总线之争”。IEC因此产生了多达18个总线标准，对访问造成很大障碍。
1.2 实时以太网阶段
进入21世纪，随着标准以太网成本的下降，总线开始进入基于以太网的实时网络时代。2001年，贝加莱推出了工业应用的Ethernet POWERLINK；2003年，在Profibus基础上，Siemens开发了PROFINET，Rockwell、 ABB开发了基于DeviceNet应用层协议的Ethernet/IP，Beckhoff开发了EtherCAT，Rexroth开发了基于SERCOS的SERCOSIII。这些网络均采用了标准以太网介质，即在物理层和数据链路层统一了标准，而该应用层仍然保持原有的应用层，旨在保护用户的软件资产投入。
1.3 在智能时代的网络融合需求
2014年以后，随着工业4.0的提出，工业物联网、智能制造的需求逐渐变得迫切，对于连接的需求产生了变化。传统的以太网通常不支持交换机网络（考虑到延时，通常采用HUB的透传方式），其轮询机制（如Profinet、POWERLINK、Ethernet/IP）或集束帧技术（如EtherCAT、SERCOSIII）使得标准以太网和实时以太网无法在同一网络中进行数据的传输。但是，对于边缘计算、工业物联网、智能制造的全局优化而言，制造现场控制所需的实时性数据和生产管理与优化层所需的非实时性数据要通过统一网络进行集中，在统一的数据平台进行数据处理与分析，并能够下发到各个控制器执行；而一些全局优化的工作并不需要通过层级的控制器，而是希望直接到边缘侧或者云端。这使得同一网络的需求变得迫切。另外，对于制造业的终端用户而言，生产系统往往由来自不同企业的设备与系统构成，必须有统一的网络与协议规范。因此，独立于厂商的总线在智能时代变得更为必要。
工业通信技术的发展过程如图1所示[2]。
图1 工业通信技术的发展过程
2 TSN的简要发展TSN本身并非是一项全新的技术。IEEE于2002年发布了IEEE 1588[3]精确时钟同步协议。2005年，IEEE 802.1成立了IEEE 802.1AVB工作组，开始制定基于以太网架构的音频/视频传输协议集，用于解决数据在以太网中的实时性、低延时以及流量整形的标准，同时又确保与以太网的兼容性。AVB引起了汽车工业、工业领域的技术组织及企业的关注。其成立了TSN工作组，进而开发了时钟同步、流量调度、网络配置系列标准集。在这个过程中，由AVnu、IIC、OPC UA基金会等组织共同积极推进TSN技术的标准。工业领域的企业（包括B&R、TTTech、SEW、Schneider等）着手为工业领域的严格时间任务制定整形器，成立了整形器工作组，并于2016年9月在维也纳召开了第一次整形器工作组会议。然后，有更多的企业和组织（包括德国工业4.0组织LNI、美国工业互联网组织IIC、中国的边缘计算产业联盟ECC、工业互联网产业联盟AII等）加入TSN技术的研究，并构建了多个测试床。2019年，IEC与IEEE合作成立IEC 60802工作组，并在日本召开了第一次工作组会议，以便工业领域的TSN开发可以实现底层的互操作。同时，在OPC UA基金会也成立了(field level communication,FLC)工作组，将TSN技术与OPC UA规范融合，以提供适用于智能制造、工业互联网领域的高带宽、低延时、语义互操作的工业通信架构。
图2简要说明了IEEE组织TSN相关标准的发布过程[4]。其中，IEEE802.1Qat[5]是早期的网络配置方法，而IEEE 802.1Qcc[6]则是其增强版，于2018年底发布。
图2 TSN相关标准的发布过程
3 TSN基本概念TSN由一系列技术标准构成。其主要分为时钟同步、数据流调度策略（即整形器）以及TSN网络与用户配置三个部分相关标准。
3.1 VLAN技术
按照网络架构，网络通常分为标准以太网、确定性以太网。TSN实现了混合网络的数据传输能力，满足标准以太网的分布式对等架构、确定性网络所采用的轮询/集束帧技术各自的存在的要求，并使得网络能够发挥各自的优势功能。TSN基于IEEE 802.1Q[7]的虚拟局域网（virtual local area network，VLAN）和优先级标准。IEEE802.1Q支持服务质量(quality of service，QoS)。QoS是一种基础网络技术，用于为网络通信提供更好的服务。它是一种网络安全机制，用于解决网络延时与拥塞的问题。最初的Internet并未设计QoS机制。为满足用户不同应用的服务质量需求，需要网络能够根据用户需求进行配置与资源调度。IEEE 802.1Q标准是一种包含了QoS机制的网络，能够提供网络性能的可预知性，并有效分配网络带宽，以便合理利用资源。
3.1.1 TSN
TSN是IEEE 802.1Q标准的VLAN。该标准在标准以太网帧中插入4个字节用于定义其特征。TSN的标签位定义[8]如图3所示。
图3 TSN的标签位定义
①标签协议识别:网络类型识别，代表这是一个TSN网络，标记0X8100。
②优先级代码（prioritycode point，PCP）由3位代码构成。
③丢弃标志位：对于网络低QoS要求的数据，可以丢弃，以确保高优先级数据的QoS。
④VLANIdentifier（VID）：VLAN网络的识别号，12位表示可支持的子网数量，2的12次方即4 096，VID＝0 用于识别帧优先级,4 095(FFF)作为预留值。所以，VID最多可以表示4 094个子网。这表明TSN是为了大型的数据传输而设计的。
3.1.2 优先级的定义
TSN有一个服务等级(class of service,CoS)的概念。对TSN网络而言，不同优先级的服务对应图3中的PCP码。3位PCP码定义了0（最低）～7(最高）这8个优先级，传输类型分别对应
基础、最大努力、卓越努力、严苛应用、延时和抖动小于100 ms的视频、延时和抖动小于10 ms的音频、内部网络控制、网络控制。其会对网络场景进行不同的匹配，是后续调度、配置设计中会考虑到的数据流调度因素。
3.2 TSN在ISO/OSI模型中的位置
TSN在IEEE 802.1Q仅指ISO/OSI参考模型的第二层数据链路层的标准。TSN在七层架构中的位置[9]如图4所示。
