图9 CBS的工作队列时序图
CBS将队列分为Class A（Tight delay bound）和Class B(Loose delay bound)。如果没有数据传输，队列的信用设置为0，A队列的信用非负时可以传输。如果有数据传输，其信用将按照SendSlope下降，而另一个队列则IdelSlope速度上升，idleSlope是实际带宽（bit/s），而SendSlope是端口传输率，由MAC服务支持。
CBS控制每个队列最大数据流不超过配置的带宽限制（75%最大带宽）。CBS和SRP融合，可以提供250 μs/桥的延时。整体来说，IEEE802.1Qav以太网保证在7个跳转（hop）最差2 ms Class A和50 ms Class B延时。
当然，这个延时对于工业应用来说是不能接受的。为了获取更好的QoS，IEEE 802.1TSN TG又进一步开发了Qbv时间感知整形器、Qbu抢占式MAC等机制。
4.2 时间感知整形器机制
时间感知整形器（Time Awareness Shaper，TAS）是为了更低的时间粒度、更为严苛的工业控制类应用而设计的调度机制，目前被工业自动化领域的企业所采用。TAS由IEEE 802.1Qbv定义，是基于预先设定的周期性门控制列表，动态地为出口队列提供开/关控制的机制。Qbv定义了一个时间窗口，是一个时间触发型网络（Time-trigged）。这个窗口在这个机制中是被预先确定的。这个门控制列表被周期性的扫描，并按预先定义的次序为不同的队列开放传输端口。
出口硬件有8个软件队列，每个都有唯一的传输选择算法。传输由门控制列表（gate control list,GCL）控制。它是多个门控制实体确定软件的队列开放。
TAS的工作原理如图10所示。
图10 TAS的工作原理图
在TAS机制中，为了确保数据传输前网络是空闲的，在整个启动传输前需要设置一个保护带宽（Guardbound）[18]。Guardband占用最大的以太网帧传输长度，以确保最差情况——即使前面有一个标准以太网帧正在传输，也不会让GCL在重启下一个周期前被占用网络。
4.3 抢占式MAC机制
在TAS机制中，会存在两个问题：①保护带宽消耗了一定的采样时间；②低优先级反转的风险。因此，TSN的802.1Qbu和IEEE 802.3工作组共同开发了IEEE 802.3br，即可抢占式MAC机制。基于抢占式MAC的传输机制[19]如图11所示。其采用了802.3TG中的帧抢占机制，将给定的出口分为2个MAC服务接口，分别称为可被抢占MAC（pAMC-Preemptable MAC）和快速MAC(eMAC-express MAC)。pMAC可以被eMAC抢占，进入数据堆栈后等待eMAC数据传输完成，再传输。
图11 基于抢占式MAC的传输机制
通过抢占，保护带宽可以被减少至最短低优先级帧片段。然而，在最差情况下，低优先级的片段可以在下一个高优先级前完成。当然，抢占这个传输过程仅在连接层接口——即对于抢占式MAC，交换机需要专用的硬件层MAC芯片支持。
4.4 周期性排队与转发机制
由于CBS机制仅可实现软实时级，路径拓扑会导致持续的延时增加。而最差延时情况与拓扑、跳数、交换机的缓冲需求相关。因此，TSN工作组推进了周期性排队与转发(cyclic quening forwarding,CQF)机制(又称蠕动整形器）。作为一个同步入队和出队的方法，CQF使得运行允许LAN桥与帧传输在一个周期内实现同步，以获得零堵塞丢包以及有边界的延时，并能够独立于网络拓扑结构而存在。IEEE 802.1Qch标准定义了CQF要与IEEE 802.1Qci标准相互配合使用。IEEE 802.1Qci-t表明，它会根据达到时间、速度、带宽，对桥节点输入的每个队列进行滤波和监管，用于保护过大的带宽使用、突发的传输尺寸以及错误或恶意端点。IEEE 802.1Qch所采用的CQF机制遵循了一个“每周期走一步”的策略，为数据传输赋予了确定性。
CQF可以与帧抢占IEEE 802.1Qbu合并使用，以降低完整尺寸帧到最小帧片段的传输周期时间。为使CQF正常工作，必须将所有帧保持在其分配的周期内。因此，需要考虑周期时间，使得中间网桥的周期与第一次和最后一次传输的时间都对齐，以确保达到所需的等待时间边界。为此，CQF结合Qci入口策略和IEEE 802.1Qbv整形器，可确保所有帧保持在确定的延时范围，并保证在其分配时间内发送。
4.5 异步流整形机制
CQF和TAS提供了用于超低延时的数据，依赖网络高度时间协同，以及在强制的周期中增强的包传输。但其对带宽的使用效率并不高。因此，TSN工作组提出IEEE 802.1Qcr异步流整形(asynchronous traffic shaper，ATS)机制。ATS基于紧急度的调度器设计。其通过重新对每个跳转的TSN流整形，以获得流模式的平滑，实现每个流排队，并使得优先级紧急的数据流可以优先传输。ATS以异步形式运行，桥和终端节点无需同步时间。ATS可以更高效地使用带宽，可运行在高速连接应用的混合负载时间，如周期和非周期数据流。
5 TSN网络配置标准IEEE 802.1Qcc对于TSN而言，在时钟同步、调度策略之后，就必须考虑网络配置的问题。在AVB中，SRP是一种分布式网络配置机制。而在更为严格的工业应用中，需要更为高效、易用的配置方式。IEEE 802.1Qcc是目前普遍接受的配置标准。TSN网络配置的集中式模式原理[20]如图12所示。
图12 TSN网络配置的集中式模式原理图
对于IEEE802.1Qat所提供的SRP机制而言，这是一种分布式方式的网络需求与资源分配机制。新的注册或退出注册、任何变化与请求都将导致网络延时和超负荷，降低网络的传输效率。因此，TSN工作组又提供了IEEE 802.1Qcc支持集中式的注册与流预留服务，称为SRP增强模式。在这种模式下，系统通过降低预留消息的大小与频率（放宽计时器），以便在链路状态和预留变更时触发更新。
此外，IEEE802.1Qcc提供了一套工具，用于全局管理和控制网络，通过UNI来增强SRP，并由一个集中式网络配置（centralized network configuration，CNC）节点作为补充。UNI提供了一个通用L2层服务方法。CNC与UNI交互以提供运行资源的预留、调度以及其他类型的远程管理协议，如NETCONF或RESTCONF；同时，IEEE 802.1Qcc与IETF YANG/NETCONF数据建模语言兼容。
对于完全集中式网络，可选的CUC节点通过标准API与CNC通信，用于发现终端节点、检索终端节点功能和用户需求，以及配置优化的TSN终端节点的功能。其与更高级的流预留协议（例如RSVP）的交互是无缝的，类似于AVB利用现有的SRP机制。
IEEE 802.1Qcc仍然支持原有的SRP的全分布式配置模式，允许集中式管理的系统与分布式系统间共存。此外，IEEE 802.1Qcc支持一种称为混合配置模式，从而为旧式设备提供迁移服务。这个配置管理机制与IEEE 802.1Qca路径控制与预留，以及TSN整形器相结合，可以实现端到端传输的零堵塞损失。
对于整个网络而言，必须有高效、易用的网络配置，以获得终端节点、桥节点的资源、每个节点的带宽、数据负载、目标地址、时钟等信息，并汇集到中央节点进行统一进调度，以获得最优的传输效率。
6 TSN应用前景TSN的应用前景非常广阔，目前来说聚焦于以下几个方面。
6.1 汽车领域
在汽车工业领域，随着高级辅助驾驶系统（advanced driver assistance system，ADAS）的发展，迫切需要更高带宽和响应能力的网络来代替传统的CAN总线。IEEE 802.1AVB就是汽车行业发起并正在执行的标准组。目前，奥迪、奔驰、大众等已经开始进行基于TSN的以太网应用测试与验证工作。2019年，由三星所发起的汽车产业发展联盟向TTTech投资9 000万美元，共同开发基于以太网的车载电子系统。
6.2 工业物联网
工业物联网将意味着更为广泛的数据连接需求，通过机器学习、数字孪生技术来更好地发挥数据作用，为整体的产线优化提供支撑。而这些数据（包括机器视觉、AR/VR数据）将需要更高的带宽。因此，来自于ICT领域的CISCO、华为等厂商都将目标聚焦于通过OPC UA over TSN的网络架构来实现这一互联需求。OPC UA扮演了数据规范与标准的角色，而TSN则赋予它实时性传输能力。这样的架构可以实现从传感器到云端的高效连接，在很多场景可以直接省略掉传统工业架构中的控制器层，形成一个新的分布式计算架构。
6.3 工业控制
目前，在工业领域，包括贝加莱、三菱、西门子、施耐德、罗克韦尔等主流厂商已经推出其基于TSN的产品。贝加莱推出新的TSN交换机、PLC，而三菱则采用了TSN技术的伺服驱动器。未来，TSN将成为工业控制现场的主流总线。
TSN的意义对于工业而言并非仅仅是实时性，而在于通过TSN实现了从控制到整个工厂的连接。TSN是IEEE的标准，更具有“中立性”，因而得到了广泛的支持。未来，TSN将会成为工业通信的共同选择。
7 结论本文旨在通过对当前国际产业界前沿的时间敏感型网络进行全景的介绍，对其发展的必要性、技术的前沿性进行探索，并通过对其关键技术进行的解析来探寻其应用场景、技术实现路径。希望通过这一前沿技术的解读，使得国内在推进智能制造、工业物联网、大数据应用领域的研发人员及时了解这些产业动态，紧追国际前沿，开发有利于适应于我国自身的相应产品与技术。
