Intel产品使用TSN技术，保障工业物联网数据可靠性

1. 什么是TSN？

TSN （Time-Sensitive Networking）是IEEE 802.1Q定义的一项协议标准，为确定性以太网传输数据提供了一套通用的时间敏感机制。确定性以太网是针对工业物联网提出的一项控制并降低端到端时延的技术，目标是准时、准确、快速，用来解决标准以太网协议在工业物联网应用时，出现的高延迟、网络堵塞，以及数据丢包的情况。

TSN为标准以太网提供了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输，提高数据传输效率。此外，TSN能实现时间敏感性（对实时性要求高）数据和非时间敏感性数据在同一网络的传输。

2. TSN的协议

传统以太网会采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD)的机制，当两个工作站发生冲突时，必须延迟一定时间后重发报文。发生堵塞时，有的报文可能长时间发不出去，就造成龙通信时间的不确定。需要专门加入实时以太网，传输对实时性要求高的数据。为了实现部分数据传输的实时、确定性需求，有实时性要求的数据和没有实时性要求的数据往往需要通过两个网络进行传输。所有的控制器都要两个网口，一个是实时以太网，另一个是标准以太网。而TSN避免了这个麻烦，不仅能确保数据的实时、确定性传输，还能实现时间敏感数据和非时间敏感性数据在同一网络的传输，。

TSN通过一整套协议标准来实现数据在同一网络的实时、确定性传输，保证对实时性要求高的数据在标准以太网的不同场景下都能顺利传输。TSN协议族包含了时钟同步、数据调度及流量整形、可靠性、资源管理这四个类别的子协议，TSN协议族本身具有很高的灵活性，用户可以根据应用的具体需求来选择相应的协议组合。

 

• 时钟同步

与IEEE 802.3 的标准以太网相比，时钟在TSN 网络中起着重要的作用。对于实时通信而言，端到端的传输延迟具有难以协商的时间界限，因此TSN 中的所有设备都需要具有共同的时间参考模型，因此需要彼此同步时钟。目前TSN采用IEEE 1588 协议和IEEE 802.1AS协议来实现时间同步。IEEE 1588协议是一个精密时间协议用于同步计算机网络中的时钟。 在局域网中，它能将时钟精确度控制在1us-10ns范围内，使其适用于测量和控制系统

• 数据调度及流量整形

TSN通过定义不同的整形机制将数据流的时延限定在一定范围内，以此满足不同的低时延场景需求。在传统以太网中，数据流的通信时延是不确定的，由于这种不确定性，数据接收端通常需要预置大缓冲区来缓冲输出，但是这样会导致数据流，例如音视频流，缺失了实时方面的特性。TSN不仅要保证时间敏感数据流的准确到达，同时也要保证这些数据流的低时延传输。通过优化控制时间敏感流和best-effort流、以及其它数据流在网络中的传输过程，来保证对数据流的传输时间要求，这个优化控制的方式就是整形。

TSN用于数据调度和流量整形的协议有IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu、IEEE 802.1Qch及IEEE 802.1Qcr。其中，IEEE 802.1Qbv采用非抢占式的的数据调度，流量调度方式通过时隙进行控制，需要实时传输的数据流优先传输，同时为best-effort数据及预留数据预留带宽，允许时间敏感流和非时间敏感流在同一个网络中传输，并确保数据的实时传输。

由于TSN的运行基于不同的时间时隙发送不同类型的流量，因此所有网络设备必须在纳秒级范围内同步。

• 可靠性

对数据传输实时性要求高的应用除了需要保证数据传输的时效性，同时也需要高可靠的数据传输机制，以便应对网桥节点失效、线路断路和外部攻击带来的各种问题，来确保功能安全和网络安全。IEEE 802.1Qci、IEEE 802.1CB及IEEE 802.1Qca用于实现TSN这方面的性能。

IEEE 802.1CB为以太网提供双链冗余特性，通过在网络的源端系统和中继系统中对每个数据帧进行序列编号和复制，并在目标端系统和其他中继系统中消除这些复制帧，确保仅有一份数据帧被接收。可用来防止由于拥塞导致的丢包情况，也可以降低由于设备故障造成分组丢失的概率及故障恢复时间，提高了网络可靠性。

• 资源管理

在TSN网络中，每一种实时应用都有特定的网络性能需求。使能TSN网络的某个特性是对可用的网络资源进行配置和管理的过程，其允许在同一网络中通过配置一系列TSN子协议，来合理分配网络路径上的资源，以确保它们能够按照预期正常运行。TSN资源管理子协议包括IEEE 802.1Qat协议和IEEE 802.1Qcc协议，IEEE 802.1Qcc协议是IEEE802.1Qat协议的增强。

IEEE802.1Qat即流预留协议。根据流的资源要求和可用的网络资源情况指定数据准入控制，保留资源并通告从数据源发送端至数据接收端之间的所有网络节点，确保指定流在整条传输路径上有充足的网络资源可用。

3. TSN的应用场景

TSN的典型应用就是工业物联网，传统的工业自动化通过在每个接入网侧均采用硬编码逻辑控制器（硬PLC）及人机交互界面（HMI）对机器人、夹具的控制来实现。每个接入网侧都需要相应的硬件PLC分散地处理业务，使得管理困难，运维复杂。而且生产线往往频繁变更，硬件PLC由于采用硬编码，其生产扩展不灵活，生产线变更时需要耗费很大的资源去进行生产线的适配和调测。

如果将PLC直接接入到工厂数据中心，就可以采用软件编码的虚拟PLC，运行在融合架构的IT基础设施平台上。一方面可以实现对生产设备的远程集中处理；另一方面，通过软件编程就可以完成对生产线的适配，生产扩展灵活。

但工厂的数据中心往往统一管理信息技术和运营技术，生产业务流和办公业务流及其它数据流，全部在同一网络上送到工厂数据中心，而且工业自动化控制对数据流的确定性到达有毫秒级的要求。采用传统实时以太网，难以满足实现确定性通信的同时实现时间敏感性数据和非时间敏感性数据在同一网络的传输，也就不能实现在工厂数据中心处对生产机器（机器人、夹具）的集中管理，而TSN网络的出现可以解决这一难题。通过给网关增加TSN协议，构建TSN网络，就可以实现时间敏感性数据和非时间敏感性数据在同一网络传输的同时，也实现数据在毫秒级乃至微秒级的确定性通信，从而实现工厂虚拟PLC的远程集中管理，使生产更加安全，维护更加方便，产线调整更加灵活。

4. Intel哪些产品支持TSN

CPU：

Intel Xeon D2800 & D1800系列

14th Intel Core S系列

13th Intel Core Core  U & H系列

12th Intel Core S系列

11th Intel Core UP3/H系列

Intel Atom x7000E系列

Intel Atom x6000系列

以太网产品：

Intel I225/I226 Ethernet Controller

FPGA：

Intel Arria 10 SoC/Cyclone 10 GX FPGA

Intel Cyclone V SoC FPGA

Intel Agilex-5 FPGA