洞悉如何让TSN发挥功用

在前一篇标题为 “利用TSN技术改变自动化行业样态”的推文中，我们讨论了什么是时间敏感网络（TSN），以及为什么要使用这项技术。现在，我们对此已经有了深刻理解。接下来，我们将着重讲述TSN的工作原理以及如何发功用。

在电气电子工程师协会（IEEE）制作的一套标准文件中描述了TSN的工作原理。这套标准是IEEE 802.1工作组开发的，并按照不同规范进行分类。每一份文档分别描述一个独特的TSN功能。IEEE 802工作组将每项新技术按照不同功能进行分类，然后再编制每个功能的技术规范，使之更容易管理。

IEEE 802的工作方式及其成功的秘诀其实很简单——所有技术都处于不断更新的过程中。TSN也不例外：一部分标准已经编制完成，一部分标准正在编制（正在制定技术规范），还有一部分标准仍排在待办事项列表中（准备开始制定技术规范）。话虽如此，但对于以太网技术来说，这属于正常情况：以太网和TSN构成一个不断演变的强大生态系统。无论如何更新，以太网的承诺始终是维持可扩展性和向后兼容性——TSN也实现了这个目标。这些因素是以太网和TSN以往获得成功的主因，也是未来继续保持成功的主因。

TSN功能和标准

·  时间同步，确保网络中的每个参与者保持时间一致。

·  实时调度，确保及时交付关键任务数据。

· 通信流的保留与配置，可以控制和监管通信链路。

值得注意的是，作为“TSN兼容产品”上市销售的设备不一定支持所有TSN标准。这意味着在你在拥有部分标准功能同时失去其他标准的功能。例如，你可以使用带有帧优先权或者不带有帧优先权的时间感知调度器，反之亦然。虽然实现这两种方法可以显著提高性能，但有时也显得多余。有些设备只需要利用其中一种功能就能够运行得很好。

跨网络同步时间

“时间敏感”一词充分体现了时间在TSN中发挥的重要作用。对于一个网络上的所有设备来说，在某一指定时间保持时间一致非常重要。设想一下这种场景：当你计划和朋友共进午餐时，如果你的时钟设置为12:30，而你朋友的时钟设置为12:00，假设你们都“准时”到达，其结果是：要么你提前半个小时，要么你的朋友晚到半个小时。

同理，当使用TSN时，所有的设备和交换机必须保持同步，确保一切按时就位。网络中的所有设备动作必须协调一致，比如：调度以太网帧传输，打开或关闭传输门，等等。为了实现这个目标，这些设备必须在一个约定时间同时运行。如果设备不能同步执行这些功能，即使采用最好的调度方案也是无效。

虽然时间同步非常重要，但IEEE并未严格规定必须使用哪个时间同步协议。重要的是使所有设备都兼容，能够相互同步。当购买利用TSN启动的设备时，还应考虑这些设备的时间同步质量——同步越紧密、越精确越好。如果同步质量低，就需要网络设计留有较大的出错余地，这将削弱TSN的性能。

利用实时调度指挥交通

TSN利用多个调度机制来认真协调网络通信。为了确保不同优先级的通信不相互干扰，必须严格遵守调度。否则，干扰将造成抖动，而抖动将导致以太网交换机队列中的传输延迟。

TSN为不同应用场景指定了不同的流量调度设备和整形器。需要重点指出是，在未来几年，由于更大的TSN部署可能需要利用工具来支持这些网络的工程设计，因此网络流量管理工具的数量很可能会增长。

维持可靠的通信流

·  时间同步，确保网络中的每个参与者保持时间一致。

·  实时调度，确保及时交付关键任务数据。

·  通信流的保留与配置，可以控制和监管通信链路。

值得注意的是，作为“TSN兼容产品”上市销售的设备不一定支持所有TSN标准。这意味着在你在拥有部分标准功能同时失去其他标准的功能。例如，你可以使用带有帧优先权或者不带有帧优先权的时间感知调度器，反之亦然。虽然实现这两种方法可以显著提高性能，但有时也显得多余。有些设备只需要利用其中一种功能就能够运行得很好。

TSN通常被称为确定性以太网，表示该网络是可以预测的。为了实现确定性以太网，TSN同步与调度还有很长的路要走，但IEEE还更多的标准可以提高调度可行性，以及维持一个可靠的通信流。

网络协议的设计工作从未忘记考虑弹性。无论是通过网络发送电子邮件、下载文件或者访问网页时，必须保持传输的可靠性。对于在时间敏感网络上执行的关键任务通信，这种可靠性甚至具有更重要的意义。

为了避免发生传输故障，各种网络都会采用多个冗余协议，这些协议都是基于以下目标工作的：如果一根网线或一台设备失灵，冗余协议可以使网络自动修复故障，恢复正常工作。冗余协议的工作原理是：通过网络利用不同次级传输路径维持通信，同时维修主路径。

TSN可以接受两种类型的冗余：无缝冗余和非无缝（故障转移）冗余。

· 无缝冗余：所有网络路径并行使用，一条路径出现故障不会导致通信中断。

· 非无缝（故障转移）冗余：如果出现故障，协议从主路径切换到次级路径，并通过这种方式恢复工作。尽管这种转换过程很快，但仍然可能造成极短暂的通信中断。

利用流注册预留带宽

流注册包括为网络中的设备预留带宽，从而为这些设备之间的通信提供一定的服务保障。当两台设备之间进行某种交换时，一台设备是讲话者，负责发布流；另一个设备是收听者，负责接收流。

网络中的交换机沿着传输路径注册通信流的发布与接收。注册可以确保避免超额预定可用网络带宽。如果某个新流所需带宽超过一个设备端口上的最大可用带宽，交换机可以拒绝注册新流。

本期话题

本期话题 #什么是时间敏感网络# 阐述了其功能和标准确保时间同步、实时调度、通信流的保留与配置，包括无缝冗余和非无缝冗余以及利用流注册预留宽带等一系列相关信息。如果您对Belden发布的话题同样感兴趣，并阐述自己的想法，欢迎与我们联系