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1、TSN解决方案白皮书-、TSN发展现状(一)TSN技术发展现状1. TSN标准发展现状TSN标准协议由电气与电子工程师协会(IEEE)的TSN任务组定义,是基于标准以太网技术提供确定性服务的解决方案，最大的特点就是通过精确的时间调度、确定的时延完成数据包的传输，从而满足工业等领域严苛的传输要求。如下图所示，TSN协议族包含定时与同步、时延控制、可靠性、资源管理四个类别的子协议，同时还定义了不同场景下的应用行规。类别协议定时与同步IEEE802.IAS,IEEE802.IAS-REV时延控制IEEE802.IQav,IEEE802.IQbv,IEEE802.IQbu,IEEE802.IQch,I
2、EEE802.IQcr可靠性TEEE802.1CB,IEEE802.IQca,IEEE802.IQci资源管理IEEE802.IQat,IEEE802.IQcc,IEEE802.IQcp应用行规IEEE802.IBA,IEEE802.1CM,IEC/1EEEP60802,IEEEP802.1DF,TEEEP802.IDG,IEEEP802.IDP图1TSN协议族分类情况定时与同步TSN采用IEEE802.IAS和IEEE802.IAS-REV实现时间同步。IEEE802.IAS在IEEE1588的基础上对其进行了删减调整，形成了更具针对性的时间同步机制。IEEE802.IAS又被称为gPTP广
3、义时钟同步协议，嵌入在MAC层硬件中。该协议工作于链路层，在数据帧中插入时间信息,并传输至每个网络节点，在最大7跳的网络环境中，能够保证时钟同步误差在Ius以内。时延控制TSN不仅要保证时间敏感数据流的可靠到达，同时也要保证这些数据流有界的确定性的时延传输。TSN时延控制通过流量整形机制实现，流量整形通过为高优先级流量提供确定的传输时隙确保传输带宽和传输时间，从而保证关键业务的可靠性和时延确定性。流量整形涉及的协议包括：IEEE802.IQav:一种基于信用的整形器，可以实现毫秒级的时延上限保证；IEEE802.IQbv:基于队列的时间感知整形器实现类似时间触发的通信，可保证微秒级的延迟上限及
4、亚微秒级的抖动；IEEE802.IQch:一种循环队列转发的整形机制，旨在构建具有固定延迟上限和抖动的传输环境；IEEE802.IQbu:帧抢占功能可以进一步减小关键流量的时延，配合TAS和CQF等门控机制一起使用可以提高网络带宽利用率；IEEE802.IQcr:TSN交换机和端系统的异步整形机制，避免了同步依赖。可靠性对数据传输实时性要求高的应用也需要高可靠的数据传输机制以便应对Bridge节点失效、线路断路和外部攻击等带来的各种问题，来确保功能安全和网络安全。TSN传输可靠性保证协议包括：IEEE802.ICB：通过冗余消息以及在网络中设置冗余链路进行并行传输来提高可靠性，减少链路和节点失
5、效对网络造成的影响；IEEE802.IQca：提供显式转发路径控制所需要的协议，如预定义的保护路径、带宽预留、数据流冗余、流同步和流控制信息中控制参数的分配等；IEEE802.IQci：TSN协议簇中的PSFP协议类似于防火墙的机制。它工作于交换机的入口，通过各种约束来监管每个流的输入，将故障隔离到网络中的特定区域，以防止出站队列被非法帧淹没。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，该操作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。应用行规除了TSN
6、功能相关的标准外，TSN任务组还定义了TSN在不同场景的应用规范，包括IEEE802.IBA音视频桥接网络、IEEE802.ICM移动前传网络、IEC/IEEE60802工业自动化、IEEEP802.IDG车载网络和IEEEP802.1DPSAEAS6675航空航天等，其中前两个应用规范已正式发布，后面三个还处在草案讨论阶段，尚未发布正式标准。2. TSN技术研究发展现状近年来TSN技术研究主要集中在控制架构、调度算法以及与其他技术融合等方面。(1)TSN控制架构IEEE802.1QCC协议定义了TSN控制平面的架构模型，包括全分布式、分布式用户/集中式网络、全集中式等3种控制架构模型。全分布
7、式架构模型中没有集中的网络控制器，终端通过资源预留协议携带用户需求信息逐跳传输，并在沿途的交换机上预留资源。由于交换机仅具备本地可用资源信息，无法以全局视角进行资源分配，因此全分布式模型仅适用于采用IEEE802.1QaV机制的音视频系统，难以支持需要更低延时和更高精度的工业控制等应用。分布式用户/集中式网络模型为分布式的用户管理和集中式的网络控制模型，终端通过UNl向TSN网络提交需求，网络通过集中式网络控制器(CNC),实现所有交换机的集中管控，并基于全局网络视图计算最优的路径和时隙，通过标准化的南向接口下发到交换机。全集中式模型体现在用户管理和网络控制均为集中式架构。增加了集中式用户配置
8、(CUC)单元对用户终端进行集中管理，能够发现终端节点、检索终端功能和用户需求。此模式下所有的用户需求均在CUC与CNC之间交互，CUC采集终端业务的带宽时延抖动等网络服务质量需求，并将其转换后通过UNI接口发给CNC,CNC完成计算后将结果返回CUC,并由CUC完成终端的配置。(2)调度与路由的研究IEEE802.1QbV标准中定义了时间感知整形器，旨在优化以太网帧的传输优先级，保证时间敏感信息在规定时间送达，通过一定的调度算法在所有交换机出端口确定每个数据帧的传输顺序和时间，保证所有帧在出口链路上依次传输而不会发生冲突，同时在全网范围保证每个帧能够顺利通过传输路径的所有出端口，并满足流量各
9、自的延时和带宽要求，使不同类别的流量在同一网络上得以共存。当前主流的调度算法主要包含：整数线性规划、启发式算法、可满足性模理论/优化模理论、禁忌搜索、贪心随机自适应搜索等。(3) TSN与OPCUA、5G等工业新技术融合TSN仅提供了数据链路层的协议标准，保证数据实时可靠的传输。但作为完整的确定性网络解决方案，TSN必然面临与其他技术融合的问题。TSN实现了开放的、“一网到底”的网络，解决了网络互联的问题，但各个工业以太网协议在数据层面依旧无法互通。而OPCUA使用一套通用的数据解析机制解决了工业互联网中水平信息集成与垂直信息集成两个维度“语义互操作”的复杂问题，实现设备与设备、设备和企业、以
10、及不同厂商设备之间的交互。OPCUA作为工业4.0参考架构模型(RAMI4.0)中唯一推荐的通信层实现方法，是异构数据交互最通用的国际标准。TSN+0PCUA真正做到了不同工业设备之间既能听得见又能听得懂，解决了网络互联和数据互通的问题，是构建开放工业网络的理想架构和未来必然的发展方向。随着5G网络系统技术的发展及建设的深入，垂直行业对于网络的需求向超低时延、确定性、高可靠等高性能方向发展。TSN与5G网络系统融合，一方面可以利用5G将工业设备以无线的方式接入到有线网络，为TSN网络提供不受电缆限制的、可靠的设备接入能力。另一个方面，将TSN的核心机制深度集成到5G技术当中，如TSN中灵活的流
11、量调度机制和高精度的时钟同步机制等，以保证数据在5G网络中端到端的确定性传输。通过对TSN技术的集成，可进一步增强5G的可靠性和确定性。5G+TSN正在成为工业有线-无线融合、IT-OT融合的关键技术。(4) TSN与已有工业技术的融合当前工业以太网协议在工厂OT网络中发挥重要作用，对于任何工业应用而言，保持技术的稳定性、继承性是一种必须的考量。因此，技术的升级必须尽量的平滑，TSN不会迅速取代现有的工业网络，而是会有长期共存的阶段。自TSN技术问世以来，主要工业以太网协议组织开始积极制定新的标准，开发与TSN兼容的工业以太网协议，使得不同工业以太网协议生态系统用户能平滑升级到最新TSN技术，
12、如PrOfinetoverTSNEtherCATTSN.CC-1.inkIETSN等。（二）TSN解决方案发展现状1 .国内发展现状工业互联网产业联盟（An）于2020年启动了“时间敏感网络（TSN）产业链名录”计划，打造设备厂商产品研制和工业企业采购选型的风向标，加速TSN成为网络化改造与智能化升级的技术支撑。产业链名录从7大行业场景、7种产品门类、8个技术维度梳理了产业需求、明确产业供给能力。并于2021年对TSN交换机和网关产品进行测试认证，极大的推进了TSN产业生态的发展。此外，国内许多高校、企业和研究机构，在TSN方面进行了相关研究。国防科大研发了支持TSN关键技术验证的开源项目OP
13、enTSN,提供了面向航空航天、车载和工业控制的解决方案；鹏城实验室完成了基于TSN的端到端确定性原型系统网络构建和平台发布；飞腾研发了基于TSN芯片的高性能国产化处理器，助力国产TSN嵌入式控制的市场创新；三旺通信研发了基于特定场景的端到端TSN应用解决方案。整体来看，国内TSN解决方案发展正处于蓄势期。2 .国际发展现状国际主流的自动化厂商都已发布TSN产品或测试产品，贝加莱发布了支持OPCUAoverTSN的交换机、P1.C、总线控制器等产品。SIEMENS在2018年汉诺威展发布了ProfinetoverTSN的产品。对于TSN在工业网络的应用，西门子在整个控制系统网络中采用OPCUA
14、overTSN来实现北向通信；使用PROFINEToVerTSN来实现南向通信。通过OPCUA和Profinet共享同一个基于TSN的以太网网络，轻松将现场级设备数据实时、高速地传输至SCADA,MES和ERP系统以及云等整个企业网络，实现真正的互联互通。此外，2019年三菱发布了CC-1.inkIETSN产品。TTTech.CISCO,赫斯曼等厂商也发布了TSN交换机产品。芯片和模组方面的产品日渐成熟，BCM博通、MARVE1.1.美满电子、ADl亚德诺、INTE1.英特尔和NXP恩智浦等多家头部企业都发布了面向工业、车载的TSN芯片。二、TSN通用解决方案（一）通用解决方案概述TSN通用解
15、决方案是指利用TSN技术和产品构建互联互通的网络，达到工业场景共性数据通信服务需求，其通用性主要表现在符合TSN相关标准和满足全产业基础能力构建两方面。通用解决方案的构成要素包括根据需求选择遵循标准协议的技术，配置桥接器、终端等设备来搭建实际的网络。从TSN历史演进、发展现状以及未来趋势的角度，通用解决方案可分为三个阶段。（1）分布式资源预留和强端网协同以AVB解决方案为代表，AVB解决方案要求在网络数据转发层面使用基于信用的整形（CBS）.在网络控制管理层面使用流预留协议（SRP）.同时要求支持广义精确时间协议（gPTP）。SRP和CBS的配合使用，使得AVB解决方案可以为音视频流量提供两个
16、等级的时延上限保障；而gPTP则可以为AVB网络中的端设备实现时间同步，进而配合音视频传输协议(AVTP),在数据报文中携带时间戳，实现应用侧同步播放的要求。(2)更丰富的TSN技术和集中式资源预留在CBS、SRP.gPTP之后，越来越多的新技术也逐渐加入了TSN的大家庭，例如门控调度、帧抢占、异步流量整形(ATS)等。TSN用于移动前传的解决方案中，要求使用基础的严格优先级(SP)调度；TSN用于工业自动化、承载网、车载网的解决方案中，虽然没有最终确定，但门控调度、异步流量整形等会是重点的可选用的TSN子技术。同时，为了在这些解决方案中实现对网络设备的正确配置，集中式资源预留的方案成为了讨论
17、的热点。TSN标准定义了“全分布式”、“分布式用户/集中式网络”、“全集中式”三种配置模型，后两者都属于集中式资源预留，其共同特征是需要集中式网络配置(CNC)这样一个功能实体。这个功能实体可以是一个独立网络控制器，也可以是一个运行在电脑、服务器上的软件功能。由于这个阶段，支持TSN的端设备成熟度低于TSN网络设备，所以CNC往往可以支持手动定义业务流量,然后基于网络拓扑和设备能力，生成一套配置方案并下发到TSN网络设备上，从而为用户流量提供服务保障。这样形成一种易于兼容演进的、端与网弱协同的TSN解决方案。(3)在TSN端网协同的基础上，多种TSN解决方案“百花齐放”不论在哪个行业，不论具体
18、使用哪些TSN子技术，TSN解决方案的核心逻辑都是一致的：用户向网络声明自己的业务特征和对网络服务的需求；网络进行响应，通过对网络设备进行配置，为用户预留资源；完成后通告给用户，用户可以开始按约定发送报文到网络中，这些报文能够获得相应的服务保障。（二）技术应用路线1 .应用难点分析TSN为通用网络如以太网、无线局域网等提供确定性连接，支持OSl模型中的数据链路层和网络层转发，能很好地兼容现有网络，同时能够给网络传输提供确定的时延和低抖动，可以实现各种设备之间的实时、确定和可靠数据传输，满足未来多个行业的多设备之间数据可靠传输。然而，现阶段TSN仍然没有得到广泛的应用，主要原因在技术难度较高、产
19、品成熟度、安全等三个方面。（1）技术难度较高首先，TSN需要提供的网络指标：带宽，延迟，抖动，丢包率，可靠性，时钟同步精度跟TSN的组网拓扑，组网规模，设备异构，网络异构等都有巨大的关系，这些指标又和业务需求高度相关。因此如何按照标准要求达到适合不同业务场景和规模的调度规划方案是一个难题。现有方案中针对中小规模的静态网络，TSN的流量规划调度都还能提供高质量的调度方案，但是面对大规模网络、大规模流量以及动态环境的TSN流量调度还存在诸多困难，因此，调度算法还需要进一步根据实际的业务场景进行优化打磨。其次，TSN的目标是实现IT和OT的融合。但是实际上IT和OT的差距比较大，并且既懂IT又懂OT
20、的人才又较少，因此现阶段不同背景的研究人员的思维方式会受到原始背景的影响。如IT人希望一切分层，采用标准化方式，一般会较复杂，比较适合普适情况，而OT是从经验方式入手考虑实际问题，希望方案越简单越好，比较适合特殊情况。因此，如何让TSN成为连通OT和IT的桥梁需要OT和IT领域人才不断交流学习，解决实际问题，通过实际案例来积累经验。最后，TSN的管理控制难度大。TSN解决方案的实施需要契合已有的工业成果，需要做到前向兼容。由于工业门类众多且互异，TSN的管理控制除了需要考虑TSN网络本身如QCC要求的能力，还需要考虑工业场景的管理控制，是融合还是隔离，目前只能由各个行业按照自身需求去设计实施。
21、这些都对TSN的控制管理技术水平提出了挑战。(2)产品成熟度问题目前处于TSN的产业初期，产品成熟度还有待提升。一方面，TSN的标准协议簇中部分协议依旧处于修订、更新和评审状态；另一方面，TSN属于新技术，需要进行市场培育和广泛宣传才能逐渐得到推广。从网络交换端的角度，目前市面上的TSN交换机普遍是原理验证样机或者是基于FPGA而开发的，成熟度较低且成本较高。要研发出成熟的工业级TSN交换芯片及交换机仍然需要一定的研发周期。从网络终端节点的角度，要做到对整个网络的统一调度，网络中需要有支持TSN各项协议的终端器件，只有整个网络系统中各个节点均支持TSN相关协议，整个网络系统才能达到时钟同步效果
22、，网络中各个节点之间才能互相约定数据的发送和接收，做到流量的时延和抖动可控。然而目前各个厂家主要精力均集中在对交换芯片和交换机的研发，对支持TSN的终端芯片关注较少，导致目前组网中终端器件难以支持TSN,进而也难以实现对整个网络的统一调度。从应用的角度，需要将TSN网络的搭建和配置做到简单友好，普通用户能够很快入手，才能较为顺利地推广至传统行业用户。(3)安全性TSN解决方案需要保障网络安全、功能安全和信息安全。网络安全是指网络免受攻击入侵的安全防范，即网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不因偶然的或者恶意的原因而遭受到破坏、更改、泄露，系统连续可靠正常地运行，网络服务不中断。功能安
23、全是指避免由系统功能性故障导致的不可接受的风险，主要关注系统故障后的行为，而不是系统的原有功能或性能。如TSN网络不能影响汽车的刹车，加速等功能。信息安全是指需保证信息的保密性、真实性、完整性、未授权拷贝和所寄生系统的安全性。一方面，TSN网络规划继承了Profinet,EtherCat的功能，因此在通信设计时基本上需要知道具体的传输的信息内容，这种情况若扩展到TSN构筑的网络，会存在显式的企业机密泄露事件；另一方面，由于OT和IT融合方面，OT的互操作性语义可能会在IT层面存在隐性的泄露风险，如可以通过对IT的数据报文进行学习，可以对接入的机器设备行为进行行为学分析，从而获得工序、流程等商业
24、秘密信息。因此，在TSN解决方案中，需要考虑信息的加密传输机制、脱敏机制以及加扰等隐私保护机制。2 .应用场景分析在某些关键应用领域，常规的以太网由于缺乏确定性通信保障机制无法满足高带宽、低延时、低抖动和高可靠的性能要求，但TSN技术可以做到。以航空航天、汽车、铁路行业为例，关键程序要求高带宽、零损耗，能够处理速率受限的流量以及同时应对不同类型的数据和通讯需求；另一方面，航空航天等行业具有一定的行业特殊性，传统的网络是基于专有标准的，供应商很少，成本更高。而TSN技术是一项全球性技术，组件成本低，已经过大量测试使用，应对航空航天、汽车、铁路行业所面临的通讯技术挑战，TSN有着完整的解决方案。3
25、 .技术路线分析TSN解决方案的技术路线主要包括TSN设备产品选型和TSN网络组网架构设计两大块。根据TSN芯片的能力选择TSN交换机、TSN网关和TSN端设备，根据使用应用需求设计网络架构，包含网络拓扑、TSN交换机、网关和端设备的部署位置，网络最终通过TSN控制器进行网络配置和控制管理实现业务的接入。这当中TSN芯片，设备和TSN网络控制器是保证TSN解决方案落地的关键。(三)TSN相关产品对TSN通用解决方案而言，TSN产品的基础支撑至关重要。TSN要发挥出其决定性作用，一大前提是要保证TSN产品端到端的覆盖，包含了TSN芯片及处理器、TSN模组、TSN设备、TSN控制器、TSN流量规划
26、器等产品。1. TSN芯片及处理器TSN芯片及处理器是TSN端到端覆盖的核心命脉，它决定了其它TSN产品的基础性能及底层架构，TSN芯片及处理器的设计需要将控制命令的传送过程控制在微秒级别的时间精度内。例如，Tl公司推出了一款多协议千兆TSN的处理器芯片SitaraAM6oADI公司发布的Fido5000是一款双端口的实时以太网、多协议TSN交换芯片。Broadcom公司已发布BCM53570、BCM53112、BCM53154、BCM53162等不同规格的TSN交换机芯片。瑞萨电子株式会社推出支持CC-1.inkIETSN的工业以太网通信IC-R-IN32M4-C1.3oMARVE1.1.已
27、发布88E6390X.88Q5050用于交换机的TSN芯片。NXP已发布SJAIlo5、SJA1105TE1.TSN芯片。在IPCore提供商方面。赛灵思(XiIinX)公司推出的TSNIPCore可在一个3端口桥接端点或端点专用配置中支持TSN标准。SoC-e公司推出TSNIPCore,支持802.1AS、802.1QbV等。英特尔(InteI)公司推出TSNIPCoreoTTTech公司的FlexIPSOlUtiOn是一个灵活的模块化设计IP,为定制芯片(ASICs或ASSPS)提供TSN功能。当前国内的TSN芯片及处理器产业进展迅速，已有多家厂商推出了对应的国产化TSN芯片及处理器。例如
28、，飞腾推出了TSN处理器FT-2000/4,为工业网络系统提供支持。国防科技大学研制了千兆TSN芯片一一银河衡芯时间敏感交换芯片HX-DS09,代号“枫林一号”。妆妆妆皿曲圳%粮阿街总时间兼息交拱芯片HX-DS09NUDT202104图3枫林一号TSN芯片北京智芯微电子研发了一款SC2404的TSN芯片，支持多种TSN协议。图4SC2404TSN芯片2. TSN融合5G模组TSN融合5G模组是TSN通用解决方案中实现有线网络和无线网络一致确定性的关键枢纽，TSN是时延敏感网络，5G则是BestEffort网络，融合的前提是在不确定的5G网络实现确定性时延，包括时间同步、流量调度、可靠桥接技术等
29、功能，由此将5G作为TSN网络的无线部分，扩展网络的覆盖面，大幅提高端设备设计和部署的灵活性。此前，中国信息通信研究院牵头发布“5G+TSN联合测试床“，中兴通讯联合高通成功演示用于智能电网的端到端5GTSN系统，中国联通与北京科技大学发布面向冶金行业的5G+TSN系统，爱立信发布基于5G与TSN融合的移动机器人，这些都需要TSN融合5G模组。图5TSN融合5G模组方案及原型3. TSN设备TSN设备是TSN通用解决方案的主干，不可或缺。主要包括TSN交换机、TSN网关、TSN网卡、TSN测试仪、TSN端设备等，提供TSN设备的厂商阵容正在扩大，开始逐步形成端到端的TSN产品方案。例如，Rel
30、yUm公司发布了TSN网关RE1.Y-TSN-CPPS。控创(kontron)推出的KBOXe-102-2可为现有P1.CBoxPC、网关和工业服务器的硬件/软件升级解决方案。英特尔的EXOReXware707系列多协议IloT网关可充当OT和IT之间的桥梁。恩智浦推出了S32G-VNP-G1.DBoX作为通用车载网关。三旺通信基于工业场景应用，推出工业级TSN交换机、工业级TSN交换机板卡、工业级TSN网关等端到端多类型TSN设备。图6三旺通信TSN工业交换机国防科技大学研制多种型号的TSN网络设备，包括TSN交换机、TSN网卡、TSN网关、TSN网络测试仪等。图7枫林一号TSN交换机板卡4
31、. TSN控制器TSN控制器，是TSN的用户/网络配置中心，采用集中式的配置模型，具备检索端站和TSN设备识别、收集端站功能和流量需求、流量路径调度计算、设备TSN配置下发等功能，是推动TSN产业发展的核心组件。例如，网络通信与安全紫金山实验室正在进行TSN控制器的研发。其TSN控制系统基于软件定义网络思想，遵从802.IQcc完全集中式配置规范，支持全网级时钟同步配置管理、提供TSN全部传输协议的纳管、并提供多种调度引擎算法，优化网络资源的管理。国防科技大学研制了一款适配OPenTSN开源项目的TSN集中式网络控制器TSN1.ight,可以对OPenTSN的硬件设备包括交换机、网卡、网关等设
32、备进行管理控制。TTTECH公司的SlateXNS是一种TSN纳管产品方案，作为基于浏览器的软件，它用于为TSN网络拓扑建模、添加流和部署配置。SlateXNS可以调度和配置任何TSN标准兼容的网络/设备，在Windows或1.inUX上运行，无需专业知识就能配置复杂的TSN网络。CiSCO的CNC纳管TSN交换机方案，提供分层的架构模型。CNC是SDN控制器，作为集中式的网络控制，拥有全局的视图和网络管理。当前CNC专注于自动化配置，包括新增流量需求、转发设备改变场景等。5. TSN流量规划器TSN流量规划器根据用户需求生成相应的网络拓扑，支持集成多种调度策略，通过全局信息采集，统筹规划流量
33、调度方案，是促进TSN工业发展的关键部件。例如，国防科技大学基于python和开源SMT求解器开发的TSN流量规划器OPenPlanner,由拓扑及流量生成、拓扑及流解析、约束生成、约束添加和求解、输出解析五个模块组成。华为针对不同场景业务差异化的S1.A保证需求，提出TSN大规模异构异质流量编排方案，针对业务实际特征进行分类、聚合，并根据拓扑类型，智能选择同步、异步或混合编排方式，实现大规模流量的快速、增量编排，同时具有网络运行态实时调优能力。D-常规业务:按需部署NCAP智能编排器异构/分域网络A-直通业务:即来即走B-确定业务:按时转发C-弹性业务:E2E可控重务:构造“虚姒专线.端到等
34、得待,适用关,吩议信息.AfifiS酎延科动求的曾务等定殳务:的控制收事逐院转发时间,*到定隹低时延&抖动(UyMS).送用固性工控叱务等。性业务:端到送上界附值可投.透合流ISiK有一定机性且对露到*时过有IR求的业务.如蜘会议.像头祟集It鲤%:适用无明S1.AH家的业务.如WEB访问箸应用&场景&网络感知:根据应用.场景和网络特征,自动适配TSN、NC等不同蝎捧调度算法,灵活选择织排粒度(蟆/流/队列等)，充分利用第一比特.实现超低时延.超低抖动等目标Al、1.P加持:BI确送代,加速收敛，实现效率和精度的完美平衡pl容异构网络:支持TSN特性交换机.通交换机.路由Il混合组网目豪容分域
35、网络支持多域组网,支持业务的符域路过理切.调度以及0排一键使能，全程“零”配置 用户知晓业务特征 业务不知晓业务特征 业务特征分析 网络状态分析 全网业务编排 配自动下发!业务实时性能可视 反馈调节、动态优化图8TSN大规模异构异质流量编排方案（四）TSN融合技术解决方案1. TSN+OPCUA解决方案TSN+OPCUA组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的通信网络，将会在带宽、安全、互操作、延迟和同步等方面带来巨大改善。TSN技术和OPCUA相结合，可以满足工业应用的各种传输需求，提升工业现场的信息交互效率。OPCUA提供标准的语义定义，统一互操作，统一信息模型，M2M/M2B协
36、同，以及面向服务架构设计SOA降低软件设计难度。TSN通过良好的互通性，改善现场总线标准不统一的情况，提供高可靠性、多路径/冗余路径技术；提供US级时延、ns级抖动，管理简单，即插即用。ondemandconfigurationmetadatasecurityredundancyfiletransfereventshistoricalUAClientacyclicread/writelbrowselinvoke/notifyCIientZServerInformationModelDevice/Datacontroller-controllerOPCUAcyclicdeterministict
37、DeviceTSN图9赛灵思OPCUA-TSN通讯框架2. DDS融合TSN：实时数据交换解决方案HCF对象管理组织（OMG）宣布开发了一个DDS-TSN标准，以便使用DDS数据总线的软件应用程序能够部署在支持TSN的网络上。通过将DDS置于TSN之上，系统架构师和应用程序开发人员可以轻松地创建具有高确定性、可靠性、可扩展性和可用性特性的强大的分布式数据中心软件集成框架。图10使用DDS-TSN标准启用的QoS策略和配置参数简单配置时间敏感数据流结果表明，DDS和TSN非常适合并完美互补。DDS系列规范为IlOT连接堆栈上较高的软件组件定义了软件数据总线，如图11所示，TSN规范定义了堆栈最低
38、层的硬件接口和信令，两者都是横向标准，适用于许多垂直市场。DDS-TSN标准的出现，使IlOT网络能够融合到单一商品硬件解决方案中，实现所有数据的实时交换。3. CC-1.inkIETSN解决方案CC-1.inkIETSN是一种开放式工业网络技术，瑞萨电子为智能工厂应用提供了基于该技术的系统解决方案，作为首个支持CC-1.inkIETSNB类标准的控制器，R-IN32M4-C1.3芯片上的系统严格的符合规范，可实现超高速和高精度运动控制解决方案，从总体上提高了工厂的生产效率。图11使用CC-1.inkIETSN的技术架构三、TSN行业解决方案（一）轨道交通1 .需求分析列车通信网络TCN,为列
39、车各子系统提供数据通信服务，是列车核心组成部分之一，相当于列车的“大脑”和“神经”系统。为了满足列车信息化和智能化的发展趋势对高带宽的需求，IEC/TC9于2012-2018年陆续制定发布IEC61375系列相关标准，将以太网技术引入轨道交通行业。中国于2020年陆续发布GB/T28029系列标准，完成中国列车通信网络以太网相关技术标准化。TCN采用以太网技术后尽管有足够的带宽，却并未简化列车的整体设计。列车往往部署多个通信网络，分别用于列车控制、铁路信号、视频安全和乘客信息系统等。其主要原因是以太网技术本身不具备确定性,在多种业务数据混合传输的场景下，无法保障控制数据的安全。IEC61375
40、和GB/T28029标准建议将控制网与多媒体网分别组网，如下图所示。图12IEC61375规定的控制网与多媒体网组网方式下一代列车通信网络的核心目标是简化列车整体通信的复杂性，把各个子系统的多个网络融合成一个综合承载网络。欧盟Shift2Rail计划的CONNECTA项目于2016年开始进行下一代列车通信网络的研究，西门子、庞巴迪、西班牙CAF、阿尔斯通、德国DB,法国国铁等都是该项目组成员。CONNECTA项目定义的下一代列车通信网络将采用基于IEEE802.1标准的TSN技术。IEC/TC9于2021年开始策划IEC61375系列标准的修订，有意向增加TSN内容。尽管下一代列车通信网络标准
41、尚未制定，但是TSN作为下一代列车通信网络代际特征通信技术基本上已成为业内共识。新的列车通信网络采用TSN技术以后，将兼有MVB/WTB总线通信技术确定性实时性和以太网技术的高带宽灵活性的优点，列车通信网络将会迎来一个全新的阶段。2 .应用解决方案由于基于TSN的列车通信网络暂未形成标准规范，本章节根据IEC61375与GB/T28029标准的网络架构，结合两种协议的标准和TSN的技术特点，提出一种可能的基于TSN的列车通信网络架构，如下图所不O编组#1编组#2图13基于TSN的列车网络架构示例该架构整体采用双平面冗余的结构，与IEC61375和GB/T28029相同的分层模式，包含支持TSN
42、的以太网列车骨干网节点ETBN构成的列车骨干网ETB,支持TSN的以太网编组网节点ECNN构成的编组网，以及支持TSN终端设备ED和普通终端构成的终端层。TSN列车骨干网由ETBN-TSN设备组成，每个编组固定为两个ETBN设备，主要解决列车重联与解编动态编组问题。基于TSN的列车骨干网使用双线性结构，摒弃了掉电旁路功能。物理层可能会升级到100OM或IOG以太网，通信线缆可能会继续使用电缆也可能使用光缆。TSN编组网由ECNN-TSN设备构成，以成对的方式部署，核心作用是向终端设备层提供接入服务。基于TSN的编组网物理结构上明确采用环型拓扑，面向双网口控制类终端设备提供并行结构双数据平面冗余
43、方式，面向普通终端设备提供环型冗余服务。物理层可能会升级到100OM或IOG以太网，通信线缆可能会继续使用电缆也可能使用光缆。终端层由具备TSN功能的ED-TSN和普通以太网终端ED构成，与车辆控制相关的关键设备比如牵引、制动、辅助等系统要求支持TSN且采用双网口冗余方式，与车辆控制无关的其他设备比如车门、空调、PIS等系统可以继续采用单网口方式。物理层可能会彻底摒弃IOBASE-T,使用100BASE-TX,线缆采用CAT5e电缆。列车实时数据协议TRDP需要进行升级修改，以适应新的网络架构、TSN技术特性并支持版本兼容。基于TSN的综合承载网络分别为控制数据和非控制数据配置不同的优先级，以
44、确保在非控制数据出现异常的情况下，控制数据不受影响。建议优先级分配遵循以下原则：行车安全控车相关数据优先级较高，非行车相关控车数据或服务类控制数据优先级次之，视频等多媒体信息优先级最低。IEEE802.1TSN已经发布和正在制定中的子标准超过30余项，轨道交通行业列车通信网络对TSN标准的选择建议如下。板块标准选择说明时间同步目前车载应用使用的时间同步的方式，比如NTP协议、SNTP协议、基于TRDP的授时协议等均无法满足TSN的使用需求，必须引入IEEE802.1AS-Rev这一全新时间同步协议的支持。按照传统的失效不扩散原则，建议骨干网和编组网采用隔离的PTP域，某个编组时钟失效不会影响其
45、它编组或骨干网，骨干网时钟失效不会影响编组网流量整形目前车载应用流量整形采用的是基于信用、权重或严格优先级的整形策略，为了支持TSN,需要引入IEEE802.IQbx,流量调度整形机制的支持帧抢占考虑到IEC61375和GB/T28029中对于骨干网均明确要求使用100BASE-TX物理层，建议列车通信网络在使用TSN时引入对IEEE802.1QbU帧抢占协议的支持，提高对带宽的有效利用率安全防护列车通信网络由交换设备承担的安全相关的功能主要包括带宽限制、广播风暴抑制、黑白名单等，引入IEEE802.IQci逐流过滤与监管支持可以使交换机的防护功能更加完善网络健壮性IEEE802.ICB帧复制
46、与消除FRER(FrameReplicationandEliminationforReIiabiIity)提供了一种在二层无缝冗余的传输方式，建议引入该标准提升列车网络通信健壮性图14轨道交通行业列车通信网络对TSN标准的选择建议目前无论国际还是国内，IEEE802.1TSN技术将会是轨道交通行业下一代列车通信网络的代际特征，已经是行业共识。我们对此感到乐观，但对于TSN落地过程中所面临的问题也要有清醒的认识，只有尽快完成基于TSN的列车通信网络标准化才能够真正加快TSN技术在轨道交通行业的落地进程。问题描述TRDP与TSN融合TRDP是IEC61375和GB/T28029规定的列车车载通信协
47、议，需要研究如何将TRDP的配置、传输与TSN自身的配置、传输机制进行融合，使TSN技术满足列车通信网络技术规范拓扑变化列车编组改变或者故障会导致列车网络拓扑发生改变。拓扑变化将需要对数据调度配置进行相应调整。如何设计相应的适应机制和快速生成调度，是一个技术挑战时间同步TSN的最关键的部分时间同步，需要研究一种适合轨道交通车载场景的时间同步方案，同时需要思考如何应对拓扑结构变化引起的时间再同步互联互通TSN的测试一致性标准还没有建立，当前厂家互联互通还未完全建立，但各厂商调度机制还存在差异，导致部分厂商设备报文转发丢弃或时延加大的情况，未来还需要加强通信一致性标准的制定和完善，减少报文丢失或延
48、时问题的发生图15轨道交通行业TSN落地的问题（二）智能制造1 .需求分析智能制造是一种新型生产方式，该生产方式是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能。跟传统制造相比，智能制造具有如下特点：(1)数据量越来越大。智能终端、物联网逐渐普及，全球物联网将保持高速增长，根据GSMA发布的报告和世界物联网大会提供的数据显示:2019年全球物联网总连接数达到120亿，其中我国的物联网连接数为36.3亿，在全球占比高达3096,预计到2025年，全球物联网总连接数规模将达到246亿，年复合增长率高达13%,而我国预计能够超过80亿个。大幅提高的物联网连接数会导致企业内部流量激增，
