TSN，what？

工业4.0要求IT与OT深度融合，工控现场所需的实时数据和生产管理所需的非实时数据能够通过统一网络传输，在统一的数据平台处理与分析，并能够下发到各个控制器执行。

TSN 是IEEE802.1的扩展协议，旨在提升以太网的性能，使其更具备确定性、鲁棒性、可靠性，通过IEEE802网络保证数据包的延迟、抖动、丢包，实现IT与OT流量的统一承载。

TSN(Time-Sensitive Networking)是由IEEE802制定的一套网络标准，并不是全新的技术，而是对现有以太网网络技术的改进。

TSN四大核心功能：时钟同步、流量整形、资源管理、可靠性

TSN协议栈：

TSN五大类组件：时间同步组件、可靠性组件、时延控制组件、资源管理组件

（1）时间同步组件

TSN采用IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-REV实现时间同步

（2）延迟控制组件

TSN延迟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时延，避免突发流量造成的重传和丢包。

流量整形标准包括：

IEEE802.1Qav（Forwarding and Queuing for Time-Sensitive Streams，FQTSS）：基于信用指标将传输时间分为高优先级流量和普通优先级流量两类时隙，单跳延迟≤250us，增加了网络平均延迟，主要用于音视频流量。

IEEE802.1Qbv（Time-aware Shaper，TAS）：所有网络节点时间同步，利用门控列表控制不同优先级队列的传输。该协议有效减小了传输时延，可以提供更精确的确定性时延保障，但是配置复杂，对网络节点的同步精度要求高。同时要求保护间隔（保护间隔与最大可能的干扰帧长度相同）。

IEEE802.1Qch（Cyclic Queuing and Forwarding，CQF）：通过同步入口和出口队列操作，实现了与网络拓扑无关的零拥塞和有界延迟，但是对网络节点的时间同步要求高。CQF与FQTSS兼容。CQF与802.1Qbv、802.1Qbu/802.3br相结合能够降低最小周期时间。

IEEE802.1Qcr（Asynchronous Traffic Shaping， ATS）：采用基于紧急度的调度机制，紧急度高的数据可以优先传输。ATS以异步形式运行，桥和终端节点无需时钟同步。

IEEE802.1Qbu（Frame Preemption，FP）：帧抢占机制，允许高优先级的流量抢占低优先级流量传输时隙。帧抢占造成的低优先级帧中断在下一个网桥中被重新整合成完整的帧。Qbu能显著减小保护间隔长度。

（3）资源管理组件

TSN的资源管理有两类机制，包括分布式管理和集中式管理。

资源管理协议有如下几类：

IEEE802.1Qat流预留协议（Stream Reservation Protocol， SRP）：采用分布式的注册和预留方式，使用48位扩展唯一标识符识别业务流。注册请求的变更有可能使网络过载从而导致关键流量的延迟。

IEEE802.1Qcc（TSN configuration）：高速通道带宽预留协议，是SRP的增强模式，采用集中式的管理方式，通过集中式的网络配置节点（Centralized Network Configuration，CNC）通过远程管理协议（如NETCONF或RESTCONF）执行资源预留，通过改善预留消息大小和频率，改善关键流量类的延迟。此外，远程可配置性，支持NETCONF网络配置协议服务，YANG被用作NETCONF上的数据建模语言。

IEEE802.1Qcp（Basic YANG）：面向桥接的YANG数据模型可结合NETCONF在网桥之间实现基本桥接配置数据的通信。

IEEE802.1Qcx（YANG for CFM）：连接失败YANG数据模型。基于UML（Unified Modeling Language）定义了信息模型和YANG数据模型。

IEEE802.1ABcu（YANG for LLDP）：LLDP 的YANG数据模型。

IEEE802.1Qcw（YANG for Qbv，Qbu & Qci）：面向Qbv、Qbu、Qci的YANG模型扩展了802.1Qcp的功能，结合NETCONF支持在网桥之间实现调度、抢占和监督配置数据的通信。

IEEE802.1CBcv（YANG & MIB for FRER）：扩展了802.1Qcp功能，结合NETCONF支持在网桥之间实现冗余配置数据的通信。

IEEE802.1CBdb（Extended Stream Identification）：FRER扩展流识别功能。

IEEE802.1CS（Link-local Registration Protocol）：本地链路预留协议，在点对点链路的两端之间有效地复制MRP数据库，并在网桥报告新的网络状态时逐步复制更改。同时，提供清除功能，当此类数据库的源无响应时，删除复制的数据库。

IEEE802.1dd（Resource Allocation Protocol）：资源分配协议。

IEEE802.1Qdj（Configuration Enhancements）：TSN的配置增强。

IEEE802.1ABdh（LLDPv2）：支持多帧协议数据单元。

（4）传输可靠性组件

TSN传输可靠性保证协议：

IEEE802.1CB（FRER，Frame Replication and Elimination for Reliability）：在不相交的路径上发送关键流量的备份，主动实现无缝数据冗余。

IEEE802.1Qca（PCR，Path Control and Reservation）：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的控制参数的分配。

IEEE802.1AS-2020（Reliability for Time sync）：在IEEE802.1AS中添加了多域冗余和对“一步法”的支持，保障时间同步。

（5）安全协议

IEEE802.1X-2010 Network Access：基于端口的网络接入控制协议，在局域网接入设备的端口验证用户身份并控制访问权限。

IEEE802.1Qci-2017 PSFP（Per-Stream Filtering and Policing，单个流过滤和策略管理）：对转发前的数据进行筛选和过滤，对特定标识的数据帧加以控制。

IEEE802.1AEcg-2017（E2E）MACSec：通过密码技术认证数据起源，保护信息完整性并提供重放保护和保密性，通过提供逐跳的安全性，保护网络基础设施的可信赖部件之间的通信。