一、TSN前身——AVB

1、AVB全称Audio Video Bridging 即音视频桥接器。它有效地解决了数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。同时又保持了100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。
2、AVB是一系列的协议集合，包括：

802.1AS：精准时间同步协议
802.1Qat：流预留协议
802.1Qav：排队及转发协议
802.1BA：音视频桥接系统
1722：音视频传输桥接协议
1733：实时传输协议
1722.1：负责设备搜寻、列举、连接管理以及基于1722设备之间的相互控制

3、AVB会自动通过带宽预留协议将总带宽的一部分用于传输双向的高质量、无压缩的专业音频，将剩余的带宽用于传输一些非实时性要求的普通网络数据。

4、AVB工作原理

由于以太网是一种串行传输网络，因此，当出现大量的突发性数据进入网络时，由于各个数据源发送数据到链路上的时间可能具有一致性，导致部分数据出现时间重叠现象，也就是产生了所谓的冲突。使用QoS可以解决部分问题，但仍然没有根除。

时延的产生是因为数据包发生重叠，我们希望发送到网络中的数据能以规整的顺序排队传输，进而提高带宽利用率。AVB通过流量整形来达到降低时延的目的，它不但可以对发送端比如各种音视频设备的网络端口进行流量整形，还可以对交换机中的每个转发节点进行整形。从而确保每个音视频流只占用各自相应的带宽而不对其他数据产生影响。

5、AVB相对于传统以太网主要提供了预留带宽、流量优先级、时间同步三方面的能力

二、TSN

1、TSN扩展了AVB的能力，增加了两个新的功能时间调度流量、帧抢占
2、TSN由一系列协议组成，位于OSI中的数据链路层，是一个二层协议。同时其机制大部分通过硬件来实现，处理的延迟基本可以忽略不计。其核心组件包括：

同步
可靠性
延迟
资源管理

关键技术包括：

时钟同步
数据流调度策略
TSN网络与用户配置

(1)时钟同步（802.1AS-Rev）

时钟同步机制通过节点间同步报文的发送，链路延迟的计算，时滞延迟的叠加最终实现各个节点与主时钟（Grandmaster）的时钟同步。主时钟会通过报文将自己的原始基准时间（now）告知系统中的其它节点。从主时钟发布时间基准到被其他节点收到，会经历一段时间（t）。以图3为例，主时钟与左下角的终端节点进行同步，主时钟从发布基准时间到被终端节点收到所经历的时间t包含：2段链路延迟（d1, d2）以及一个switch的时滞延迟（r1）。当终端节点收到基准时间的时候其实已经是T=now+d1+d2+r1，那么只要终端节点能够清晰的知道d1, d2和r1（通过同步报文交互实现的，这里就不做详细介绍了）并在收到时间基准的时候把自己的时钟设置成T，就完成了与主时钟的同步。同理，其余被同步节点的时钟计算也是一样的，只是同步链路上的时间t会有所不同。

值得注意的是，整个同步机制除了沿用802.1AS中的机制，还增加了冗余机制，包括：

主时钟冗余：现行时钟与热备份时钟实时同步，实时运行，一旦主时钟出现任何问题，控制器切换到备份时钟同步。
时间链路冗余：每个时钟维护两条时钟通路，一旦其中一条发生故障，切换至另一条通路进行同步。

(2)延时保障

0. 多种方式提供延时保障

基于信用的整形器(802.1Qav)
帧抢占(802.3br+802.1Qbu)
预定的数据流(802.1Qbv)
周期性序列和转发(P802.1Qcr)
QoS预防(P802.1DC)

1. 时间感知整形TAS（802.1Qbv）

为TSN网络的周期性数据提供了低延迟保障。与AVB相同，由于以太网是串行传输，数据流进入网络的先后顺序决定了数据传输的延迟大小。
TAS通过开关门机制来控制数据的发送。通过Gate Control List来控制每个队列在某一时刻的开关门状态，数据只有在开门时才可以发送。通常来讲，Gate Control List时周期循环的，在关键数据发送前会关闭其他的通道保证关键数据不受影响地传输出去。
周期性开关门的特性说明TAS更适合为周期性数据提供延时保障。

2. 帧抢占（802.3br+802.1Qbu）

帧抢占通过修改前导码将正常的以太网帧分为两类：Express MAC (EMAC 高优先级帧) 和 Preamble MAC（PMAC 低优先级帧）。通过高优先级帧可以打断正在发送的低优先级帧这一特性，减小高优先级的等待时间。在应用帧抢占时，需要注意的是：

数据仅被分为两类：EMAC与PMAC
需要依赖底层支持，将原有的MAC分为上述两类
PMAC可被打断的最小帧长度为124Bytes 小于该长度不能被打断

3. QoS预防（P802.1DC）

它提供了针对不同用户或者不同数据流采用相应不同的优先级，或者是根据应用程序的要求，保证数据流的性能达到一定的水准。以太网默认的转发机制叫做“Best Effort”(尽力而为)。也就是说当数据包抵达端口后，本着先入先出的原则转发。当网络的流量稀疏，这本不是一个问题。但在实际环境中，大量的数据包极有可能在一瞬间抵达端口。当然，端口可以在一定程度上缓存并延时转发，但我们一方面是不能容忍过大的延时转发，另一方面交换机的物理端口缓存也非常小，不可能有效解决大量数据包瞬间抵达的问题。这种情况下，我们只能对数据中比较重要或是强调实时性的数据包进行优先转发。这就要依靠QoS来对所有的数据包进行分类和标注，并依据规则来进行较为智能的转发。

(3)可靠性

0. 多种方式提供可靠性

极端可靠性
帧复制与Elimination(802.1CB)
路径控制与保留(802.1Qca)
帧检测过滤与报错(802.1Qci)
用于可靠性的时间同步(P802.1AS-Rev)

1. 帧检测过滤与报错PSFP（802.1Qci）

类似于防火墙机制，它可以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。PSFP根据数据流特征，对出错的数据流进行处理，方式有两种：

PSFP限制：限制数据流发送，降低到预设值
PSFP阻断：完全阻断错误数据流

此外，PSFP还可以防止网络攻击，如ARP攻击，还可以通过其中的门控机制确保被筛选出的数据在特定的时机进行发送。

2. 帧复制与Elimination FREP（802.1CB）

主要负责数据的冗余备份传输，利用冗余机制解决环路网络拓扑中，可能由CRC、线路开路，连接器断开等导致的信息错误或丢失。
在发送时，为特定数据打上标签与序列码，并且在不同通路上复制传输。在链路汇聚点处，复制信息会被识别并消除，以防止接收节点的上层应用处理多个重复数据。如下图：

其具体应用大致分为以下两类：

终端节点承担FRPE工作，如下图：
Switch节点承担FRPE工作（比前者易于实现，设计变更与复杂程度会更小）

分别如下：

终端节点承担工作：

Switch节点承担工作

三、TSN标签位置及定义

TSN在标准以太网的以太网帧中插入四个字节用于定义其特征，如下图：

其含义如下：

标签协议识别码：网络类型识别，代表这是TSN网络，标记0x8100
优先级代码：由三位代码构成
丢弃标志位：对于网络低QoS要求的数据，可以丢弃以确保高优先级数据的QoS
VLANdentifier/VID：VLAN网络识别号，12位表示可支持的子网数量为4096，VID=0用于识别帧优先级别，4095作为预留值，所以VID最多表示4094个子网

四、TSN价值

提供微秒级别的确定性服务，保证实时性
TSN降低了整个通信网络的复杂度，实现周期性数据与非周期性数据同时传输，即TSN实现了混合网络的数据传输能力，满足了标准以太网的分布式对等架构，确定性网络所采用的轮询/集束帧技术各自的存在要求，是的网络能发挥各自的优势功能。
TSN统一网络传输，提高经济性，（使用OPC-UA将层之间的各种协议以同一的接口？），如下：

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