一文理清---TSN时间敏感网络

2024-05-06 04:58:42

时间敏感网络

什么是时间敏感网络TSN?

时间敏感网络（TSN，Time Sensitive Network）是指能够保证时延敏感流的服务质量，实现低时延、低抖动、和零丢包率的网络。

时间敏感网络演进

TSN是从传统以太网的基础上演变而来，实现可靠的数据传输，因此也是确定性网络的一种。
以太网技术诞生于 20 世纪 70 年代，从串行通信时代、传统以太网时代、实时以太网时代逐步进入确定网络时代，从同轴电缆慢慢发展成为千兆以太网。以太网是目前应用最普遍的局域网技术。

2005年，IEEE 802.1工作组创立了音视频桥接技术（Audio-Video Bridge,AVB）,为包括音视频行业在内的所有具有实时传输需要的应用指明了方向。该技术通过精确时钟同步、带宽预留、流量整形等措施，提升时间敏感业务流的服务质量。
为了将AVB应用于更多的领域，在2012年，IEEE 802.1工作组正式将AVB更名为TSN。此后TSN进行了一系列协议的扩展和标准化工作。TSN通过高精度时钟同步、带宽预留、流量整形、逐流过滤和帧抢占、时间感知调度、无缝冗余等技术，为时间敏感数据流的传输提供了超低的端到端时延和传输的确定性，成为未来实时通信的发展趋势。TSN对实时系统的广泛应用及发展提供重要的技术支持和驱动力，具有广阔的发展前景。TSN和AVB都是由一系列的协议标准组成的协议簇，每个协议实现不同的功能。
其中AVB标准包括：

IEEE 802.1AS：精准时钟同步协议（general Precision Time Protocol,gPTP）
IEEE 802.1Qat：流预留协议（Stream Reservation Protocol，SRP）
IEEE 802.1Qav：时间敏感流的转发和排队（Forwarding and Queuing Enhancements for Time Sensitive Streams,FQTSS）
IEEE 802.1BA：音频视频桥接系统，定义AVB配置文件（AUdio Video Bridging Systems）
更名为TSN后，AVB对部分原标准进行了修订，同时新增了几个性能改进标准：
IEEE 802.1ASbt：增强功能和性能改进，基于IEEE 802.1AS-2011修订定时和同步
IEEE 802.1Qbu：新增协议，定义了帧抢占机制
IEEE 802.1Qbv：新增协议，增强了计划流量的调度

TSN协议主要工作在数据链路层，他通过精确时钟同步、带宽预留、流量整形、帧抢占、门控制机制、循环队列转发、逐流过滤、无缝冗余等措施，为数据的传输提供确定性或者有界的端到端时延，强化了以太网的实时性能。

时间敏感网络关键技术

TSN 核心机制主要包括时钟同步、数据调度、网络配置和帧复制与消除：

TSN 中的所有设备首先要具有共同的时间参考模型，网络设备才能够一致操作，并在所需的时间点执行所需的操作，因此需要时钟同步机制保障所有网络设备的时钟保持同步。数据调度是保证时间敏感的基础，它的核心思想是基于不同的整形器进行不同应用场景的流控制，主要的整形器包括基于信用的整形器、时间感知的整形器、周期性排队与转发机制整形器和异步数据流整形器。网络配置是面向时间敏感网络应用，给出三种用户/网络配置模型，用户可根据实际应用需要选择不同的网络配置模型。帧复制和帧消除是为以太网提供无缝冗余特性，提高可靠性。

什么是调度整形机制？

调度整形机制是交换机中的两种服务质量保障机制，调度是指队列调度，一般实现在交换机的出端口，包含进入队列、根据调度算法选择发送队列、出队传输三个部分；整形是指流量整形，通过限制端口的转发速率从而防止交换机内部或出现下一跳出现拥塞。

TSN怎样实现低时延？

时延怎样产生的？

链路传输时延
交换机处理时延
出端口排队时延

TSN怎样保证？

链路时延和处理时延基本为固定值，所以减少时延必须要减少排队时延，即时延敏感网络的本质就是不排队：先通过优先级队列将时延敏感流和尽力而为流隔开，再从时间上（划分时隙）或空间上（规划路由）将同样的时延敏感流隔开。

实现低时延后，包在交换机里的停留时间很短，包的累积不会超过队列缓冲区大小，从而实现零丢包率；同时，抖动是指时延的变化差值，低时延降低了最坏时延，让时延上界靠近时延下界，减小了时延的变化区间，从而也实现了低抖动。

什么是配置时隙？

传统的以太网采用“尽力而为”的转发，无法保证包的端到端最坏时延，时延敏感网络采用类似时分复用的方式，为每一个包配置时隙，保证其有足够的时间进行转发。

下面是三种基于时间的调度整形机制：

时间触发以太网（TTE）：把时间戳打在包上，通过时间表控制包的发送，让每个包自己知道自己的发送时间，在发包侧就将各个包的发送时间隔开，严格保证时延抖动满足要求。
时间感知整形（TAS）：利用优先级门控队列，即在优先级队列后加上门控开关，通过门控时间表控制门控开关的打开闭合来保证时延抖动要求。其可以阻断尽力而为流的持续转发，让高优先级的包得到稳定的间隔转发时间，同时PTS流之间依然要将发包时间隔开，时延抖动保证效果才最好。比如每跳时延为T，共有n跳，则可保证端到端时延最大为nT。和TTE相比，让优先级队列决定包何时被转发，降低了对发端的要求，同时时延抖动保证粒度也会弱一些。
循环排队转发（CQF）：把TAS里只用一个最高优先级队列来接收时延敏感流，变为用奇偶两个队列循环接收，即所谓的乒乓队列。其可以用于解决流聚合问题，如果两个PTS流同时到达了，必有一个PTS要等待转发，循环排队转发可以保证等待的流只等待前一个PTS流转发，即一个周期T，自己再转发一个周期T，假设共有n跳，则端到端时延可保证最大为2nT。

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