Intel產品使用TSN技術，保障工業物聯網數據可靠性

1. 什麼是TSN？

TSN （Time-Sensitive Networking）是IEEE 802.1Q定義的一項協議標準，為確定性以太網傳輸數據提供了一套通用的時間敏感機制。確定性以太網是針對工業物聯網提出的一項控制並降低端到端時延的技術，目標是準時、準確、快速，用來解決標準以太網協議在工業物聯網應用時，出現的高延遲、網絡堵塞，以及數據丟包的情況。

TSN為標準以太網提供了確定性和可靠性，以確保數據實時、確定和可靠地傳輸，提高數據傳輸效率。此外，TSN能實現時間敏感性（對實時性要求高）數據和非時間敏感性數據在同一網絡的傳輸。

2. TSN的協議

傳統以太網會採用載波偵聽多路訪問/衝突檢測（CSMA/CD)的機制，當兩個工作站發生衝突時，必須延遲一定時間後重發報文。發生堵塞時，有的報文可能長時間發不出去，就造成龍通信時間的不確定。需要專門加入實時以太網，傳輸對實時性要求高的數據。為了實現部分數據傳輸的實時、確定性需求，有實時性要求的數據和沒有實時性要求的數據往往需要通過兩個網絡進行傳輸。所有的控制器都要兩個網口，一個是實時以太網，另一個是標準以太網。而TSN避免了這個麻煩，不僅能確保數據的實時、確定性傳輸，還能實現時間敏感數據和非時間敏感性數據在同一網絡的傳輸，。

TSN通過一整套協議標準來實現數據在同一網絡的實時、確定性傳輸，保證對實時性要求高的數據在標準以太網的不同場景下都能順利傳輸。TSN協議族包含了時鐘同步、數據調度及流量整形、可靠性、資源管理這四個類別的子協議，TSN協議族本身具有很高的靈活性，用戶可以根據應用的具體需求來選擇相應的協議組合。

 

• 時鐘同步

與IEEE 802.3 的標準以太網相比，時鐘在TSN 網絡中起著重要的作用。對於實時通信而言，端到端的傳輸延遲具有難以協商的時間界限，因此TSN 中的所有設備都需要具有共同的時間參考模型，因此需要彼此同步時鐘。目前TSN採用IEEE 1588 協議和IEEE 802.1AS協議來實現時間同步。IEEE 1588協議是一個精密時間協議用於同步計算機網絡中的時鐘。 在局域網中，它能將時鐘精確度控制在1us-10ns範圍內，使其適用於測量和控制系統

• 數據調度及流量整形

TSN通過定義不同的整形機制將數據流的時延限定在一定範圍內，以此滿足不同的低時延場景需求。在傳統以太網中，數據流的通信時延是不確定的，由於這種不確定性，數據接收端通常需要預置大緩衝區來緩衝輸出，但是這樣會導致數據流，例如音視頻流，缺失了實時方面的特性。TSN不僅要保證時間敏感數據流的準確到達，同時也要保證這些數據流的低時延傳輸。通過優化控制時間敏感流和best-effort流、以及其它數據流在網絡中的傳輸過程，來保證對數據流的傳輸時間要求，這個優化控制的方式就是整形。

TSN用於數據調度和流量整形的協議有IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu、IEEE 802.1Qch及IEEE 802.1Qcr。其中，IEEE 802.1Qbv採用非搶占式的的數據調度，流量調度方式通過時隙進行控制，需要實時傳輸的數據流優先傳輸，同時為best-effort數據及預留數據預留帶寬，允許時間敏感流和非時間敏感流在同一個網絡中傳輸，並確保數據的實時傳輸。

由於TSN的運行基於不同的時間時隙發送不同類型的流量，因此所有網絡設備必須在納秒級範圍內同步。

• 可靠性

對數據傳輸實時性要求高的應用除了需要保證數據傳輸的時效性，同時也需要高可靠的數據傳輸機制，以便應對網橋節點失效、線路斷路和外部攻擊帶來的各種問題，來確保功能安全和網絡安全。IEEE 802.1Qci、IEEE 802.1CB及IEEE 802.1Qca用於實現TSN這方面的性能。

IEEE 802.1CB為以太網提供雙鏈冗餘特性，通過在網絡的源端系統和中繼系統中對每個數據幀進行序列編號和複製，並在目標端系統和其他中繼系統中消除這些複製幀，確保僅有一份數據幀被接收。可用來防止由於擁塞導致的丟包情況，也可以降低由於設備故障造成分組丟失的機率及故障恢復時間，提高了網絡可靠性。

• 資源管理

在TSN網絡中，每一種實時應用都有特定的網絡性能需求。使能TSN網絡的某個特性是對可用的網絡資源進行配置和管理的過程，其允許在同一網絡中通過配置一系列TSN子協議，來合理分配網絡路徑上的資源，以確保它們能夠按照預期正常運行。TSN資源管理子協議包括IEEE 802.1Qat協議和IEEE 802.1Qcc協議，IEEE 802.1Qcc協議是IEEE802.1Qat協議的增強。

IEEE802.1Qat即流預留協議。根據流的資源要求和可用的網絡資源情況指定數據准入控制，保留資源並通告從數據源發送端至數據接收端之間的所有網絡節點，確保指定流在整條傳輸路徑上有充足的網絡資源可用。

3. TSN的應用場景

TSN的典型應用就是工業物聯網，傳統的工業自動化通過在每個接入網側均採用硬編碼邏輯控制器（硬PLC）及人機交互界面（HMI）對機器人、夾具的控制來實現。每個接入網側都需要相應的硬體PLC分散地處理業務，使得管理困難，運維複雜。而且生產線往往頻繁變更，硬體PLC由於採用硬編碼，其生產擴展不靈活，生產線變更時需要耗費很大的資源去進行生產線的適配和調測。

如果將PLC直接接入到工廠數據中心，就可以採用軟體編碼的虛擬PLC，運行在融合架構的IT基礎設施平台上。一方面可以實現對生產設備的遠程集中處理；另一方面，通過軟體編程就可以完成對生產線的適配，生產擴展靈活。

但工廠的數據中心往往統一管理信息技術和運營技術，生產業務流和辦公業務流及其它數據流，全部在同一網絡上送到工廠數據中心，而且工業自動化控制對數據流的確定性到達有毫秒級的要求。採用傳統實時以太網，難以滿足實現確定性通信的同時實現時間敏感性數據和非時間敏感性數據在同一網絡的傳輸，也就不能實現在工廠數據中心處對生產機器（機器人、夾具）的集中管理，而TSN網絡的出現可以解決這一難題。通過給網關增加TSN協議，構建TSN網絡，就可以實現時間敏感性數據和非時間敏感性數據在同一網絡傳輸的同時，也實現數據在毫秒級乃至微秒級的確定性通信，從而實現工廠虛擬PLC的遠程集中管理，使生產更加安全，維護更加方便，產線調整更加靈活。

4. Intel哪些產品支持TSN

CPU：

Intel Xeon D2800 & D1800系列

14th Intel Core S系列

13th Intel Core Core  U & H系列

12th Intel Core S系列

11th Intel Core UP3/H系列

Intel Atom x7000E系列

Intel Atom x6000系列

以太網產品：

Intel I225/I226 Ethernet Controller

FPGA：

Intel Arria 10 SoC/Cyclone 10 GX FPGA

Intel Cyclone V SoC FPGA

Intel Agilex-5 FPGA