時效性網路(Time-sensitive Networking, TSN)是電機電子工程師協會(IEEE)定義的專用於使乙太網路更具確定性的一種網路拓展。汽車、工業和高性能音訊等產業使用多個網路裝置進行即時通訊皆可從TSN標準中受益。個體使用者和企業均使用以頻寬為導向的乙太網路和無線乙太網路通訊。例如，連接乙太網路使用瀏覽器時，在開始影音播放之前，會受到不同程度的延遲。儘管大家都偏愛快速互動，不過對於普通用戶如果每100次點擊中有一次點擊效果差一級，通常是還可以接受的。
但是，如果觀看品質差了一些甚至停頓，用戶通常會感到失望。在汽車，生產線或音樂廳內的控制系統中，則任何延遲都不能被接受。這些系統最重要的特性是控制資料通過網路延遲和抖動、或者延遲變化。資料包到達系統終點所需的最長時間定義了網路中的通訊週期或控制頻率。
表1為某些應用範例的網路參數一覽。網路大小和拓撲可以固定(針對特定應用程式)或改變。最壞情況出現在乙太網路在資料包通過網路達到節點數和路由時，透過乙太網路重複進行資料包傳輸會出現幾秒鐘的延遲，且抖動非常高。
表1 各種應用範例下的網路參數
相比之下，即時確定乙太網路通訊往往會限制連接到網路的裝置數量。以工具機作為一種嵌入式產品為例，在一個控制硬體下，乙太網路連接的馬達數量少於100台。新的馬達控制參數每250μs更換一次。
這種固定和預設計設置要求確定即時乙太網路具備短週期和高精密度時鐘分配。現代化工廠中的生產系統使用即時乙太網路進行全面連接。圖1顯示了一個生產單元中的各種控制系統。
圖1 以TSN為中樞的工業4.0生產單元。
時效性網路是即時連接各種控制系統的一項關鍵技術。儘管控制系統的要求在規模、週期和精密度方面有所不同，不過它們可以使用相同的通訊介面準確地傳輸資料。控制系統內部部署了多台感測器和致動器。它們可以使用串列端對端連接，直接連接到即時乙太網路或連接到即時乙太網路內的集線器。TSN具有的確定性網路性能非常適合在生產層面的「現場」級別使用。工業控制系統中連接大量感測器和致動器是TSN網路配置面臨的主要問題之一。
透過網路，TSN具備以確定性傳輸來分類和標記資料流程的能力。在理想情況下，匯聚式網路在一個TSN網域中可聚集不同的串流種類。但是在回答網路工程問題前，首先應該瞭解TSN的基本功能。
TSN原理
IEEE 802乙太網路與網際網路協定(Internet Protocol, TP)相結合已成為一項科技業少數的成功案例。
唯一的挑戰是準確性和服務品質方面更困難的技術，例如：非同步傳輸模式(ATM)、記號環(Token Ring)和RapidIO。TSN是一項約12個IEEE 802標準組成的標準集，旨在解決確定性和服務品質，而又不損害乙太網路優勢(如互通性)。
TSN是一種可以與非TSN乙太網路一起使用的區域網路(LAN)解決方案，但是只有在TSN LAN內部才能保證其即時性。可以根據TSN解決的使用範例進行分組：共同的時間觀、保證的最大延遲、或與背景的共存性或其他流量。
如同其他普遍的標準，TSN標準工具箱也正不斷發展中，其中一些獨有的標準(例如802.1AS版本(Rev))尚未獲得批准，並正在導入新的替代型成形機(Shaper)。鑒於現今這種持續發展的趨勢，在選擇解決方案時必須考慮解決方案的可升級性，以支援最新或變更的標準。
如圖2所示，具有TSN功能的IEEE 802乙太網路是一項2層或資料連結層技術。應用程式需要上層協定，例如TSN上一級UDP/IP或PROFINET。
圖2 IEEE TSN和通訊堆疊
網路內等待確定性資料包傳輸的所有裝置均要求時間上有共識。一個或多個時鐘主控器透過乙太網路資料包向在網路中運行最佳主時鐘演算法(Best Master Clock Algorithm, BCMA)的所有裝置分配時間。
802.1AS版本是在資料包上1588v2精確定時的一個嚴格定義子集或設定檔。在802.1AS中加入802.1AS-版本增加了對多個時域的支援，除兩步外還額外增加了一步支援。基礎硬體必須支援在盡量靠近電纜的發送和接收的資料包上加蓋時間標記(Time Stamping)。
對於單步延遲報告，硬體還必須能夠在資料包中插入時間標記。對於兩步延遲報告，在後續資料包內加入傳輸時間標記，在某些情況下可減少因數據包上時間同步所產生的資料包負荷。802.1AS-版本包括對等線路延遲量測和橋接延遲計算。除時間標記外，通常在專用內核上運行的軟體或韌體實現802.1AS-版本其餘部分。德州儀器(TI)Sitara處理器的TSN導入支援802.1AS。在往後推出的處理器SDK將支援802.1AS-Rev和單步延遲報告。
時間感知成形機(Time-aware Shaper, TAS)實現了即時流量週期時間的開關切換。資料包每個出口埠調度程式會創建一個週期性視窗，期間沒有干擾流量。
TI針對Sitara處理器所導入的TSN可支援TAS。TAS是一項主要的硬體功能，在每個橋接埠和語音軟體中均有一個軟體堆疊來配置硬體成形機。
乙太網路是一個儲存轉發(Store-and-forward)網路。資料包開始上線後，將阻斷其他資料包線路直到到達資料包末尾。例如，一個100Mbps網路和一個典型的最大傳輸單元(MTU)資料包大小為1.5kB，會產生大約120ms(1.5kB/100Mbps)的隊頭阻塞(Head-of-line Blocking, HOL Blocking)。高速鏈路可以線性減少這種情況，但是即使是1Gbps網路也可能產生數十微秒的抖動。
為減少隊頭阻塞問題，IEEE定義了訊框優先(802.1Qbu)和相關的實體層標準交替性高速流量(802.3br)。只可以搶占高速流量，具備高速流量延遲。
直通交換、TAS和訊框優先是減少最差延遲的基本技術，即使在長菊鍊拓撲網路中也是如此。TI針對Sitara處理器導入的TSN技術可支援直通交換、訊框優先和散布流量。
迴圈排隊和轉發定義了所有串流的全面確定性延遲。TI針對Sitara處理器所導入TSN最初不支援802.1Qch，相反地，TI建議使用802.Qbv(TAS)和全面網路管理，避免干擾流量。
典型的乙太網路仰賴更高階的協定，例如傳輸控制協定(Transmission Control Protocol, TCP)轉發，從遺失的乙太網路訊框中恢復；生成樹協定(Spanning Tree Protocol, STP)，透過網路創建新路由。兩種方法均以不確定時間為代價進行訊框傳輸。
TSN使用冗餘(Redundancy)來確保延遲，即使出現單點故障(例如電纜斷開或開關損壞)的情況下也是如此。為主動保證在LAN拓撲內使用多個路由來進行訊框傳輸，802.1CB透過在傳輸器選擇性地複製訊框，而後在目的地放棄複製訊框來提供冗餘。
802.1CB可與現有工業網路相容，在現有的工業網路中較早的冗餘協定，例如高可用性無縫冗餘(High-Availability Seamless Redundancy, HSR)和並行冗餘協定(Parallel Redundancy Protocol, PRP)，不會因單點故障而對延遲產生影響。TI在Sitara處理器上的可程式設計即時單元子系統和工業通訊子系統(PRU-ICSS)上均支援HSR和PRP。之後推出的Processor SDK中將提供802.1CB支援。
TSN使用三個標識標籤：串流ID，串流目標位址和流量類別。
串流目標位址和流量類別確認所採用的資料路徑。
802.1Qcc支援集中式用戶組態(Centralized User Configuration, CUC)的集中式配置模型，如圖3所示。集中式網路配置(Centralized Network Configuration, CNC)計算資源配置和可用性，並配置橋接器。
圖3 TSN配置
資料來源：https://www.belden.com/blog/industrial-ethernet/what-does-tsn-configuration-look-like-today-and-in-the-future
可以使用其他替代架構：說話者與聽者可直接與CNC對話，甚至採用完全分散式的架構。可能會在諸如傳輸層安全性(Transport Layer Security, TLS)的標準安全網路堆疊上使用如RESTCONF或NETCONF這樣的集中式架構和基於YANG的網路管理協定(YANG是由IETF開發並在RFC 7950中定義的用於網路配置的資料建模語言)。
TSN對工業乙太網路的影響
TSN在標準IEEE乙太網路中增設了即時功能，這些功能以前只能在專用的工業現場匯流排上使用(也稱為工業乙太網路，如圖4)。TSN不會取代乙太網路上使用協定的需求或替代乙太網路上使用的協定，而軟體介面就是一個很好的例子。傳輸控制協定/乙太網路協定(TCP/IP)，Berkeley軟體(Berkeley Software Distribution, BSD)插槽已成為TCP/IP和通用網路的標準介面，並已證實各種應用集的可攜帶性和可擴展性。
圖4 工業乙太網路協定和乙太網路
超本文傳輸協定(Hypertext Transfer Protocol, HTTP)應用程式在正常工作中從本地檔案或乙太網路上讀取時均不可更改。但是，這些插槽不一定是協定中優先解決最嚴重的延遲性和將時間概念持續與應用程式相連接的相關介面。例如，工業乙太網路協定PROFINET是在TSN啟用乙太網路上運行協定的一個資料連結層。
IEEE TSN定義了Layer-2分層功能和LAN級開關，包括時間概念。它未定義用於配置這些硬體功能的軟體介面。這是指需要使用應用程式介面(Application Programming Interface, API)從供應商A切換到供應商B，另一個API的管理交換軟體。
IEEE規格範圍外的第二個(也許更獨特)方面集中表現在資料路徑軟體延遲、延遲變化或抖動概念上。如前所述，早期插槽很棒，但沒有嘗試解決即時性或延遲性問題。TSN網路資料路徑週邊API和軟體架構將不斷演進。基於PRU-ICSS可程式設計TSN解決方案逐步解決了軟體堆疊延遲部分、配置和管理問題。
TSN解決方案可以適應特定緩衝機制對即時性要求的軟體架構，同時支援主線Linux網路。Linux利用更多即時功能後，可程式設計解決方案可以適應新軟體架構。TI與Linaro小組合作，為TSN硬體啟用更確定性和開源配置API。
工業乙太網路協定(如PROFINET)和EtherNet/IP已將IEEE乙太網路學習橋作為基礎開關技術。這些協定現在可適應TAS擴展和訊框優先，使工業乙太網路使用標準TSN硬體。儘管EtherNet/IP使用使用者資料包通訊協定(User Datagram Protocol, UDP)資料包進行資料交換，但是PROFINET為使用者資料和提供者資料支援直接2層緩衝區模型。PROFINET和EtherNet/IP可與TSN交換層相容，並可從即時增強中受益。
IEEE冗餘協定的標準化還未完成，802.1CB是否將取代PROFINET和EtherNet/IP的冗餘協定(例如媒體冗餘協定(Media Redundancy Protocol, MRP)和設備級環網(Device Level Ring, DLR))還有待觀察。從現有工業通訊協定到新標準的過渡期通常需要經過很多年。在過渡階段，生產系統會同時採用新舊協定。
在現今協定和新協定之間架起橋樑的閘道功能將加快工業通訊TSN硬體的導入。可能的閘道應用程式包括：
現已有廠商推出TSN處理器方案，如TI的Sitara AM57x處理器可實現此列表上的任一閘道功能。兩組工業通訊子系統(PRU-ICSS)，一個額外的十億位元開關與Wi-Fi模組介面的能力意味著AM57x處理器可支援從一台裝置最多引入七個通訊通道。每個PRU-ICSS都可實現控制器或設備端的工業乙太網路協定。
圖5顯示了生產系統中可在不同層級部署的閘道選項。AM65x工業開發套件支援6個即時十億位元乙太網路埠、一個外設十億位元乙太網路埠、快捷周邊互聯標準(Peripheral Component Interface Express, PCIe)第3代介面，用4個虛擬通道支援服務品質。
圖5 工業4.0閘道
滿足多元應用需求 TSN功能持續開發中
TSN的更多功能正在開發中，透過這些功能可在更大的工業網路中傳輸資料包，同時保證時遲性。領先的工業乙太網路組織正在採用TSN技術，並整合到現有工程系統和應用程式設定檔中。
廠外高層控制系統和其他應用程式可與獨立於應用程式的中央網路配置工具一起使用。TSN傳輸速率不限於100Mb，另外還支援更高頻寬的千兆乙太網路。將Sitara AM57x和AM65x產品與整合式TSN硬體開關結合使用，可以使工業乙太網路從100Mb轉換至1Gb。
(本文作者為德州儀器首席技術專家、德州儀器傑出技術人員)