它如何运行 所图甚大的 TSN 它在哪里 (它如何运行所有的程序)

TSN：下一代工业网络技术 绪论 上一篇文章简要介绍了 TSN（时间敏感网络），其潜在应用十分广泛，值得进一步研究和分享。由于国内相关资料尚少，本文主要基于英文技术文献进行介绍。尽管内容较为技术性，但本文将尽力用通俗易懂的语言进行阐述，欢迎各位专家指正错误。 TSN 在网络协议中的定位 在 ISO/OSI 互联网参考模型中，网络被分为七层。考虑到工业网络的特殊需求，工业总线通常仅包含三层：物理层、数据链路层和应用层。如图 1 所示，TSN 位于网络的第二层。  TSN 帧与以太网帧的区别 TSN 网络是一个基于流的概念构建的网络，它包含了优先级代码 (PCP) 和 VLANID 来构成流。与标准的以太网帧相比，基于 TSN 的网络会增加 4 个字节用于定义其特征：  1. 标签协议识别：网络类型识别，代表这是一个 TSN 网络，标记为 0X8100。 2. 优先级代码：三个优先级位。 3. 标志位：1 位，0 标志规范格式，1 非规范格式。 4. VLAN 标识符：VLAN 网络的规模，12 位代表可支持的子网数量，2 的 12 次方留一位即 2046 个子网，说明 TSN 是为大型数据传输而设计的。 TSN 作为软件定义网络 TSN 可以理解为一个软件定义网络 (Software Defined Network)，它在物理层之上增加了软件定义的交换机制，并采用了桥接方式。传统的实时以太网通常不采用交换机，而是采用 Hub 透传方式进行，因为交换机有较大的延迟。一方面，TSN 的新机制确保了延迟的降低，另一方面，交换机的成本也越来越低。 TSN 数据帧与普通以太网帧的区别就在于增加了上述的 4 个字节的数据插入和解除。TSN 网络内部根据分类传输数据通道。当然，TSN 交换机的时钟同步机制和延迟测量更为严格，也区别于普通的交换机。对于 TSN，不仅桥接节点可以打标签，而且终端节点（EndPoint）也可以对数据帧打上 TSN 标签。 在 TSN 交换机中，当数据由上位进入该网络时，增加 TSN 标签，而离开时则去掉 VLAN 标签。这样通过数据标签就可以使得 TSN 交换机实现在不同网络间的切换。 优先级的定义 图 2 中，PCP 是优先级代码，在优先级中定义了 3 位标记，共 8 个不同的优先级。这将对网络场景进行不同的匹配，也是后续 Shaper 设计中考虑数据流调度因素。  TSN 交换机网络 通过 TSN 交换机网络，可以构成实时控制域，也可以与非实时域的数据进行交互，这使得网络变得更为灵活。在交换机内构建不同的 Shaper，可以实现不同应用场景的数据传输方案，包括： AVB（面向汽车领域） IEC 目前针对 TSNIA 的 60802 规约 在航空航天领域的 AS6802 规约 整形器（Shaper）是构成 TSN 的核心机制，将在第三部分专门讲述。 以太网交换机的机制 TSN 交换机通常分为两个部分：控制层面（Control Plane）和数据层面（Data Plane）。控制平面主要采用软件实现自动配置特性和服务，而数据平面则解决 MAC 和转发任务，采用硬件来实现。 LLC（逻辑链路控制协议）处理底层与上层之间的通信，获取网络协议数据并增加控制信息以便有助于数据被传输至目标。MAC 构成数据链路层的低层子层，由硬件实现，典型的是计算机 NIC（网络接口卡），其有两个主要职责：数据封装和媒体访问控制。 对于支持桥接连接的 TSN 交换机而言，其处理数据的入口处理包括以下任务： 1. 转发：根据 MAC 地址表转发数据帧到正确的输出端口。 2. 学习：根据源 MAC 地址更新 MAC 地址表。 3. 老化：删除MAC 地址表中长时间未使用的条目。 对于普通的以太网也是如此实现。在这一点上，TSN 与普通交换机没有什么不同。而对于 TSN 而言，在控制面板方面则实现了后续会讲到的其他控制（整形器）的调度设计。  以太网的延时测量与时钟同步机制 对于 TSN 而言，其关键指标之一是低延迟和时钟同步精度。通过测量链路延迟和调整相邻交换机的时钟，TSN 确保了数据帧在整个网络中的精确传输。 总结 TSN 是一种革命性的工业网络技术，具有许多优势，包括：低延迟、高可靠性、灵活性和可扩展性。随着工业 4.0 的不断发展，TSN 将在未来工业自动化中发挥越来越重要的作用。 后续文章将深入探讨 TSN 的核心机制，例如整形器，以及 TSN 在工业自动化中的具体应用。