時間敏感網絡技術及其應用探析

周春云 楊銳

【摘? 要】 時間敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）指的是處在OSI參考模型數據鏈路層之中的協議標準，表現為將傳統以太網作為基礎，向時間敏感型數據提供確定性的傳輸協議，能夠確保數據傳輸的有效性與實時性。所以，TSN技術在工業、汽車控制、航空控制、武器控制系統等相關行業擁有十分廣泛的應用前景。

【關鍵詞】 時間敏感技術；以太網；數據傳輸

一、TSN概述

TSN技術是在 IEEE 802.1 框架范圍內創建的標準技術基礎，以保證服務質量（QoS）和以太網日益增長的需求，它擴展了AVB（音視頻橋接）技術，成為基于以太網的新一代網絡標準，具有時間同步、延時保證等實時性功能。TSN主要應用于汽車控制、工業控制、航空控制、武器控制系統等領域，為這些領域提供確定性、魯棒性、可靠性的網絡連接。TSN技術包括多個獨立的標準，這些標準屬于OSI通信的第2層，意味著使用TSN技術，用戶接口將保持不變。TSN技術可以為用戶提供預留帶寬、服務質量（QoS）機制、低傳輸延遲和多協議（包括實時協議）的并行傳輸等功能。TSN技術的主要目標是實現IT與OT流量的統一承載，并保證數據包的延遲、抖動、丟包等問題在限定范圍內。在工業自動化領域，TSN技術的應用前景尤為廣闊，可以實現工廠設備和系統之間的高效、實時通信，以提高控制系統的響應速度和精度，實現工業物聯網連接，確保機器人之間的精確同步和協作并提供安全可靠的網絡環境。

二、TSN 關鍵技術分析

時間敏感網絡（TSN）是一種針對實時性、可靠性要求較高的網絡技術。在工業自動化、航空控制、視頻監控等領域具有廣泛應用。TSN 的關鍵技術主要包括時鐘同步、流量調度和網絡配置。

（一）時鐘同步技術

時鐘同步是TSN中的核心技術，其保證了網絡中各個設備的時間一致性。高精度時鐘同步協議（如 IEEE 802.1AS）提供了時間敏感網絡中的精準定時和同步機制。時鐘同步技術主要包括以下三種，一是GPS/北斗同步。通過全球定位系統（GPS）或北斗導航系統獲取標準時間信息，實現高精度時鐘同步。這種同步方式具有較高的精確度和穩定性，但受限于信號遮擋和衛星系統故障。二是NTP/SNTP協議。通過網絡時間協議（NTP）或簡單網絡時間協議（SNTP）在網絡中傳遞時間信息，實現時鐘同步。NTP協議可以實現亞毫秒級別的時鐘同步，適用于局域網和廣域網。SNTP協議適用于更簡單的網絡環境和較低的同步精度要求。三是衛星授時同步。在衛星網絡中，采用衛星授時同步的方式實現星間、星內的時鐘同步。這種同步方式具有較高的精確度和可靠性，但部署成本較高。

（二）流量調度技術

流量調度是TSN中確保數據傳輸實時性和可靠性的關鍵手段。TSN采用確定性調度機制對事件進行響應，從而實現低延遲、超高可靠性的數據傳輸。流量調度技術主要包括三項，1. 優先級調度。根據數據包的優先級進行調度，確保高優先級數包優先傳輸。優先級可以通過業務類型、數據包標簽等方法進行設定。2. 時分復用。將不同數據流的傳輸時間進行劃分，使各數據流在規定的時間片內傳輸。時分復用（TDM）技術在TSN網絡中保證了時間敏感業務的優先級和可靠性。3. 級聯調度。通過級聯調度算法，實現多個時間敏感應用程序之間的公平調度。級聯調度可以在保證實時性的同時，實現網絡資源的有效利用。

（三）網絡配置技術

網絡配置技術影響了TSN的性能和穩定性，合理配置網絡參數可以提高網絡資源利用率，降低網絡延遲，確保時間敏感業務的正常運行。網絡配置技術主要包括三項，一是路由算法。根據網絡狀況和業務需求，選擇合適的路由算法，實現數據包的快速傳輸。例如，短路徑優先（SPF）算法、距離向量路由（DV）算法等。二是擁塞控制。通過擁塞控制策略，避免網絡擁塞，確保數據包的可靠傳輸。常見的擁塞控制方法有速率限制、擁塞窗口調整、自適應擁塞控制等。三是網絡優化。針對特定應用場景，對網絡參數進行優化，提高網絡性能。例如，負載均衡、緩存策略、鏈路捆綁等。

三、時間敏感網絡技術的應用分析

（一）在航空控制方面的應用

時間敏感網絡（TSN）技術是近年來備受關注的一種網絡技術，其通過提供精確的定時和同步功能，顯著提高了網絡通信的確定性和可靠性。在航空領域，這種技術的應用前景尤為廣闊，主要包含以下幾方面。一是航空通信網絡。在航空通信網絡中，TSN技術為構建高效、穩定的通信架構提供了可能。無論是機載通信系統還是地面控制系統之間的數據傳輸，都需要高度的實時性和可靠性。TSN不僅能實現更低的數據傳輸延遲，還能確保數據在傳輸過程中的完整性，這對飛行中的實時決策和地面指揮中心的策略調整都具有決定性的意義。二是飛行器控制系統。該系統是一個數據處理和傳輸的密集區域。飛行數據、傳感器信息、導航數據等都需要在極短的時間內得到處理并傳輸到相應的控制單元，通過對TSN技術的運用能夠確保這些數據流在各個組件之間實現同步傳輸，讓數據能夠在正確的時間點到達，從而提高飛行控制的精度和飛機的整體響應速度。三是機載傳感器融合。現代飛機都裝備了多種傳感器，如雷達、激光雷達和攝像頭等，用于實時感知飛行環境和導航。這些傳感器產生的數據量巨大，而且需要高度同步才能實現有效的數據融合。在TSN技術的作用下，可以確保這些數據流實現精確的同步，從而為飛行提供更為準確的環境感知信息，進一步增強飛機的自動駕駛和飛行輔助系統的性能；無人機編隊飛行。TSN技術能夠為無人機編隊飛行提供了有力的技術支持，保證各個無人機在飛行過程中實現高度的協同和同步。四是衛星通信。衛星與地面站以及衛星與衛星之間的通信需要高度的可靠性和實時性，TSN技術可以確保衛星通信系統實現高效、穩定的數據傳輸，從而提高航空導航、氣象預報和遠程通信等應用的服務質量。五是空中交通管制。TSN技術可以確保空中交通管制系統實現信息的實時、準確傳輸，從而提高空中交通管制的效率和準確性，為航空安全提供更為可靠的保障。

（二）在工業自動化中的應用

時間敏感網絡（TSN）技術在工業自動化中的應用已經越來越廣泛，主要涉及以下幾個方面。

首先，實時通信與控制。在現代工廠中，設備和系統之間需要高效、實時地交換信息，以確保生產過程的順利進行。TSN技術通過提供精確的定時和同步功能，能夠確保控制指令的實時傳輸和執行。意味著無論是設備狀態更新、故障預警還是生產調整，都可以在短時間內得到響應和處理。通過TSN，工業自動化系統能夠在復雜、多變的生產環境中實現精確的同步和協作，從而提高生產效率，優化生產流程，并確保產品質量。

其次，工業物聯網連接。隨著工業4.0的推進，越來越多的智能設備和傳感器被部署在工廠中，它們產生的數據對企業的決策和優化至關重要。TSN技術與工業物聯網的結合，可以實現這些設備之間的高精度時間同步和數據傳輸。意味著無論是設備狀態、生產數據還是環境參數，都可以被實時、準確地采集和傳輸。利用這些數據，企業不僅可以實時監控生產過程，還可以進行歷史數據分析，發現生產中的瓶頸和問題，從而進行針對性地優化和改進。

再次，機器人與生產線協同。在自動化程度越來越高的工廠中，機器人扮演著越來越重要的角色，TSN技術可以確保機器人之間實現精確的同步和協作，諸如協同完成任務、避免碰撞、優化工作流程等，這意味著生產線上的各個環節可以被更加緊密的連接在一起，實現高效、靈活的生產模式。此外，通過TSN技術，還可以實現機器人與人類的安全交互，進一步提高生產的安全性和效率。

最后，安全可靠的環境。對任何企業而言，保障生產過程的安全性和可靠性都是至關重要的。TSN技術通過提供加密、認證和確定性通信機制，可以確保數據傳輸的安全性和工廠的可靠性。意味著無論是內部通信還是與外部系統的連接，都可以得到充分的保護，防止未經授權的訪問和攻擊。此外，TSN技術還可以提供故障預警和恢復機制，確保在發生故障時能夠迅速響應并恢復正常生產。

由此可見，時間敏感網絡（TSN）技術在工業自動化中的應用具有多方面的優勢和價值。無論是提高生產效率、優化生產流程還是保障生產安全，TSN技術都可以發揮重要作用。隨著技術的不斷進步和應用場景的拓展，相信TSN技術將在工業自動化領域發揮越來越重要的作用。

四、TSN的典型應用場景分析

本文將典型的武器操控系統為例，根據其內部組網特定需求，立足于分系統與總系統層面，探究怎樣運用TSN提高控制系統所具備的智能化以及自動化水平。圖1表現為TSN技術在武器控制系統分系統方面的潛在方案。對火控系統而言，其包含若干個功能模塊，不同模塊在以太網交換機的作用下，實現數據傳輸交互。在協同分布式組件數據采集、傳輸、處理以及控制的過程中，傳統方式為運用硬件專線連接功能模塊和時鐘源，對時鐘脈沖進行周期性發送的方式達到同步。

但硬實時系統帶外硬線連接涉及諸多不足之處，一方面接線復雜，若再增加冗余容錯會導致時鐘同步設計的復雜程度上升，不利于維護和管理。另一方面，單個組件如果丟失同步，無法第一時間發現。而運用TSN的gPTP技術，能夠帶內方式實現軟同步，讓時鐘同步和數據信息等，能夠基于交換網絡達到統一承載的效果，進而簡化系統組件互連結構，并提高診斷同步性。在gPTP的作用下，可以達到亞微秒級時間同步，除此之外，IEEE 802.1AS-2020還能夠支持許多不同類型的冗余容錯機制，對火控系統可靠性、同步性以及實時性需求進行滿足。

將TSN技術作為基礎的業務融合方案，除了能夠有效支持網絡子系統集成之外，還有利于集成子系統功能業務計算。此TSN組網方案主要將集中計算單位作為重點，例如供電與推進系統的信息處理中心，建立并行傳輸骨干網絡，達到冗余容錯的效果，供電與推進子系統終端結合部署需求，秉承就近接入原則，將TSN交換設備接入，關鍵數據信息通過兩條并行路徑，往信息處理中心進行傳送，以此達到冗余容錯的效果，非關鍵和關鍵信息主要采取共網傳輸的方式，此方式不會對關鍵信息傳輸服務質量造成影響。在該方案的作用下，讓多子系統網絡構建與管理涉及的復雜性增大，讓各類終端組件能夠靈活地接入網絡系統，方便集成計算功能，進而通過軟件定義的方法實現對全網的監控管理以及維護升級。