时间敏感网络(TSN)相关综述

姓名：刘家沐

学号：19011210553

资料来源于网上，自己编辑整理

嵌牛导读：时间敏感网络的目标就是实现同一个网络中实时性关键数据流与普通数据流有良好兼容性的共同传输。要实现这两种业务的融合就是要求时间敏感网络中设备对时间表有着精准的把控，实现实时性关键业务所要求的低时延低抖动。此外，如果能将各类设备错综复杂的业务流在同一网络上进行传输，这便意味着专用网络连线的减少，简化系统设备的部署流程，同时又能减少系统设备的体积与花销。

嵌牛鼻子：时间敏感网络      TSN   确定性传输

嵌牛提问：近些年来被提出的时间敏感网络相关问题

嵌牛正文：

一． 问题提出

传统的以太网通常采用的转发模式是“Best Effort”（尽力而为），但是这种转发方式往往缺乏确定性。当数据包到达发送端口后并准备发送时，发送端按照先入先出的原则进行转发，但是当某个发送端口同时有多个数据要进行发送的时候，这些数据就要进行排队，排队等待时长由队列长度，数据发送速度等多个因素决定。如果网络中流量过大，便会出现拥塞或者丢包等情况，排队等待时间也会变得无法预测，确定性也就无法保证，这就会引起流量调度，时间同步，流量监控，容错机制标准化等问题。

在带宽足够的情况下，这种尽力而为的以太网可以适应于目前大多数的情况，但在某些应用领域这种不确定性是不可容忍的，例如远程医疗或者网络辅助的自动驾驶。在这些安全或者生命攸关(Security or Life Critical)的网络应用中，某次信息的传输不确定性可能会带来无法挽回的后果。

这时，建立可靠的传送机制就成了摆在技术人员面前的首要问题。

为了保证某些较为重要的受控物理系统的确定性行为，需要实时网络具有确定且较低的网络延迟和延迟变化（抖动）。传统上，现场总线已经用于此目的，但由于总线的设计，花销，体积，重量等多种因素，时间敏感网络开始被提出。

时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）基于标准以太网。在标准以太网上的通信流量（如音视频流）可以与具有高优先级确定性信息流(如运动控制)等共享物理网络。不同的服务对时延的要求不一样，尤其是在那些需要确定传输的下行服务领域，对时延和抖动要求尤为敏感。

时间敏感网络的目标就是实现同一个网络中实时性关键数据流与普通数据流有良好兼容性的共同传输。要实现这两种业务的融合就是要求时间敏感网络中设备对时间表有着精准的把控，实现实时性关键业务所要求的低时延低抖动。此外，如果能将各类设备错综复杂的业务流在同一网络上进行传输，这便意味着专用网络连线的减少，简化系统设备的部署流程，同时又能减少系统设备的体积与花销。

TSN并非涵盖整个网络，而仅仅是对MAC层的定义，对数据帧进行处理的过程。
二．内容历史

AVB——以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的8021任务组于2005开始制定的一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的传输协议集。它有效地解决了数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。同时又保持了100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。其中包括：

1 8021AS：精准时间同步协议（Precision Time Protocol，简称PTP）

2 8021Qat：流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP）

3 8021Qav：排队及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称Qav）

4 8021BA：音视频桥接系统（Audio Video Bridging Systems）

5 1722：音视频桥接传输协议（Audio/Video Bridging Transport Protocol，简称AVBTP）

6 1733：实时传输协议(Real-Time Transport Protocol，简称RTP)

7 17221：负责设备搜寻、列举、连接管理、以及基于1722的设备之间的相互控制。

AVB不仅可以传输音频也可以传输视频。用于音频传输时，在1G的网络中，AVB会自动通过带宽预留协议将其中750M的带宽用来传输双向420通道高质量、无压缩的专业音频。而剩下的250M带宽仍然可以传输一些非实时网络数据。用于视频传输时，可以根据具体应用调节预留带宽。比如：750M带宽可以轻松传输高清full HD视觉无损的视频信号。并且可以在AVB网络中任意路由。

IEEE 8021任务组在2012年11月的时候正式将AVB更名为TSN – Time Sensitive Network时间敏感网络。也就是说，AVB只是TSN中的一个应用。

第一个应用就是我们的专业音视频(Pro AV)。在这个应用领域里强调的是主时钟频率。也就是说，所有的音视频网络节点都必须遵循时间同步机制。

第二个应用是在汽车控制领域。目前大多数的汽车控制系统非常复杂。比如说：刹车、引擎、悬挂等采用CAN总线。而灯光、车门、遥控等采用LIN系统。娱乐系统更是五花八门，有FlexRay和MOST等目前的车载网络。实际上，所有上述系统都可以用支持低延时且具有实时传输机制的TSN进行统一管理。可以降低给汽车和专业的A/V设备增加网络功能的成本及复杂性。

第三个应用是商用电子领域。比如说，你坐在家中，可以通过无线WIFI连接到任何家中的电子设备上，实时浏览任何音视频资料。

最后一个应用也是未来最广泛的应用。所有需要实时监控或是实时反馈的工业领域都需要TSN网络。比如：机器人工业、深海石油钻井以及银行业等等。TSN还可以用于支持大数据的服务器之间的数据传输。全球的工业已经入了物联网(Internet of Things，IoT)的时代，毫无疑问TSN是改善物联网的互联效率的最佳途径。
三 研究现状与热点

TSN正在关键的小型封闭式汽车和工业网络中得到广泛采用，以建立可靠的ULL端到端连接。然而，关键的TSN限制恰恰是关注于封闭网络，例如车载网络和小规模机器人网络。在机器人和车载网络中运行的网络应用程序通常涉及与外部非TSN网络的显着交互。机器人和车载网络应用程序需要通过外部网络与移动性处理程序紧密集成。如果外部网络中没有适当支持高级网络功能（如移动性），那么TSN的好处基本上仅限于小型封闭网络。因此，TSN和不同外部网络之间的平滑互 *** 作性对于异构网络场景中的TSN *** 作是必不可少的。理想情况下，TSN和非TSN网络之间的连接应该能够适应与TSN类似的特性，以确保异构部署中的整体端到端连接要求。

V2X通信：Lee和Park提出了iTSN，这是一种将大型TSN网络互连用于大规模应用的新方法。 iTSN方法利用诸如IEEE 80211p的无线协议用于不同TSN网络之间的互联网。特别地，跨互连网络共享全球定时和同步信息对于建立公共定时平台以支持外部网络中的TSN特性是重要的。 因此，iTSN方法使得例如车载网络能够将安全关键信息发送到控制节点，例如路侧单元（RSU），在异构部署中具有微秒级的延迟。通过采用这种可靠的互连技术，可以在比当前可行的毫秒范围短得多的（微秒）时间跨度内实现车辆制动安全距离。总的来说，TSN和互连技术（如iTSN）可以为安全的自动驾驶系统创建一个通信平台。

网络建模：尽管TSN标准在汽车驾驶网络中得到了很大的重视，但网络部署的一个主要挑战是如何管理网络的复杂性。汽车行业随着技术的进步，对现有的车载网络基础设施提出了更多的要求。随着车载网络中传感器数量的增加，日益增加的连接 在网络规划中，应相应地满足传感器相互之间的连接和带宽要求。然而，车载控制系统网络需求的动态变化可能需要更广泛的网络基础设施，从而导致更高的支出。

硬件和软件设计：支持TSN功能的硬件和软件组件设计，例如TSN节点中的调度，抢占和时间触发事件生成，需要大量的工程和开发工作。硬件实现在计算资源利用率和执行延迟方面非常高效，但导致难以适应新应用程序要求的严格架构。 另一方面，软件实现可以灵活地适应新的应用程序要求，但由于网络功能的软件化，例如时间触发的调度和硬件虚拟化，可能使CPU过载。

总结和吸取的经验教训：迄今为止，大多数关于TSN的研究都集中在独立且与外部网络隔离的车载网络上。 TSN研究领域的另一个限制是缺乏包含大规模异构网络架构的仿真框架。应在基准评估中创建并考虑包括本地和外部网络交互（例如汽车驾驶）的有效用例。目前，大多数TSN研究中的一般用例是支持车载传感器连接和用于信息娱乐的音频/视频传输的车载网络。未来的定制TSN仿真框架应基于支持具有本地化和外部网络交互的下一代应用的网络，例如汽车驾驶。类似地，基于SDN的TSN管理可以利用分层控制器设计来将管理从诸如车辆网络之类的本地化网络扩展到诸如车辆到任何（vehicle-to-any （V2X））网络之类的外部网络。
 

四． 下一步研究趋势

TSN网络基础设施和协议必须支持有限的端到端延迟和可靠性，以支持与物联网，医药，汽车驾驶和智能家居中的关键应用相关的基本功能。用于满足这些应用要求的基于TSN的解决方案导致支持各种协议的复杂网络基础设施。因此，简化的TSN网络管理机制对于降低复杂性同时满足ULL应用的关键需求至关重要。

因此，多个TSN网络之间的可靠，安全和低延迟通信对于支持广泛的未来应用至关重要。 缺乏与外部TSN和非TSN网络连接和通信的TSN标准阻碍了互 *** 作网络中的研究活动，需要紧急解决。总之，我们确定了TSN研究的以下主要未来设计要求：

①　支持从时间敏感到具有流量调度功能的延迟容忍应用程序的各种应用程序。

②　多个封闭TSN架构之间的连接。

③　灵活和动态的优先级分配，以确保较低优先级流量的有限端到端延迟。

④　采用SDN以全球网络视角集中管理TSN功能。

⑤　通过自我估计和本地时钟偏差校正来实现高效的定时信息共享和精确的时钟设计。

⑥　计算有效的硬件和软件设计。
1 TSN中低优先级数据的传输

TSN节点抢占正在进行的低优先级帧传输，用于发送进入的高优先级帧以保证高优先级帧的绝对最小TSN节点传输延迟。根据高优先级流量的强度，可以多次抢占低优先级帧。结果，由于抢占事件直接取决于高优先级业务强度，因此不能保证低优先级业务的端到端延迟特性。如果高优先级业务强度明显高于低优先级业务强度，则可以大大增加低优先级业务的端到端延迟。通常，低优先级流量承载延迟敏感数据，这不如高优先级流量数据重要，但仍应在最坏情况下的deadline内传送。在当前的技术水平中，没有研究机制或标准来确保抢占下的低优先级业务的最坏情况端到端延迟。

因此，未来的研究需要开发新的机制，以确保TSN网络中低优先级流量的有界最坏情况延迟

2 无线TSN的发展

为了将工业设备（工业传感器/执行器）以无线方式连接到TSN网络，5G是非常合适的解决方案。与4G相比，5G的新功能，尤其是无线接入网络（RAN），提供了更好的可靠性和传输延迟。而且，新的5G系统架构允许被灵活地部署。因此，5G可以实现不受电缆安装限制的TSN网络。

中国联通物联网业务可以为全球的企业客户提供物联网平台进行统一的服务：物联网平台可以为企业客户提供实时的SIM卡通信状况和用量，提供自动化规则帮助企业客户自动完成移动服务管理；物联网平台还为企业用户提供故障诊断和账单功能。

物联网是经济社会各行业各领域信息采集、智能控制的核心，是“互联网+”实施的关键基础设施和重要产业支撑，是产业互联网推动传统产业升级、生产效率提升、运行模式创新的必不可少的手段。
中国联通物联网以平台为核心，构筑平台+网络+终端一体化的体系，打造覆盖全球主要区域的端到端整体服务能力；聚焦重点领域，聚合产业资源，推动物联网业务价值规模化快速提升。联通物联网为客户提供连接、应用、平台、终端等全方位的产品与服务。

物联网产业链全景梳理：共有四大层面

所谓产业链，是以生产相同或相近产品的企业集合所在产业为单位形成的价值链，是承担着不同的价值创造职能的相互联系的产业围绕核心产业，通过对信息流、物流、资金流的控制，在采购原材料、制成中间产品以及最终产品、通过销售网络把产品送到消费者手中的过程中形成的由供应商、制造商、分销商、零售商、最终用户构成的一个功能链结构模式。

从产业链条来看，物联网的产业链条由上而下可以分为感知层、传输层、平台层和应用层四个层级。

自2018年中美贸易摩擦以来，美国加大了对中国高新技术出口的限制，不断扩大实体清单，影响了中国一些科技主导型企业的发展，这从侧面警示了中国在全球供应链中地位的脆弱性。物联网通过传感器把物理世界与数字世界联系起来，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。其中传感器作为数据采集的源头，已经成为各种应用能力所需的数据来源所在。目前中国国内也涌现出了一些传感器芯片重点生产企业，如：高德红外、西人马、士兰微、敏芯微电子、博通、全志科技、大唐微电子、复旦微电子等。

物联网产业链区域热力地图：企业主要分布在京津冀、珠三角与东部沿海等地区

从区域分布来看，目前我国物联网行业上市公司主要分布在京津冀、珠三角与东部沿海等经济发达地区。分布在北京和广东的企业数量最多，其中感知层上市企业主要集中在北京，应用层代表上市企业主要集中在广东。

物联网相关企业数量的分布与数字经济的发展情况相关。根据新华三发布的《2021年中国城市数字经济指数蓝皮书》，全国城市数字经济评分排名前十的城市分别为上海、深圳、北京、成都、杭州、广州、无锡、南京、重庆和苏州。根据中国企业数据库企查猫，目前中国物联网企业主要分布在华东和华南及中部的四川等地，特别以广东、江苏等省市为代表。整体来看，数字经济的发展在不断推动物联网的发展。

物联网产业上市公司业绩情况：产业整体毛利率较高

从物联网代表企业的业绩情况来看，物联网产业代表企业的毛利率均值达到36%，行业整体毛利率较高。从单独企业情况来看，行业主要上市公司的业务规模差距明显，毛利率水平也因业务侧重点的不同而呈现出分层差异。上市企业具体的业绩情况如下表所示：

更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国物联网行业细分市场需求与投资机会分析报告》

一、感知层——感知信息

作为物联网的核心，承担感知信息作用的传感器，一直是工业领域和信息技术领域发展的重点，传感器不仅感知信号、标识物体，还具有处理控制功能。

目前，在发达国家，其发展已芯片化、集成化和智能化。如最早提出泛在网的加州大学（伯克利分校），已将压力、磁、光等传感单元集成在一个芯片中，而且芯片具备无线接入和自组网功能。

然而，传感器国产化程度较低，其成本、性能和寿命尚不能满足交通运输物联网信息感知的需求。据了解，交通运输部正在和其他部门合作，研制满足交通需求、具有自主知识产权的传感器，并对市场产生了影响。如专业生产感知气象信息设备的维萨拉公司，得知交通运输部正在组织相关研究后，主动要求加入，其产品在国内也应声降价。

二、网络层——传输信息

传感器感知到基础设施和物品信息后，需要通过网络传输到后台进行处理。

目前，传输信息应用的网络先进技术包括第6版互联网协议（IPv6）、新型无线通信网（3G、4G、ZIGBEE等）、自组网技术等，正在向更快的传输速度、更宽的传输带宽、更高的频谱利用率、更智能化的接入和网络管理发展。

据专家介绍，我国在道路建设中，沿路铺设了大量光纤，但利用程度不高。物联网采集到的海量数据，可以使这些道路光纤物尽其用。

三、应用层——处理信息

物联网概念下的信息处理技术有分布式协同处理、云计算、群集智能等。

信息处理的目的是应用，交通物联网的信息处理是为了分析大量数据，挖掘对百姓出行和交通管理有用的信息。此外，还需要建立信息处理和发送机制体制，保证信息发送到需要的人手中。比如，把宏观的路网信息发送给管理决策人员，把局部道路通行情况发送给公众，把某条具体路段的事故信息发送给正行驶在上面的车辆。

时钟同步是物联网系统中非常重要的一环。物联网技术中的计时同步需要精度较高，要求设备获得时间的误差尽可能小，这样才能保证各个节点之间信息的同步。
时钟同步造成物联网卡掉线的原因可能有很多，例如：
1 时间戳不准确：如果设备的时间戳与服务器上的时间戳不同步，就会影响数据的精确性，可能导致数据无法上传到服务器，从而造成物联网卡掉线。
2 时钟漂移：物联网设备的时钟在运行过程中可能会受到多种因素的影响，比如温度变化、电压变化等，从而导致时钟出现漂移，造成时间误差增大。
3 时钟同步方式不当：如果时钟同步方式不当，比如采用轮询方式来同步，就可能会造成系统资源浪费和数据传输延迟，从而影响物联网卡的正常使用。
为了避免时钟同步造成物联网卡掉线，建议采用精度较高的时钟同步方式，并加强设备的监测管理，及时检查和修正时钟误差，确保物联网设备的正常运行。同时，可以在系统设计中采用双机热备、数据采集多拨等方式，提高系统的稳定性和可靠性。

物联网与嵌入式是密不可分的，虽然物联网拥有传感器、无线网络、射频识别，但物联网系统的控制 *** 作、数据处理 *** 作，都是通过嵌入式的技术去实现的，物联网就是嵌入式产品的网络化。

物联网与嵌入式之间的关系

1、物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是互联网与嵌入式系统发展到高级阶段的融合。

2、作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，嵌入式系统视角有助于深刻地、全面地理解物联网的本质。

3、无论是通用计算机还是嵌入式系统，都可以溯源到半导体集成电路。微处理器的诞生，为人类工具提供了一个归一化的智力内核。

4、在微处理器基础上的通用微处理器与嵌入式处理器，形成了现代计算机知识革命的两大分支，即通用计算机与嵌入式系统的独立发展时代。

5、通用计算机经历了从智慧平台到互联网的独立发展道路;嵌入式系统则经历了智慧物联到局域智慧物联的独立发展道路。

6、物联网是通用计算机的互联网与嵌入式系统单机或局域物联在高级阶段融合后的产物。

7、物联网中，微处理器的无限弥散，以“智慧细胞”形式，赋予物联网“智慧地球”的智力特征。

嵌入式简介

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含 *** 作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。

从应用对象上加以定义，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

嵌入式的特点

1、专用软硬件可裁剪可配置(嵌入式系统是面向应用的，和通用系统的区别在于系统功能专一)

2、低功耗高可靠性高稳定性

3、软件代码短小和PC资源相比资源(硬件资源内存等)比较少

4、代码可固化在存储器芯片或单片机中而不是存在磁盘中

5、实时性

6、交互性(一般不需要键盘鼠标人机交互以简单为主)

7、它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。

深圳市天工测控技术有限公司(SkylabM&CTechnologyCo,Ltd)，专业从事GNSS、WiFi、蓝牙等无线产品的研究，提供并基于模块内核进行二次开发应用，给客户提供低成本的无线产品解决方案。生产执行ISO-9001质量管理体系和IATF-16949汽车行业质量标准体系，旨在向国内外客户提供高品质、高性能的无线模块和应用方案。

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