AVB標準由同一工作組在IEEE開發(fā)，通過部署流量保留和整形，確保在指定的時間段內(nèi)，從發(fā)送方到接收方的網(wǎng)絡(luò)傳輸流量不會突然變化。盡管AVB標準有其自己的特性，但它缺少以太網(wǎng)中高確定性流量類所需的一些關(guān)鍵屬性。TSN的調(diào)度、搶占和冗余功能提供更確定的延遲，更高效的數(shù)據(jù)包傳輸概率，以及跨網(wǎng)絡(luò)中冗余路徑的無縫時鐘同步。
AVB Gen1功能
簡單介紹
AVB是由 IEEE 802.1時間敏感網(wǎng)絡(luò)任務組定義的一組規(guī)范，它們共同為音頻 / 視頻流應用提供低延遲，時間同步的服務，工作在 OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層—數(shù)據(jù)鏈路層。
802.1AS（-Rev） Timing and Synchronization AVB規(guī)范包括：
1）流預留協(xié)議（SRP）[IEEE 802.1Qat]，它解決網(wǎng)絡(luò)中音視頻實時流量與普通異步數(shù)據(jù)流量之間的競爭問題。通過協(xié)商機制，在音視頻流從源設(shè)備到不同交換機再到終端設(shè)備的整個路徑上預留出所需的帶寬資源，以提供端到端（End-to-End）的服務質(zhì)量及延遲保障。也就是直接留出傳輸余量給高優(yōu)先級的信息，進行優(yōu)先傳輸。
2）時間敏感應用的時序和同步 [IEEE 802.1AS]，它用于實現(xiàn)高精度的時鐘同步，給所有以太網(wǎng)幀增加了精確的時間戳。
3）時間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊增強 [IEEE 802.1Qav] 用于流媒體類應用，因為有了這些時間戳，我們就可以根據(jù)時間進行排程。IEEE 802.1Qav是實時數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)和隊列控制協(xié)議，為數(shù)據(jù)流發(fā)送端和交換節(jié)點提供一個成形的數(shù)據(jù)流服務。確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不會干擾到AVB的實時音視頻流。為了避免普通數(shù)據(jù)流量與AVB流量之間對網(wǎng)絡(luò)資源的競爭，AVB交換機內(nèi)對時間敏感的音視頻流和普通數(shù)據(jù)流進行了區(qū)別處理，將實時幀與異步幀分別進行排隊，并且賦予實時幀最高的優(yōu)先級。
小結(jié)
AVB標準通過定義流預留（SR）流量類來確保服務質(zhì)量（QoS）。根據(jù)上述三點基本原理，我們就大致可以理解為什么QoS無法解決傳輸不確定性的問題。其原因是以太網(wǎng)交換機內(nèi)部具有緩沖效應，如果交換機已經(jīng)在其中一個端口上傳輸以太網(wǎng)幀，即使是最高優(yōu)先級的幀也必須在交換機緩沖區(qū)內(nèi)等待之前的傳輸完成。而TSN則加載了時間戳，交換機內(nèi)部根據(jù)時間戳以及QoS進行排程進行處理，避免了這種不確定性的發(fā)生。
又舉例子，還是拿擠地鐵來說事。有了QoS，雖然是你是VIP，但也要等已經(jīng)排隊上車的人上完車后你才能上。但是有了TSN，你作為VIP還自帶光環(huán)，在車門處預留了空間讓你先上車。這樣，調(diào)度人員（交換機）就可以根據(jù)時間戳，用優(yōu)先級運用協(xié)議的算法來確保VIP（最重要的信息）可以在確定的時間內(nèi)上車。
盡管有基于信用的公平隊列（CBFQ），但在最壞的情況下，由于在其他業(yè)務干擾期間沒有搶占式調(diào)度，AVB流量仍然會在每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上延遲， 因此還需要AVB Gen2。
要實現(xiàn)新的綜合視頻/音頻、實時工業(yè)數(shù)據(jù)以及其它復雜的數(shù)據(jù)交互的傳輸，那么就需要解決技術(shù)上的障礙（如以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突），并且在分布式時鐘同步、傳輸質(zhì)量上予以技術(shù)保障，也包括如何實現(xiàn)工業(yè)應用所需的諸如高實時、冗余，以及信息安全及功能安全的機制保障。
為此IEEE802.1成了實時工作組，開發(fā)TSN的標準，以及組織企業(yè)的測試等工作。
TSN（AVB Gen2）功能
時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是由IEEE 802組開發(fā)的一套標準，它提供以下功能：
1）時間敏感應用的定時和同步，IEEE802.1ASbt
2）計劃流量的增強功能，IEEE802.1Qbv
3）搶占幀（Frame Preemption），IEEE802.1Qbu
4）冗余網(wǎng)絡(luò)的路徑控制和保留，IEEE802.1Qca
5）流保留協(xié)議（SRP）增強功能支持 IEEE802.1Qbu / IEEE802.1Qbv / IEEE802.1 Qca / IEEE802.1CB，IEEE802.1Qcc
6）無縫冗余，IEEE802.1CB
IEEE 802.1ASbt 是對 IEEE 802.1AS的增強。IEEE 802.1ASbt增加了對一步時間戳的支持，相對于IEEE 802.1AS中的兩步過程，這減少了在網(wǎng)絡(luò)中傳送定時信息的分組數(shù)量。在具有時間感知系統(tǒng)的daisy-chain 網(wǎng)絡(luò)中，分組流量和計算能力的減少是有用的。IEEE 802.1ASbt通過預先選擇好備用主時鐘，并確保在發(fā)生故障時快速地切換，來提高網(wǎng)絡(luò)的響應能力。這符合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中無縫切換（優(yōu)選零時間）的要求。
IEEE 802.1Qbv時間感知隊列通過時間感知整形器 （Time Aware Shaper，TAS） 使TSN交換機能夠來控制隊列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標識并指派給基于優(yōu)先級的VLAN Tag，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊列報文在預定時間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊列將被鎖定在規(guī)定時間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個交換機的延遲是確定的，可知的。而在TSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報文延時被得到保障。
如下圖示意，交換機出口隊列的閥門好比十字路口的紅綠燈，當有計劃好的關(guān)鍵消息需要傳輸時，關(guān)鍵消息所在的隊列綠燈放行，而其他非關(guān)鍵消息的隊列則紅燈暫停傳輸。在汽車領(lǐng)域，新興的以太網(wǎng)作為主干的汽車電子架構(gòu)中，傳輸在車載以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)既有需要實時響應的關(guān)鍵車控信號數(shù)據(jù)（如剎車信號）也有重要性略低的車載娛樂應用流量，802.1Qbv使得我們可以針對不同類型的流量調(diào)度，實現(xiàn)車控信號實時傳輸而娛樂流量則見縫插針的使用車載以太網(wǎng)帶寬。
TAS介紹了一個傳輸門概念，這個門有 “開”、“關(guān)” 兩個狀態(tài)。當傳輸?shù)倪x擇過程——僅選擇那些數(shù)據(jù)隊列的門是 “開” 狀態(tài)的信息。TAS保障時間要求嚴苛的隊列免受其它網(wǎng)絡(luò)信息的干擾，它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當優(yōu)先級非常高時，搶占機制可以被使用。
IEEE 802.1Qbv主要為那些時間嚴苛型應用而設(shè)計，其必須確保非常低的抖動和延時。IEEE 802.1Qbv 確保了實時數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實時數(shù)據(jù)的交換。
IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr 轉(zhuǎn)發(fā)與隊列機制是IEEE以太網(wǎng)標準的新補充，可以在信息傳輸?shù)臅r候讓高優(yōu)先級的幀打斷低優(yōu)先級的幀，最大限度地降低高優(yōu)先級信息流的延遲。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應用方面，搶占可以進一步將不同技術(shù)的多個網(wǎng)絡(luò)融合在一個以太網(wǎng)和IP的基礎(chǔ)架構(gòu)里，可以實現(xiàn)自動化操作以及訂單控制生產(chǎn)。通過大幅降低低優(yōu)先級信息流對重要信息流的影響，兩種信息流可以混合在同一鏈路上。
IEEE802.1Qcc Qcc 用于為TSN進行基礎(chǔ)設(shè)施和交換終端節(jié)點進行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由 1 或多個 CUC（集中用戶配置） 和1個CNC（集中網(wǎng)絡(luò)配置） 構(gòu)成。CUC制定用戶周期性時間相關(guān)的需求并傳輸過程數(shù)據(jù)到CNC，CNC計算TSN配置以滿足需求。
IEEE 802.1Qca 為數(shù)據(jù)流提供顯式路徑控制，帶寬和流預留以及冗余。它通過攜帶用于時間同步和調(diào)度的信息，使用 IS-IS 擴展了最短路徑橋接（SPB）的功能，以控制橋接網(wǎng)絡(luò)。它通過使用PCE（路徑計算元素）提供顯式轉(zhuǎn)發(fā)路徑控制。PCE是一個實體，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的表示計算出通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。IEEE 802.1CB依賴于IEEE 802.1Qca在從發(fā)送方到接收方的網(wǎng)絡(luò)中的不相交路徑上傳送消息。
IEEE802.1CB 標準通過在發(fā)送端復制多個不相交路徑中的分組并消除多個點處的重復來提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，使得監(jiān)聽器僅看到一個分組。無縫冗余（IEEE802.1CB）與 IEEE802.1Qca和零擁塞相結(jié)合，可在數(shù)據(jù)包傳輸中提供最佳的QoS。它使用冗余標記（類似于VLAN標記）中攜帶的序列編號來復制和消除網(wǎng)絡(luò)中的重復數(shù)據(jù)包。
TSN相關(guān)標準
雖然成套的TSN特性還在繼續(xù)擴展，功能不斷改進，但現(xiàn)有標準提供了豐富的功能選擇，使基于標準的解決方案能夠在與傳統(tǒng)通信共存的網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)確定性，時間敏感，可靠的通信。
2018 年 11 月 27 日，在德國紐倫堡電氣自動化系統(tǒng)及元器件展（SPS IPC），CC-Link協(xié)會正式發(fā)布最新的開放式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 “CC-Link IE TSN”，宣布工業(yè)通信迎來新的變革時代。CC-Link IE TSN 規(guī)范在全球率先將千兆以太網(wǎng)帶寬與時間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） 相結(jié)合，在確保控制數(shù)據(jù)通信的實時性的同時，實現(xiàn)在同一個網(wǎng)絡(luò)中與其它開放式網(wǎng)絡(luò)、以及與IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信， 實現(xiàn) “多網(wǎng)互連互通”。
結(jié)語
TSN的核心思維是提出了一個可互操作的系統(tǒng)，并支持多個制造商、協(xié)議和機構(gòu)在同一個網(wǎng)絡(luò)上共享，同時數(shù)據(jù)使用相同的語言進行解析，不僅可得，而且可用。作為底層的通用架構(gòu)，TSN使得更多企業(yè)可以在此架構(gòu)上實現(xiàn)OT和IT的融合。這種融合提高了工業(yè)設(shè)備的連接性和通用性，并且面向未來，為大數(shù)據(jù)分析、邊緣智能、新型業(yè)務提供了更快更好的發(fā)展路徑。