董 衡，王 嬋

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

當(dāng)前，時間敏感網(wǎng)絡(luò)（time sensitive network,TSN）被普遍認(rèn)為是下一代網(wǎng)絡(luò)的演進方向。目前TSN協(xié)議簇已經(jīng)基本趨于完備，技術(shù)趨于成熟[1]。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“盡力而為”傳輸，TSN可為網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)傳輸提供確定性的時延。軌道交通信號系統(tǒng)需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)種類較多，且各業(yè)務(wù)傳輸性能指標(biāo)要求差別較大。面對這種情況，目前軌道交通信號系統(tǒng)實際項目中通常采用劃分多個虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network，VLAN)方式來傳輸不同的業(yè)務(wù)，但是這種方法不能滿足一些業(yè)務(wù)對時延確定性的要求；若直接采用多張物理網(wǎng)絡(luò)方式分開進行傳輸各類不同業(yè)務(wù)，又會造成項目成本的大幅增加。如果將TSN引入到軌道交通數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中，以解決各類業(yè)務(wù)統(tǒng)一傳輸?shù)膯栴}，則不僅能保證各類業(yè)務(wù)傳輸性能，還將大大降低組網(wǎng)成本。

1 TSN技術(shù)簡介

通用以太網(wǎng)是一種共享介質(zhì)類型的網(wǎng)絡(luò)。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，不同來源的業(yè)務(wù)流量被傳輸并共享相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備均可隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，而廣播數(shù)據(jù)或視頻等大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸會造成數(shù)據(jù)在傳輸時間方面既不精準(zhǔn)也不確定，嚴(yán)重時會引起網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓?？梢姡ㄓ靡蕴W(wǎng)技術(shù)的共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)連接方式無法滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性要求。

TSN是一種在傳統(tǒng)以太網(wǎng)上提供確定性信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，其最根本的目標(biāo)在于提供一種方法來確保信息在一個確定、可預(yù)測的時間范圍內(nèi)從源節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點。標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802工作組對TSN的描述是能夠提供具有有界低延時、低抖動、極低數(shù)據(jù)丟包率的數(shù)據(jù)傳輸能力，因此其主要特性包括[2]：

（1）在運行應(yīng)用和控制應(yīng)用的設(shè)備上維持端到端的時間同步；

（2）通過多種調(diào)度和管理機制提供有界低延時，以達到零丟包率目的；

（3）通過時間同步和數(shù)據(jù)流調(diào)度機制減少數(shù)據(jù)傳輸過程的抖動；

（4）通過數(shù)據(jù)幀復(fù)制、主從時間源等機制提供網(wǎng)絡(luò)的高可用性，同時TSN支持需求迥異的多種負(fù)載的同時傳輸；

（5）通過標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的應(yīng)用，能兼容不同應(yīng)用場景和既有協(xié)議。

TSN技術(shù)不是一個協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而是由一簇工作在介質(zhì)訪問控制(medium access control, MAC)層的協(xié)議組成。在這些協(xié)議的支持下，一方面TSN能夠確保交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸時延，另一方面時間敏感數(shù)據(jù)流和非時間敏感數(shù)據(jù)流能夠在同一網(wǎng)絡(luò)中混合傳輸，非關(guān)鍵負(fù)載的并行傳輸不會影響到關(guān)鍵負(fù)載的傳輸時延。值得一提的是，TSN使得多個上層協(xié)議的實時負(fù)載能夠在網(wǎng)絡(luò)中同時傳輸，網(wǎng)絡(luò)錯誤能夠被快速分析和修復(fù)。在以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)(audio video bridging, AVB)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，IEEE隨后研究并發(fā)布了一系列TSN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1所示。

表1 TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Protocols of TSN

雖然TSN的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)眾多，但是其核心機制主要由時鐘同步協(xié)議（IEEE 802.1AS）、基于時間喚醒機制隊列和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（IEEE 802.1Qbv）、幀搶占策略（IEEE 802.1Qbu/IEEE 802.3br）和網(wǎng)絡(luò)配置（IEEE 802.1 Qcc）構(gòu)成[3]。

2 TSN在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用

TSN不僅可為信息傳輸提供確定的時延，而且可保證各種總線之間的兼容性和互操作性，因此能很好地實現(xiàn)各種設(shè)備之間實時、確定且可靠的數(shù)據(jù)傳輸。最初，人們?yōu)榱藵M足音視頻的傳輸需求，對以太網(wǎng)進行了協(xié)議擴充，形成了AVB技術(shù)，為音視頻傳輸提供保障；如今，在AVB的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的TSN技術(shù)，可以滿足工業(yè)制造、汽車行業(yè)等領(lǐng)域?qū)Χ嘣O(shè)備之間數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)囊蟆?/p>

目前TSN協(xié)議簇已基本完備，技術(shù)趨于成熟，主流網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商紛紛進入產(chǎn)品或者方案研發(fā)階段[4]。通信設(shè)備制造商，如華為公司、思科公司等，對TSN極為關(guān)注，均投入了力量并研發(fā)出了TSN交換機和相應(yīng)的TSN測試床[5]。另外，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用廠家也極為關(guān)注TSN技術(shù)，如在汽車行業(yè)，廣汽集團正在研發(fā)基于TSN的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)；在制造領(lǐng)域，三菱工廠與摩莎公司合作，開發(fā)了工廠生產(chǎn)線的TSN試驗線；在網(wǎng)絡(luò)測試領(lǐng)域，思博倫通信公司已有支持TSN測試的成熟設(shè)備；在芯片領(lǐng)域，美國博通公司已有對TSN支持的芯片，國內(nèi)相關(guān)廠家也在對TSN芯片進行研發(fā)?？梢灶A(yù)見，TSN將成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢之一。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，在有機器人操作的工廠生產(chǎn)線上，TSN的應(yīng)用能夠極大地提升操作的靈活性。華為公司TSN產(chǎn)品已被應(yīng)用于機器視覺系統(tǒng)智能制造TSN模擬示范產(chǎn)線，其通過視覺系統(tǒng)與兩個機器手臂間的高速協(xié)同進行充電寶產(chǎn)品的裝配。可見，采用TSN技術(shù)的高速協(xié)同自動化可為制造企業(yè)實現(xiàn)智能化生產(chǎn)和檢測提供可靠的技術(shù)方案，以幫助企業(yè)提質(zhì)增效，緩解用工難的問題。另一方面，在2018年的德國漢諾威工業(yè)博覽會上，由Avnu聯(lián)盟、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟AII、邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC、華為公司、施耐德電氣公司、國家儀器公司、貝加萊公司、TTTech公司等20余家知名組織和廠商發(fā)布了TSN+OPC UA的智能制造測試床[6]。測試床融合了TSN和OPC UA技術(shù)，提高了工業(yè)設(shè)備的通用性。

在汽車車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，近年來智能交通逐漸走進人們的視線，車上部署的攝像頭和傳感器等設(shè)備的數(shù)量越來越多，CAN和Flexray等[7]傳統(tǒng)總線方式已無法滿足日益增加的帶寬需求。而TSN技術(shù)憑借其高靈活性和強拓展性已逐漸成為一個新的技術(shù)解決方案。將TSN作為通用的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，不僅可以簡化車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時還可保證時延和帶寬。目前支持TSN的車載設(shè)備逐漸上市，如Marvell公司推出了一款8端口、高安全性車載千兆網(wǎng)絡(luò)交換芯片，命名型號為88Q5050，它支持TSN協(xié)議簇中的IEEE 802.1Qav和IEEE 802.1Qbv功能；博通公司也發(fā)布了支持IEEE 802.1AS, IEEE 802.1Qbv, IEEE 802.1Qav和IEEE 802.1Qci等協(xié)議的BMC 5316x系列交換芯片，其目標(biāo)市場是無人車、無人機和L3級的無人駕駛系統(tǒng)[8]。

3 TSN在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用探討

隨著城市化發(fā)展進程的加快，軌道交通在交通運輸領(lǐng)域中的地位日益提升。城市軌道交通通信系統(tǒng)控制著具有運營指揮、傳遞信息和服務(wù)乘客等功能的信息網(wǎng)絡(luò)平臺，需要具有可靠性、平穩(wěn)性和傳遞內(nèi)容的多樣性[9]。因此合理地規(guī)劃設(shè)計軌道交通通信系統(tǒng)，不僅能夠滿足正常運營需求，還可以降低投入成本。

3.1 軌道交通數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)概述

城市軌道交通基于通信的列車自動控制系統(tǒng)(communication based train control，CBTC)，其網(wǎng)絡(luò)部分被稱為數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)(data communication subsystem，DCS)[10]，包括地面有線網(wǎng)和車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)（圖1）。DCS網(wǎng)絡(luò)采用冗余雙網(wǎng)（A網(wǎng)和B網(wǎng)）設(shè)計，兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨立，互不影響[11]。DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要承載綜合業(yè)務(wù)，其中CBTC信息、緊急文本信息及視頻監(jiān)控信息等直接影響城市軌道交通運營安全，因此對傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性有很高的要求，且視頻監(jiān)控信息還要求滿足一定的傳輸帶寬[12]。

圖1 DCS網(wǎng)絡(luò)綜合承載結(jié)構(gòu)Fig.1 Synthetic carrying structure of DCS network

針對CBTC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳輸業(yè)務(wù)種類較多且各業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)傳輸性能要求不同的問題，目前業(yè)界普遍采用A/B雙網(wǎng)冗余架構(gòu)，其中A網(wǎng)單獨用于CBTC業(yè)務(wù)的承載，B網(wǎng)用于CBTC業(yè)務(wù)的備份并傳輸語音、CCTV等其他業(yè)務(wù)。DCS系統(tǒng)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)及需求如表2所示[13]?？梢钥闯觯珼CS系統(tǒng)需要傳輸?shù)男畔⒎N類較多。為了保證信息傳輸?shù)男Ч?，各類信息不在同一張網(wǎng)絡(luò)中傳輸，因而網(wǎng)絡(luò)建造成本較高。

表2 軌道交通通信需求Tab.2 Communication demand of rail transit

3.2 軌道交通網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)想

TSN最關(guān)鍵的目的在于“同一”網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，即周期性地控制通信需求和使非周期的數(shù)據(jù)在同一個網(wǎng)絡(luò)中傳輸。網(wǎng)絡(luò)所承載業(yè)務(wù)中的CBTC信息、緊急文本信息、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和所需的帶寬各不相同，因此可以在有線網(wǎng)中采用TSN，給網(wǎng)絡(luò)中各個業(yè)務(wù)規(guī)劃固定的傳輸時隙。具體而言，基于時分多址的思想，在循環(huán)周期內(nèi)根據(jù)各業(yè)務(wù)帶寬劃分指定時隙給對應(yīng)的業(yè)務(wù)（圖2），其中t1～t4的大小根據(jù)業(yè)務(wù)帶寬而指定。如此規(guī)劃后，不僅各個業(yè)務(wù)的傳輸互不被干擾且時延可控，同時可將各業(yè)務(wù)集中在同一物理網(wǎng)絡(luò)上傳輸，從而有效降低成本。

圖2 DCS有線網(wǎng)絡(luò)時隙劃分Fig.2 Time slot division of DCS wired network

當(dāng)然，要實現(xiàn)這些性能的前提是網(wǎng)絡(luò)中的交換機和終端設(shè)備均支持TSN協(xié)議。圖3示出一個TSN網(wǎng)絡(luò)的簡單示意，其中設(shè)備經(jīng)支持TSN協(xié)議的終端（TSN EP）被連接至TSN交換機，構(gòu)建成了一個較為完整的網(wǎng)絡(luò)。

圖3 構(gòu)建TSN網(wǎng)絡(luò)示意Fig.3 Schematic diagram of building TSN network

相較于普通網(wǎng)絡(luò)，在TSN網(wǎng)絡(luò)的支持下，系統(tǒng)可確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)或者是控制信息的實時和準(zhǔn)確傳輸，有線網(wǎng)的傳輸可以達到時延可估計、傳輸性能穩(wěn)定的效果；同時可簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)省建設(shè)網(wǎng)絡(luò)成本?？紤]到TSN極有可能成為未來網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，所部署的TSN網(wǎng)絡(luò)也將可能成為未來網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。

3.3 關(guān)鍵問題

TSN技術(shù)的特點是為傳輸提供確定性時延和對各種總線之間的兼容性和互操作性，因此其可以很好地實現(xiàn)各種設(shè)備之間的實時、確定而可靠的數(shù)據(jù)傳輸，能夠滿足眾多行業(yè)的應(yīng)用需求。然而，現(xiàn)階段TSN仍然沒有得到廣泛的應(yīng)用，主要原因在于：一方面，TSN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議簇中部分協(xié)議依舊處于修訂、更新和評審狀態(tài)；另一方面，TSN屬于新技術(shù)，需要進行市場培育和廣泛宣傳才能逐漸得到推廣。

從網(wǎng)絡(luò)交換端的角度來看，目前市面上的TSN交換機普遍是原理驗證樣機或者是基于FPGA而開發(fā)的，成熟度較低且成本較高。要研發(fā)出成熟的工業(yè)級TSN交換芯片及交換機仍然需要一定的研發(fā)周期。從網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點的角度來看，要做到對整個網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)中需要有支持TSN各項協(xié)議的終端器件，因為只有整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各個節(jié)點均支持TSN相關(guān)協(xié)議，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才能達到時鐘同步效果，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間才能互相約定數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，做到流量的時延和抖動可控。然而目前各個廠家主要精力均集中在對交換芯片和交換機的研發(fā)，對支持TSN的終端芯片關(guān)注較少，導(dǎo)致目前組網(wǎng)中終端器件難以支持TSN，進而也難以實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)度。從應(yīng)用的角度來說，需要將TSN網(wǎng)絡(luò)的搭建和配置做到簡單友好，普通用戶能夠很快入手，才能較為順利地推廣至傳統(tǒng)行業(yè)用戶。

4 結(jié)語

TSN是開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型（OSI）數(shù)據(jù)鏈路層中MAC層的一簇協(xié)議，能很好地兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，同時能夠給網(wǎng)絡(luò)傳輸提供確定的時延和低抖動，很好地實現(xiàn)各種設(shè)備之間的實時、確定和可靠數(shù)據(jù)傳輸，滿足未來多個行業(yè)的多設(shè)備之間數(shù)據(jù)可靠傳輸。然而目前TSN尚未得到廣泛應(yīng)用，在很多方面需要繼續(xù)改進甚至是創(chuàng)新，也需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的深入合作。隨著各方面技術(shù)的成熟及行業(yè)迫切應(yīng)用需求的增加，相信未來TSN技術(shù)將會在軌道交通領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。