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　　一、TSN：新一代網(wǎng)絡技術

　　1、具有確定性時延以及多協(xié)議傳輸能力

　　時間敏感網(wǎng)絡(Time Sensitive Networking，TSN) ，是基于標準以太網(wǎng)架構演進的新一代網(wǎng)絡技術，它以傳統(tǒng)以太 網(wǎng)為網(wǎng)絡基礎，通過時鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡配置等機制，提供確定性數(shù)據(jù)傳輸能力的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范。與傳 統(tǒng)以太網(wǎng)相比，TSN 能夠微秒級確定性服務，降低整個通信網(wǎng)絡復雜度，實現(xiàn)信息技術 (IT)與運營技術(OT)融合， 其具有精準的時鐘同步能力，確定性流量調(diào)度能力，以及智能開放的運維管理架構，可以保證多種業(yè)務流量的共網(wǎng)高 質(zhì)量傳輸，兼具性能及成本優(yōu)勢，是未來網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。

　　TSN 的出現(xiàn)主要解決了五大問題 1）流量傳輸不確定性：傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用“盡力而為”的傳輸方式，導致其在傳輸數(shù)據(jù)的延時波動較大，且具有極高 的不確定性，與商業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域?qū)W(wǎng)絡擁堵的態(tài)度不同，工業(yè)、汽車醫(yī)療等領域一旦出現(xiàn)嚴重網(wǎng)絡問題則有可能導致 致命后果或巨大經(jīng)濟損失，因此上述等領域?qū)W(wǎng)絡卡頓、延時容忍度極低，TSN 的出現(xiàn)為解決上述領域的應用問題提 供了可行的解決方案，并衍生出了多種協(xié)議，為工業(yè)、車載等領域提供了多樣的選擇。

　　2）時間同步：具有精準的時鐘同步能力在對時間敏感的領域有廣闊的應用空間。 3）通信協(xié)議不統(tǒng)一：在網(wǎng)絡架構中通常不同的設備會使用不同的通信協(xié)議，而不同的通信協(xié)議之間難以實現(xiàn)直接的 互聯(lián)互通，TSN 旨在提升以太網(wǎng)的性能，使其更具備確定性、魯棒性、可靠性，通過 IEEE802 網(wǎng)絡保證數(shù)據(jù)包的延 遲、抖動、丟包，實現(xiàn)不同設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量的統(tǒng)一承載。

　　4）網(wǎng)絡的動態(tài)配置：大多數(shù)網(wǎng)絡的配置需要在網(wǎng)絡停止運行期間進行，這對于工業(yè)控制等應用來說難以實現(xiàn)。TSN 通 過 IEEE 802.1Qcc 引入集中網(wǎng)絡控制器（centr alized network configuration，CNC）和集中用戶控制器（centralized user configuration， CUC）來實現(xiàn)網(wǎng)絡的動態(tài)配置，在網(wǎng)絡運行時靈活地配置新的設備和數(shù)據(jù)流。 5）安全：TSN 利用 IEEE 802.1Qci 對輸入交換機的數(shù)據(jù)進行篩選和管控，對不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)幀進行阻攔，能 及時隔斷外來入侵數(shù)據(jù)，實時保護網(wǎng)絡的安全，也能與其他安全協(xié)議協(xié)同使用，進一步提升網(wǎng)絡的安全性能。

　　2、TSN發(fā)展歷史：不斷提高確定性

　　時間敏感網(wǎng)絡（TSN），工業(yè)、車載互聯(lián)等領域?qū)崿F(xiàn)低延時、高確定性的信息傳輸方法之一。TSN技術發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：1）傳統(tǒng)以太網(wǎng)階段。以太網(wǎng)最早于上世紀80年代開始被逐漸引入辦公領域，并由于10Mbps的高吞吐量而迅速實現(xiàn)普及。以太網(wǎng)使用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，帶寬有多個設備共享，采用“Best Effort”的轉(zhuǎn)發(fā)機制也使得在以太網(wǎng)在處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作時采用盡可能發(fā)送更多的數(shù)據(jù)而并不考慮數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，在大量數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)時會導致網(wǎng)絡擁堵，從本質(zhì)上缺乏確定性和實時性，雖然傳統(tǒng)二層網(wǎng)絡已經(jīng)引入了優(yōu)先級機制，三層網(wǎng)絡也已內(nèi)置了服務質(zhì)量（quality of service，QoS）機制，但實時流量和傳統(tǒng) TCP流量的資源競爭導致時延和抖動過多，致使傳統(tǒng)的以太網(wǎng)不能滿足實時數(shù)據(jù)的傳輸需求。

　　2）AVB 階段。與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比，AVB 擁有確定性延時的優(yōu)勢。AVB 全稱音視頻橋接技術，一般用于汽車多媒體設備之間的 信息傳輸。AVB 工作組致力于解決音頻視頻數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)介質(zhì)上傳輸時的時延較高、抖動較大、傳輸不確定等問 題。由于多媒體應用場景下視頻與音頻、字幕等信息有較高的時間同步要求，因此傳統(tǒng)的以太網(wǎng)較難滿足在音視 頻應用場景下有較高的不確定性。AVB 在以太網(wǎng)的基礎上通過引入傳輸時間策略，保證了各項數(shù)據(jù)上的時間上的 同步。

　　3）TSN 階段。工業(yè)與汽車領域?qū)崟r以太網(wǎng)的需求快速增長刺激 TSN 技術的發(fā)展。美國汽車工程師協(xié)會以 TTEthernet為基礎推出了AS6802標準，該標準將傳統(tǒng)以太網(wǎng)“Best Effort”傳輸方式所具備的靈活性與時間敏感的實時性、確定 性等特點相結(jié)合，具有支持不同類型的應用的能力。IEEE受到AS6802標準推出的刺激，在 2012 年正式將 AVB 任務組改名為 TSN 工作組，在原AVB技術的基礎上繼續(xù)針對車載、專業(yè)音頻、工業(yè)自動化以及移動通信等領域 進行了實時通信、時鐘同步、低延時、高質(zhì)量的信息傳輸進行了一系列的開發(fā)。

　　詳細來講，TSN 具有以下目標： 針對交換網(wǎng)絡的報文時延得到保障；時間敏感數(shù)據(jù)流和非時間敏感數(shù)據(jù)流可以混合傳輸，并且非時間敏感數(shù)據(jù)流 的傳輸不會影響時間敏感數(shù)據(jù)流的傳輸時延；多種高層協(xié)議可以共享網(wǎng)絡基礎設施， 即多種協(xié)議的負載可以同時 在網(wǎng)絡中傳輸；網(wǎng)絡錯誤可以通過在源頭獲得精確的信息，從而快速地確診和修復。

　　當前 TSN 已逐漸發(fā)展成為了被行業(yè)組織認證的廣泛使用的標準。當前國內(nèi)外已經(jīng)有眾多組織以及企業(yè)在積極推動 TSN 的發(fā)展，包括 ABB、B&R、Bosch Rexroth、CISCO、GE、NI、KUKA、Parker、Phoenix、Schneider、SEW、 TTTech 等主流的自動化與 IT 廠商以及 EPSG、CC-Link 等協(xié)會也在積極參與 TSN 網(wǎng)絡的發(fā)展。

　　3、TSN技術：位于OSI模型第二層，已具備多種協(xié)議供下游選擇適配

　　TSN 是 IEEE802.1 工作組開發(fā)的一套協(xié)議標準，位于 OSI 七層模型中的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），它為以太網(wǎng)協(xié)議的 MAC 層增加了一套通用的時間敏感機制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時間確定性的同時，也為不同協(xié)議網(wǎng)絡提供了統(tǒng) 一的鏈路架構。

　?。?）TSN 與以太網(wǎng)。TSN 兼容以太網(wǎng)，是對傳統(tǒng)以太網(wǎng)的一次重要技術變革。TSN 是符合 IEEE802.1Q 標準的 VLAN，在標準的以太幀 中插入 4 個字節(jié)長度的 VLAN tag。TSN 通過 VLAN tag 中的 PCP（Priority Code Point）和 VID（VLAN ID）定義流 的不同優(yōu)先級?，F(xiàn)有以太網(wǎng)鏈路層的設備需要做改變來支持 TSN 特性，涉及到的主要設備是：網(wǎng)卡、網(wǎng)橋、交換機。TSN 除了時鐘 特性設置外，其它功能與 VLAN 的網(wǎng)絡配置類似，通過不同維度的幀流量劃分，來實現(xiàn)幀的優(yōu)先級和冗余路徑，因此， 要構建一個 TSN 網(wǎng)絡，需要滿足以下條件：1）使用支持 TSN 特性的計算機終端網(wǎng)卡、網(wǎng)橋或交換機設備；2）配置 TSN 網(wǎng)絡參數(shù)。

　　（2）TSN 協(xié)議族：各有利弊。TSN 協(xié)議族圍繞時間同步、低延遲、可靠性（安全性）、資源管理四個角度解決時間相關的問題。TSN 基于高精度 時間同步協(xié)議（PTP），在網(wǎng)絡設備之間創(chuàng)建和分發(fā)一個時間計劃表，將計劃內(nèi)的幀優(yōu)先傳輸，主要是通過時間感知 整形（流量調(diào)度）、搶占幀、預留帶寬、多鏈路冗余幀等多種機制完成，并產(chǎn)生了不同的協(xié)議種類。時間敏感網(wǎng)絡使用需求促進著其技術的飛速發(fā)展，IEEE 802.1 工作組下的 TSN 任務組以及其他組織在不斷推進著 有關草案和標準的制定與發(fā)布。

　?。?） 時間同步（Time synchronization）代表性協(xié)議：IEEE802.1AS。IEEE 802.1AS 標準是 IEEE std 1588 精準時間協(xié)議（precision time protocol，PTP）的特定配置文件， 定義了廣義精準時間協(xié)議（generalized PTP，gPTP），并擁有更簡潔易操作的選項和功能。IEEE 802.1AS 通過在 gPTP 域的時間感知系統(tǒng)之間傳遞相關時間事件消息來完成網(wǎng)絡設備間的同步。gPTP 與 PTP 的同步機制類似，利用最佳主時鐘算法（best master clock algorithm，BCMA）在網(wǎng)絡中選擇主時鐘并建 立同步時鐘樹，然后利用對等路徑時延測量機制計算主從時鐘端口間的時間誤差來進行同步。最新版本的 IEEE802.1AS 的無縫切換功能能夠?qū)崿F(xiàn)在主時鐘出現(xiàn)問題的情況下能夠快速切換到冗余時鐘，達到無縫 切換冗余時鐘的效果。

　?。?） 低延時代表性協(xié)議：IEEE802.1Qva/ IEEE802.1Qch。Qva 在網(wǎng)絡復雜的時候很難解決延時等問題。Qva 是早期在 AVB 中被經(jīng)常采用的協(xié)議，主要功能在于能 夠?qū)崿F(xiàn)在突發(fā)的很大量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)時能夠做平衡的處理，實現(xiàn)穩(wěn)速輸出音視頻的數(shù)據(jù)，達到比較順暢的播 放效果。但 Qva 在網(wǎng)絡變的非常復雜的情況下會難以解決時間延時的問題。

　　Qch 的推出解決了 Qva 在復雜網(wǎng)絡下對延時控制效果不佳的問題。IEEE 用 Qch 自行設定周期保證每一 跳之間最大的延時，隨著網(wǎng)絡復雜程度的增加，通過計算每一跳的最大延時就能計算出整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的最 大時延，保證了時延的確定性。但 Qch 也存在一定的問題，數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機的時候整幀數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完 成的時候會一直占用這個端口，發(fā)送完成后其他數(shù)據(jù)才允許發(fā)送，所以如果一幀數(shù)據(jù)通過交換機設定時間 過短的話很有可能會被網(wǎng)絡本身設定的干擾幀干擾到，Qch 設定的發(fā)送周期可能不足，從而違背設計初衷。

　　（3） IEEE802.1 Qbv/Qbu：周期性數(shù)據(jù)傳輸解決方案。Qbv 適用于周期性數(shù)據(jù)流的發(fā)送和控制。Qbv 是時間感知整形的一種數(shù)據(jù)發(fā)送方式，其通過閥門（Gate） 開關來控制流量的流入流出，并將每一個數(shù)據(jù)包都根據(jù)時間進行標記，實現(xiàn)在特定的時間讓特定的數(shù)據(jù)包 通過并阻止其他數(shù)據(jù)包的傳輸以防止傳輸通道被占用，防止了網(wǎng)絡堵塞的可能，因此保證了周期性數(shù)據(jù)傳 輸?shù)臅r效性。

　　Qbv 仍然存在被干擾幀影響傳輸效果的可能性，需要引入保護區(qū)（Guard Band）機制。如果干擾幀在發(fā) 送期間同時到了需要發(fā)送周期性數(shù)據(jù)則會導致周期性數(shù)據(jù)的發(fā)送失敗，導致相應數(shù)據(jù)無法在預定的時間內(nèi) 傳輸，因此需要設置一個與干擾幀大小相同的 Guard Band。Guard Band 會保證期間進入的一個數(shù)據(jù)幀 發(fā)送完成，在該數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成之后 Guard Band 會禁止后續(xù)的除關鍵數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)幀發(fā)送，這樣就保 證了關鍵數(shù)據(jù)發(fā)送的時效性。

　　Qbu 分片將干擾幀分成小塊，既滿足了傳輸?shù)臅r效性要求，也能較好的提高帶寬利用率。Qbv 雖然能保 護關鍵流量免受其他網(wǎng)絡流量的干擾，但不一定帶來最佳的帶寬利用率和最小的通信時延。在支持 Qbu 幀搶占的鏈路上，允許中斷非關鍵的標準以太網(wǎng)幀或者巨型幀的傳輸，并優(yōu)先傳輸時間關鍵幀，然后在不 丟棄先前傳輸?shù)姆顷P鍵幀片段的情況下恢復傳輸中斷的數(shù)據(jù)，一個非關鍵的數(shù)據(jù)幀可以被多次搶占。在應 用保護帶機制時，幀搶占能有效減小保護帶的最大長度，縮短信道空閑時間。幀搶占機制在保證關鍵型數(shù) 據(jù)確定性低時延的同時，也提供了更細粒度的服務質(zhì)量，提高了帶寬利用率。Qch 也可以與 Qbv 相結(jié)合，引入 Guard Band 以及干擾幀分片機制，解決關鍵數(shù)據(jù)卡頓以及網(wǎng)絡帶寬資 源利用率低的問題。

　?。?） IEEE802.1 CB：冗余鏈路發(fā)送方式。802.1 CB 是通過設置冗余鏈路發(fā)送冗余幀，通過兩條不同的鏈路發(fā)送關鍵數(shù)據(jù)幀，在某一節(jié)點進行消除。 類似于將重要文件復制多份，然后通過 A、B、C 三條路徑同時運送，三條路徑中一旦有一條路徑按時成 功達到即可視為傳輸任務完成，達到可靠性比較高的需求，同時銷毀其他復制文件，也可與 IEEE 802.1Qcc 等協(xié)議結(jié)合，實現(xiàn)網(wǎng)絡的無縫冗余和快速恢復。

　　（5） IEEE 802.1Qca 路徑控制和預留。IEEE 802.1Qca 的路徑控制和預留（path control and reservation，PCR）機制基于中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)（intermediate system to intermediate system，IS-IS）的擴展承載時間同步和調(diào)度控制信息，為數(shù)據(jù)流 提供顯式路徑轉(zhuǎn)發(fā)控制，并允許使用非最短路徑。PCR 提前為每個流預定義受保護路徑的設置、帶寬預 留和冗余（保護或恢復）， 為數(shù)據(jù)流提供彈性的控制機制。

　　IEEE 802.1Qca 標準基于最短路徑橋接（shortest path bridging，SPB）協(xié)議并結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡 （software-defined network，SDN）來完成路徑控制和預留。位于數(shù)據(jù)平面的 IS-IS 協(xié)議用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡拓 撲和計算基本路徑等，位于控制平面中的路徑計算元件（path computation element，PCE）用于管理顯 式路徑，PCE 與資源預留協(xié)議（SRP）交互以沿著顯式路徑預留資源。此外 PCE 可以管理顯式路徑的 冗余，從而利用備用路徑在現(xiàn)實路徑上提供保護和恢復。

　　（6） IEEE 802.1Qci 逐流過濾和監(jiān)管。當輸入 TSN 交換機的數(shù)據(jù)幀不符合要求時，不僅會影響關鍵數(shù)據(jù)的傳輸，還可能危害網(wǎng)絡設備的安全。 IEEE 802.1Qci 定義的逐流過濾和監(jiān)管（per-stream filtering and policing，PSFP）基于規(guī)則匹配過濾和 監(jiān)控每個輸入設備的流，防止端點或網(wǎng)橋上的軟件錯誤，抵御惡意設備和攻擊（如 DOS 等）。

　?。?） 流管理。IEEE 802.1Qcc 提供了對 IEEE 802.1Qat 流預留協(xié)議（stream reservation protocol，SRP）的增強和全 局管理與控制網(wǎng)絡的工具，支持靜態(tài)或動態(tài)網(wǎng)絡配置，通過減少預留消息的大小和頻率改善原有的 SRP， 僅通過鏈路狀態(tài)或預留變化來觸發(fā)更新。

　　IEEE 802.1Qcc 提供了 TSN 應用程序與網(wǎng)絡組件之間的用戶網(wǎng)絡接口（user network interface，UNI）。 網(wǎng)絡開始運行之前，集中用戶配置（CUC）會向網(wǎng)絡集中控制器（CNC）發(fā)起檢索網(wǎng)絡物理拓撲請求， CNC 遍歷網(wǎng)絡拓撲后將結(jié)果返回至 CUC。CUC 接收網(wǎng)絡拓撲后開始收集網(wǎng)絡資源需求，如哪些終端設 備之間要進行通信、TSN 流的周期、大小和時延界限等，并發(fā)送至 CNC。CNC 根據(jù)網(wǎng)絡物理拓撲和網(wǎng) 絡需求計算每個 TSN 幀的調(diào)度表并發(fā)送至每個網(wǎng)橋，同時 CUC 將調(diào)度表分發(fā)至每個終端設備并要求終端設備依據(jù)調(diào)度表進行數(shù)據(jù)傳輸。至此，CUC 和 CNC 分別通過代理的方式完成了網(wǎng)絡的配置。當有 新的設備加入網(wǎng)絡或有新的 TSN 流產(chǎn)生時，依然可以用此方式在網(wǎng)絡運行時重新配置。

　　（3）TSN 技術難點。TSN 網(wǎng)絡技術的難點在于： 1）在網(wǎng)絡震蕩的情況下，保持高度的時間同步。即當網(wǎng)絡不斷的發(fā)生震動、震蕩，且網(wǎng)絡仍然要求同步做到納秒級， 需要各方面技術網(wǎng)絡保持同步。 2）整網(wǎng)配置，TSN 技術系統(tǒng)不是固定系統(tǒng)，而是多個變化、復雜的大系統(tǒng)進行整合。 3）如何保證原有網(wǎng)絡的資源要素在現(xiàn)有的平臺去保持同步跟進，而非重新構建、打造。在賦能客戶同步降本、迭代 升級的同時，如何助力其平滑切換到 TSN 網(wǎng)絡，其中不僅需要構建大量的技術解決方案，同時還需要吸收眾多的行 業(yè)經(jīng)驗。

　　二、TSN在工業(yè)、車載領域應用趨勢明顯

　　1、工業(yè)：TSN是實現(xiàn)工業(yè)自動化以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)愿景的前置條件

　　傳統(tǒng)工業(yè)不同層級之間相互孤立，設備之間也互不兼容。傳統(tǒng)的有線工業(yè)通信基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術提供實 時可靠的連接服務。常用的現(xiàn)場總線技術包括 Modbus、CAN（controller area network）、Profibus（process field bus） 等，而工業(yè)以太網(wǎng)技術種類繁多，包括 Sercos（serial realtime commu- nication specification）、PROFINET（process field net）、EtherCAT（Ethernet control automation tech- nology）等。這些異構的工業(yè)通信總線和網(wǎng)絡標準兼 容性差，數(shù)據(jù)互通困難，導致形成了工業(yè)生產(chǎn)的一座座信息孤島，無法滿足未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全面連接的目標。如果想 要將相關的工業(yè)設備連接到以太網(wǎng)，需要根據(jù)不同的底層設備來編寫接口和應用層配置工具，這些工作的復雜性和任 務量會消耗大量的人力物力，大大增加生產(chǎn)成本。

　　除此之外，傳統(tǒng)工會也自動化也存在一定的延遲和控制問題、不能線路共享、傳輸速度無法超過 100MB/s 也極大的 影響了擴展性。在應用層面，由于各使用的硬件與軟件也是相對獨立，互相之間也會影響交互的操作性，額外增加運 營與維護成本，也給工業(yè)環(huán)境帶來了一定的應用層面的不穩(wěn)定性，最終導致各層間難以實現(xiàn)系統(tǒng)集成和透明可視，對 整個價值鏈造成不利影響。

　　在工業(yè)控制方面，有許多應用場景對實時性、確定性、魯棒性要求很高，未來的工業(yè)通信領域?qū)蛑y(tǒng)一、融合、 確定以及低時延方向發(fā)展。企業(yè)本身始終具備著提升保持最大程度的靈活性、提升效率以及響應能力的需要，傳統(tǒng)制 造逐漸轉(zhuǎn)向柔性制造。在這類需求的驅(qū)動下，工業(yè)自動化以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展逐漸成為工業(yè)領域主流趨勢， 不斷驅(qū)動著各個層級的工業(yè)通信網(wǎng)絡走向融合。我們認為，實現(xiàn)高階的柔性制造或自動化生產(chǎn)必然要求，未來的工業(yè) 場景中各個層級之間孤立的現(xiàn)狀將會被逐漸打破并走向融合統(tǒng)一。

　　基于以太網(wǎng)的 TSN 技術不僅能夠滿足上述要求，并且為工業(yè)以太網(wǎng)連接到數(shù)據(jù)中心提供了解決方案。TSN 能夠提供 高效率的實時決策信息，而且相較于現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)技術，TSN 是開放的標準，能夠使得設備易于升級，降低成本， 并且實現(xiàn)更好的兼容性。傳統(tǒng)的控制技術都是各廠家和設備提供商的專有技術，不同的控制系統(tǒng)之間可能無法實現(xiàn)兼 容，升級改造也很困難。TSN 憑借這一點在一定程度上解決了工業(yè)控制領域傳輸協(xié)議復雜的問題。，實現(xiàn)設備之間的 互聯(lián)互通，推動 IT 和 OT 網(wǎng)絡融合，當前已有多個成功應用案例。

　　2、車載：TSN為自動駕駛提供網(wǎng)絡時效性以及安全性保障

　　（1）傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡架構能實現(xiàn)的功能有限。汽車智能化大勢所趨，網(wǎng)絡架構升級已迫在眉睫。近年來隨著信息技術的不斷進步和發(fā)展，智能交通、車聯(lián)網(wǎng)、自動 駕駛等先進技術逐漸映入人們眼簾。汽車中的車載電子系統(tǒng)的作用越來越重要。例如現(xiàn)在廣受關注的ＡＤＡＳ系統(tǒng)需 要進行大量的數(shù)據(jù)傳輸和處理。

　　ADAS 系統(tǒng)通過各種各樣安裝在汽車上的傳感器，不斷分析車內(nèi)外的駕駛環(huán)境，在汽 車行駛時收集數(shù)據(jù)并對其進行分析，從而實現(xiàn)車輛的緊急制動，避免駕駛中發(fā)生意外碰撞、偏離車道等情況，也能夠?qū)崿F(xiàn)輔助倒車、自適應巡航和駕駛員疲勞探測等功能。這些功能對車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量有著嚴格的要求。在傳統(tǒng) 網(wǎng)絡架構中，車內(nèi)ECU透過內(nèi)聯(lián)網(wǎng)及中央網(wǎng)關連接來在不同子網(wǎng)間傳輸數(shù)據(jù)，雖然也具有ECU以及中央網(wǎng)關等部件， 但功能較單一，主要作為信息傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通道，并未設計成適合數(shù)據(jù)處理的結(jié)構。

　　傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡技術有 CAN 總線、LIN、FlexRay、MOST 等。CAN 總線主要用于汽車的剎車、引擎和懸掛等系統(tǒng)； LIN 用于燈光、車門和遙控等系統(tǒng)；FlexRay 主要負責引擎控制、ABS、懸掛等；而 MOST 是車載多媒體的首選協(xié)議。 隨著汽車電子的發(fā)展，這些車載網(wǎng)絡所存在的不兼容、帶寬小、高延遲和抖動等缺點逐漸突顯。

　　（2）汽車智能化時代開啟，引入車載 TSN 已成剛需。汽車朝著自動駕駛的方向發(fā)展，大量精密的傳感器被融合進系統(tǒng)之中，產(chǎn)生了新應用場景 如 GPS 坐標和當前道路狀 況及發(fā)動機的控制器進行信息交互、大燈的亮度可隨周圍環(huán)境的變化而變化以節(jié)約能源等。日益增加的高帶寬、低時 延、可跨域通信和安全性的網(wǎng)絡需求使得傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡架構已難以滿足汽車智能化時代的網(wǎng)絡需求，主要體現(xiàn)在： 1）數(shù)據(jù)傳輸量的急劇上升。隨著新興的車載需求不斷提升尤其是自動駕駛技術的不斷進步，車載數(shù)據(jù)傳輸量將 會出現(xiàn)指數(shù)級上升。據(jù)北匯信息估算，一輛自動駕駛的汽車每小時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量有望高達 4TB，傳統(tǒng)汽車網(wǎng) 絡架構已經(jīng)難以滿足自動駕駛時代汽車的數(shù)據(jù)傳輸需求。

　　2）時效性要求的提高以及時間同步需求的上升。自動駕駛系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)由簡單的傳輸已經(jīng)升級成為需要實時高效的處理，這對車載網(wǎng)絡架構提出了新的要求。除此之外，為保證數(shù)據(jù)處理的準確性，自動駕駛對于數(shù)據(jù)之間的時間同步也有較高要求，傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡無法滿足此類需求。3）高度自動駕駛下的安全性保障。自動駕駛系統(tǒng)對于網(wǎng)絡堵塞、延遲等容忍度極低（一旦出現(xiàn)問題對于乘客來說大概率是致命性后果），因此從安全性的角度出發(fā)，設置充足的冗余網(wǎng)絡也是汽車智能化時代中自動駕駛的必要要求。傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡對時延不保證，也不具備設置冗余的結(jié)構。4）網(wǎng)絡安全保障。由于新一代智能汽車與互聯(lián)網(wǎng)將會產(chǎn)生連接，因此必須考慮在網(wǎng)絡攻擊以及單點功能失效造成的流量過載等因素對于汽車行駛安全的威脅。

　　我們認為 TSN 將會是上述問題的最佳解決方案。智能駕駛領域的發(fā)展不斷引領車載網(wǎng)絡架構不斷發(fā)生變革，當前整 車廠的設計方案通常傾向于將車輛按照不同的功能劃分不同的域，整合域中部分功能相近 ECU 的功能在域控制器下 來管理，形成 Domain Architecture，例如：ADAS、車載娛樂、車身控制、動力傳動等域，而 TSN 網(wǎng)絡則是對這種 設計架構提供了有力保障，設想其將具備高速 IP 網(wǎng)絡連接、智能自動駕駛員輔助/制動系統(tǒng)、信息娛樂門戶、簡化的 內(nèi)部線束及更輕的總重量。

　　目前支持 TSN 的車載設備已經(jīng)開始逐步面市，例如 Marvell 公司所推出的 88Q5050 車載以太網(wǎng)交換芯片，是一款８ 端口、高安全性車載千兆以太網(wǎng)交換芯片，能夠?qū)斎攵丝诘?AVB 流進行監(jiān)管和限流。博通也推出了 BCM5316x 系 列交換芯片，主要的目標市場就是無人車、無人機、機器人和 L3 級別的無人駕駛。

　　三、TSN與其他新興技術的融合趨勢

　　1、5G與TSN

　　5G 賦能工業(yè)已成為大趨勢，是與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的重要技術手段之一。3GPP 5G 無線通信網(wǎng)絡技術也是工業(yè)互 聯(lián)網(wǎng)的重要連接技術之一。5G 的三大典型應用場景包括增強移動寬帶、大規(guī)模機器類通信以及超高可靠低時延通信。 5G 可滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同類型業(yè)務的通信需求。5G 通信具備不需要布線、部署靈活以及移動性支持等優(yōu)勢，在自動 巡檢、機器人等工業(yè)領域有著廣泛應用前景。 5G 與 TSN 融合為工業(yè)設備無線接入 TSN 網(wǎng)絡的適配提供解決方案，在保證可靠性和傳輸延遲的基礎上，很好地適 應工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復雜多變的情況。5G TSN 典型的應用場景包括場內(nèi)產(chǎn)線設備控制、機器人控制、AGV 控制、5G 可 編程邏輯控制器（PLC）。

　　場內(nèi)產(chǎn)線設備控制：面向數(shù)控機床、立體倉庫、制造流水線，基于 5G TSN 打通產(chǎn)線設備和集中控制中心的數(shù)據(jù) 鏈路，實現(xiàn)工業(yè)制造產(chǎn)線的遠程、集中控制，以更好地提升生產(chǎn)效率。 機器人控制：在工業(yè)自動化產(chǎn)線，利用 5G TSN 低時延特性，結(jié)合傳感器技術，實現(xiàn)機器人和機械臂的環(huán)境感知、 姿態(tài)控制、遠程操作、自動控制等功能，滿足智能生產(chǎn)需求。AGV 控制：在生產(chǎn)車間及園區(qū)中，通過視覺、雷達、無線等多種技術進行融合定位和障礙物判斷，經(jīng)低時延 5G 網(wǎng)絡上傳位置和運動信息，實現(xiàn) AGV 的自動避障和相互協(xié)同工作，提升產(chǎn)線自動化水平。 5G PLC：在生產(chǎn)過程中，利用 5G 網(wǎng)絡實現(xiàn) PLC 之間、PLC 與廠內(nèi)系統(tǒng)間的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，在保證數(shù)據(jù)安全和 實時性的同時，減少車間內(nèi)布線成本，快速實現(xiàn)產(chǎn)線產(chǎn)能匹配，助力柔性制造。

　　2、TSN與SDN（軟件定義網(wǎng)絡）技術

　　工業(yè)異構網(wǎng)絡逐漸復雜，SDN 技術助力簡歷綜合管控平臺進行集中管理。工業(yè)現(xiàn)場逐漸走向以網(wǎng)絡為中心的布局， 導致工業(yè)異構網(wǎng)絡現(xiàn)場趨于復雜化，SDN 技術將數(shù)據(jù)平面和控制平面分離，并通過集中控制方式滿足定制化的工業(yè) 業(yè)務需求，加快部署時間、提高網(wǎng)絡資源利用率，同時穩(wěn)定硬件投入成本增長速度?；?SDN 的工業(yè)異構網(wǎng)絡架構在數(shù)據(jù)交換層的交換機可為時間敏感型應用支持 TSN。SDN 控制器對根據(jù)操作能力 以及操作時間封裝后的數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)一的集中管理，SDN 的工業(yè)異構網(wǎng)絡架構將不同應用的服務質(zhì)量（QoS）映射 到 SDN 網(wǎng)絡基礎設施上，從而形成支持 TSN 分時操作的工業(yè) SDN 統(tǒng)一管控架構。

　　3、TSN與 OPC UA

　　OPC UA over TSN 是目前工業(yè)界的普遍共識。OPC UA 主要解決語義互操作、垂直行業(yè)信息模型、上層傳輸如 C/S 結(jié)構、Pub/Sub 結(jié)構的傳輸，以及信息安全的機制，TSN 則提供實時性保障以及統(tǒng)一的底層網(wǎng)絡支撐，兩者共同構 成整個工業(yè) RAMI4.0/IIC 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信框架。在此之上，OPC UA 在機器學習、數(shù)字孿生與底層物理系統(tǒng)交互中 也將扮演重要角色，因此，OPC UA over TSN 是未來整個工業(yè)通信網(wǎng)絡發(fā)展的一個重要趨勢。

　　四、TSN產(chǎn)業(yè)投資機會逐漸出現(xiàn)

　　我國一直重視 TSN 的技術研究和產(chǎn)業(yè)落地。2017 年國務院發(fā)布《國務院關于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè) 互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》，指出要夯實網(wǎng)絡基礎，計劃到 2025 年，工業(yè)無線、TSN、IPv6 等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡技術在規(guī)模 以上工業(yè)企業(yè)中廣泛部署；加大關鍵共性技術攻關力度，開展時間敏感網(wǎng)絡等新型網(wǎng)絡互聯(lián)技術研究。2020 年 8 月， 工業(yè)和信息化部發(fā)布《關于推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加快發(fā)展的通知》，提出增強關鍵技術產(chǎn)品供給能力，鼓勵相關單位在時 間敏感網(wǎng)絡等領域加快技術攻關，加快部署應用。

　　TSN 技術已經(jīng)逐步趨于成熟，終端用戶已開始研究 TSN 解決方案。由于 TSN 具有的特性非常契合當前工業(yè)、車載 等下游領域的痛點，眾多工業(yè)自動化以及汽車領域企業(yè)已經(jīng)開始研究和應用 TSN 的解決方案，科研機構、標準化機 構和測試廠商也已經(jīng)初步確立確立了“技術-標準-檢測”產(chǎn)業(yè)技術路徑。當前包括英特爾、博通、德州儀器（TI）在 內(nèi)的主流芯片提供商的 TSN 芯片都已經(jīng)上市銷售；以華為、新華三、思科、摩莎為代表的通信設備廠商也已有相關 樣機面世，相關產(chǎn)品也計劃于 2020 年正式上市銷售；工業(yè)廠商方面，CC-Link 支持 TSN 的系列產(chǎn)品已經(jīng)于 2019 年 上市發(fā)售，Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP 等工業(yè)以太網(wǎng)也積極尋求與 TSN 兼容的技術方案。在 2018 年、2019 年的紐倫堡和漢諾威工業(yè)博覽會上，時間敏感網(wǎng)絡技術已經(jīng)連續(xù)兩年成為產(chǎn)業(yè)界關注的焦點。

　　1、TSN芯片：外資為主，國內(nèi)東土科技已有突破

　　世界半導體大廠已經(jīng)積極投入到了 TSN 芯片的研發(fā)中，國內(nèi)公司也有所進展。恩智浦（NXP）在 LS1028A 工業(yè)應 用處理器內(nèi)置了 TSN 轉(zhuǎn)換器和 TSN 終端模塊，同時也具備 TSN 交換芯片產(chǎn)品。亞德諾半導體推出了專用 TSN 交換 芯片。德州儀器（TI）公司的 Sitara 處理器、瑞薩電子 RZ/N1D 處理器都內(nèi)置了 TSN 支持。賽靈思（Xilinx）等 FPGA 廠商，也提出了基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的 TSNIP 核心解決方案。在國產(chǎn)方面，東土科技推出了中國首款 TSN 時間敏感網(wǎng)絡芯片并獲準商用，在未來有望打破 TSN 芯片領域歐美壟斷的市場格局。

　　五、重點企業(yè)分析

　　1、三旺通信

　　高度重視科技研發(fā)創(chuàng)新投入，TSN 等新技術布局成效顯現(xiàn)。三旺通信高度重視科研，積極布局工業(yè)無線、TSN 等新 技術。以 TSN 技術為例，TSN 技術不僅會使交換機溢價 20%-25%，且會帶來其他相關工業(yè)通信產(chǎn)品的更新升級空 間。全球 TSN 市場預計將從 2021 年的 1.34 億美元增長到 2026 年的 11.88 億美元，CAGR 高達 54.7%。目前公司 TSN 產(chǎn)品已在煤炭、軌道交通等領域?qū)崿F(xiàn)了早期合作，積累先發(fā)優(yōu)勢，有望在 TSN 推動的設備更新?lián)Q代潮中收益。 2021 年公司完成 TSN 與 Hass 平臺開發(fā)，預計從今年開始陸陸續(xù)續(xù)有訂單落地。TSN 為工業(yè)組網(wǎng)與汽車車身局域網(wǎng) 的主流技術方向，第三方預測未來增長 50%，目前各大工控廠商系數(shù)入局，汽車廠商逐步入局。Hass 平臺為公司業(yè) 務模式的重大突破，會從產(chǎn)品型過度到解決方案型，單體價值量可擴大 10 倍。今年預計在工業(yè)領域會率先突破，后 續(xù)可關注公司業(yè)務進展。

　　2、東土科技

　　發(fā)布我國首款 TSN 芯片，引領 TSN 國產(chǎn)化進程。TSN 未來在工業(yè)、汽車等領域應用趨勢明顯，世界半導體大廠已 經(jīng)積極投入到了 TSN 芯片的研發(fā)中，恩智浦（NXP）、亞德諾半導體等世界半導體大廠都推出了自身的 TSN 芯片解 決方案。在國產(chǎn)方面，東土科技推出了中國首款 TSN 時間敏感網(wǎng)絡芯片并獲準商用，在未來有望打破 TSN 芯片領域 歐美壟斷的市場格局，對于我國的 TSN 國產(chǎn)化具有重要意義。