學號：19011210553
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嵌牛導讀：時間敏感網絡的目標就是實現同壹個網絡中實時性關鍵數據流與普通數據流有良好兼容性的***同傳輸。要實現這兩種業務的融合就是要求時間敏感網絡中設備對時間表有著精準的把控，實現實時性關鍵業務所要求的低時延低抖動。此外，如果能將各類設備錯綜復雜的業務流在同壹網絡上進行傳輸，這便意味著專用網絡連線的減少，簡化系統設備的部署流程，同時又能減少系統設備的體積與花銷。
嵌牛鼻子：時間敏感網絡 ? TSN 確定性傳輸
嵌牛提問：近些年來被提出的時間敏感網絡相關問題
嵌牛正文：
壹． 問題提出
傳統的以太網通常采用的轉發模式是“Best Effort”（盡力而為），但是這種轉發方式往往缺乏確定性。當數據包到達發送端口後並準備發送時，發送端按照先入先出的原則進行轉發，但是當某個發送端口同時有多個數據要進行發送的時候，這些數據就要進行排隊，排隊等待時長由隊列長度，數據發送速度等多個因素決定。如果網絡中流量過大，便會出現擁塞或者丟包等情況，排隊等待時間也會變得無法預測，確定性也就無法保證，這就會引起流量調度，時間同步，流量監控，容錯機制標準化等問題。
在帶寬足夠的情況下，這種盡力而為的以太網可以適應於目前大多數的情況，但在某些應用領域這種不確定性是不可容忍的，例如遠程醫療或者網絡輔助的自動駕駛。在這些安全或者生命攸關(Security or Life Critical)的網絡應用中，某次信息的傳輸不確定性可能會帶來無法挽回的後果。
這時，建立可靠的傳送機制就成了擺在技術人員面前的首要問題。
為了保證某些較為重要的受控物理系統的確定性行為，需要實時網絡具有確定且較低的網絡延遲和延遲變化（抖動）。傳統上，現場總線已經用於此目的，但由於總線的設計，花銷，體積，重量等多種因素，時間敏感網絡開始被提出。
時間敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）基於標準以太網。在標準以太網上的通信流量（如音視頻流）可以與具有高優先級確定性信息流(如運動控制)等***享物理網絡。不同的服務對時延的要求不壹樣，尤其是在那些需要確定傳輸的下行服務領域，對時延和抖動要求尤為敏感。
時間敏感網絡的目標就是實現同壹個網絡中實時性關鍵數據流與普通數據流有良好兼容性的***同傳輸。要實現這兩種業務的融合就是要求時間敏感網絡中設備對時間表有著精準的把控，實現實時性關鍵業務所要求的低時延低抖動。此外，如果能將各類設備錯綜復雜的業務流在同壹網絡上進行傳輸，這便意味著專用網絡連線的減少，簡化系統設備的部署流程，同時又能減少系統設備的體積與花銷。
TSN並非涵蓋整個網絡，而僅僅是對MAC層的定義，對數據幀進行處理的過程。
二．內容歷史
AVB——以太網音視頻橋接技術（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任務組於2005開始制定的壹套基於新的以太網架構的用於實時音視頻的傳輸協議集。它有效地解決了數據在以太網傳輸中的時序性、低延時和流量整形問題。同時又保持了100%向後兼容傳統以太網，是極具發展潛力的下壹代網絡音視頻實時傳輸技術。其中包括：
1. 802.1AS：精準時間同步協議（Precision Time Protocol，簡稱PTP）
2. 802.1Qat：流預留協議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP）
3. 802.1Qav：排隊及轉發協議（Queuing and Forwarding Protocol，簡稱Qav）
4. 802.1BA：音視頻橋接系統（Audio Video Bridging Systems）
5. 1722：音視頻橋接傳輸協議（Audio/Video Bridging Transport Protocol，簡稱AVBTP）
6. 1733：實時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，簡稱RTP)
7. 1722.1：負責設備搜尋、列舉、連接管理、以及基於1722的設備之間的相互控制。
AVB不僅可以傳輸音頻也可以傳輸視頻。用於音頻傳輸時，在1G的網絡中，AVB會自動通過帶寬預留協議將其中750M的帶寬用來傳輸雙向420通道高質量、無壓縮的專業音頻。而剩下的250M帶寬仍然可以傳輸壹些非實時網絡數據。用於視頻傳輸時，可以根據具體應用調節預留帶寬。比如：750M帶寬可以輕松傳輸高清full HD視覺無損的視頻信號。並且可以在AVB網絡中任意路由。
IEEE 802.1任務組在2012年11月的時候正式將AVB更名為TSN – Time Sensitive Network時間敏感網絡。也就是說，AVB只是TSN中的壹個應用。
第壹個應用就是我們的專業音視頻(Pro AV)。在這個應用領域裏強調的是主時鐘頻率。也就是說，所有的音視頻網絡節點都必須遵循時間同步機制。
第二個應用是在汽車控制領域。目前大多數的汽車控制系統非常復雜。比如說：剎車、引擎、懸掛等采用CAN總線。而燈光、車門、遙控等采用LIN系統。娛樂系統更是五花八門，有FlexRay和MOST等目前的車載網絡。實際上，所有上述系統都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統壹管理。可以降低給汽車和專業的A/V設備增加網絡功能的成本及復雜性。
第三個應用是商用電子領域。比如說，妳坐在家中，可以通過無線WIFI連接到任何家中的電子設備上，實時瀏覽任何音視頻資料。
最後壹個應用也是未來最廣泛的應用。所有需要實時監控或是實時反饋的工業領域都需要TSN網絡。比如：機器人工業、深海石油鉆井以及銀行業等等。TSN還可以用於支持大數據的服務器之間的數據傳輸。全球的工業已經入了物聯網(Internet of Things，IoT)的時代，毫無疑問TSN是改善物聯網的互聯效率的最佳途徑。
三. 研究現狀與熱點
TSN正在關鍵的小型封閉式汽車和工業網絡中得到廣泛采用，以建立可靠的ULL端到端連接。然而，關鍵的TSN限制恰恰是關註於封閉網絡，例如車載網絡和小規模機器人網絡。在機器人和車載網絡中運行的網絡應用程序通常涉及與外部非TSN網絡的顯著交互。機器人和車載網絡應用程序需要通過外部網絡與移動性處理程序緊密集成。如果外部網絡中沒有適當支持高級網絡功能（如移動性），那麽TSN的好處基本上僅限於小型封閉網絡。因此，TSN和不同外部網絡之間的平滑互操作性對於異構網絡場景中的TSN操作是必不可少的。理想情況下，TSN和非TSN網絡之間的連接應該能夠適應與TSN類似的特性，以確保異構部署中的整體端到端連接要求。
V2X通信：Lee和Park提出了iTSN，這是壹種將大型TSN網絡互連用於大規模應用的新方法。 iTSN方法利用諸如IEEE 802.11p的無線協議用於不同TSN網絡之間的互聯網。特別地，跨互連網絡***享全球定時和同步信息對於建立公***定時平臺以支持外部網絡中的TSN特性是重要的。 因此，iTSN方法使得例如車載網絡能夠將安全關鍵信息發送到控制節點，例如路側單元（RSU），在異構部署中具有微秒級的延遲。通過采用這種可靠的互連技術，可以在比當前可行的毫秒範圍短得多的（微秒）時間跨度內實現車輛制動安全距離。總的來說，TSN和互連技術（如iTSN）可以為安全的自動駕駛系統創建壹個通信平臺。
網絡建模：盡管TSN標準在汽車駕駛網絡中得到了很大的重視，但網絡部署的壹個主要挑戰是如何管理網絡的復雜性。汽車行業隨著技術的進步，對現有的車載網絡基礎設施提出了更多的要求。隨著車載網絡中傳感器數量的增加，日益增加的連接 在網絡規劃中，應相應地滿足傳感器相互之間的連接和帶寬要求。然而，車載控制系統網絡需求的動態變化可能需要更廣泛的網絡基礎設施，從而導致更高的支出。
硬件和軟件設計：支持TSN功能的硬件和軟件組件設計，例如TSN節點中的調度，搶占和時間觸發事件生成，需要大量的工程和開發工作。硬件實現在計算資源利用率和執行延遲方面非常高效，但導致難以適應新應用程序要求的嚴格架構。 另壹方面，軟件實現可以靈活地適應新的應用程序要求，但由於網絡功能的軟件化，例如時間觸發的調度和硬件虛擬化，可能使CPU過載。
總結和吸取的經驗教訓：迄今為止，大多數關於TSN的研究都集中在獨立且與外部網絡隔離的車載網絡上。 TSN研究領域的另壹個限制是缺乏包含大規模異構網絡架構的仿真框架。應在基準評估中創建並考慮包括本地和外部網絡交互（例如汽車駕駛）的有效用例。目前，大多數TSN研究中的壹般用例是支持車載傳感器連接和用於信息娛樂的音頻/視頻傳輸的車載網絡。未來的定制TSN仿真框架應基於支持具有本地化和外部網絡交互的下壹代應用的網絡，例如汽車駕駛。類似地，基於SDN的TSN管理可以利用分層控制器設計來將管理從諸如車輛網絡之類的本地化網絡擴展到諸如車輛到任何（vehicle-to-any （V2X））網絡之類的外部網絡。
四． 下壹步研究趨勢
TSN網絡基礎設施和協議必須支持有限的端到端延遲和可靠性，以支持與物聯網，醫藥，汽車駕駛和智能家居中的關鍵應用相關的基本功能。用於滿足這些應用要求的基於TSN的解決方案導致支持各種協議的復雜網絡基礎設施。因此，簡化的TSN網絡管理機制對於降低復雜性同時滿足ULL應用的關鍵需求至關重要。
因此，多個TSN網絡之間的可靠，安全和低延遲通信對於支持廣泛的未來應用至關重要。 缺乏與外部TSN和非TSN網絡連接和通信的TSN標準阻礙了互操作網絡中的研究活動，需要緊急解決。總之，我們確定了TSN研究的以下主要未來設計要求：
① 支持從時間敏感到具有流量調度功能的延遲容忍應用程序的各種應用程序。
② 多個封閉TSN架構之間的連接。
③ 靈活和動態的優先級分配，以確保較低優先級流量的有限端到端延遲。
④ 采用SDN以全球網絡視角集中管理TSN功能。
⑤ 通過自我估計和本地時鐘偏差校正來實現高效的定時信息***享和精確的時鐘設計。
⑥ 計算有效的硬件和軟件設計。
1. TSN中低優先級數據的傳輸
TSN節點搶占正在進行的低優先級幀傳輸，用於發送進入的高優先級幀以保證高優先級幀的絕對最小TSN節點傳輸延遲。根據高優先級流量的強度，可以多次搶占低優先級幀。結果，由於搶占事件直接取決於高優先級業務強度，因此不能保證低優先級業務的端到端延遲特性。如果高優先級業務強度明顯高於低優先級業務強度，則可以大大增加低優先級業務的端到端延遲。通常，低優先級流量承載延遲敏感數據，這不如高優先級流量數據重要，但仍應在最壞情況下的deadline內傳送。在當前的技術水平中，沒有研究機制或標準來確保搶占下的低優先級業務的最壞情況端到端延遲。
因此，未來的研究需要開發新的機制，以確保TSN網絡中低優先級流量的有界最壞情況延遲.
2. 無線TSN的發展
為了將工業設備（工業傳感器/執行器）以無線方式連接到TSN網絡，5G是非常合適的解決方案。與4G相比，5G的新功能，尤其是無線接入網絡（RAN），提供了更好的可靠性和傳輸延遲。而且，新的5G系統架構允許被靈活地部署。因此，5G可以實現不受電纜安裝限制的TSN網絡。