跟着信息技能（informationtechnology,IT）与运营技能（operation technology,OT）的不断交融，关于一致网络架构的需求变得火急。智能制作、工业物联网、大数据的开展，都使得这一交融变得更为急迫。而IT与OT关于通讯的不同需求也导致了在很长一段时刻，交融这两个范畴呈现了很大的妨碍：互联网与信息化范畴的数据需求更大的带宽，而关于工业而言，实时性与确认性则是问题的要害。这些数据一般无法在同一网络中传输。因此，寻觅一个一致的处理方案已成为工业交融的必定需求。
）是现在世界工业界正在活跃推动的全新工业通讯技能。时刻灵敏型网络答应周期性与非周期性数据在同一网络中传输，使得规范以太网具有确认性传输的优势，并经过厂商独立的规范化进程，已成为广泛集合的要害技能。现在，IEEE、IEC等安排均在拟定依据
1.1总线年代，跟着可编程逻辑操控器（programmable logic controller，PLC）的发生，为了分布式操控所需的总线也诞生。至今，总线年，各始创公司开发了多种总线，其在介质、信号电平、校验办法、物理接口、波特率等多个方针方面都有不同。20世纪90年代，跟着竞赛的加重，各公司在IEC争夺主导地位，发生了“总线之争”。IEC因此发生了多达18个总线规范，对拜访构成很大妨碍。
进入21世纪，跟着规范以太网本钱的下降，总线开端进入依据以太网的实时网络年代。2001年，贝加莱推出了工业运用的Ethernet POWERLINK；2003年，在Profibus根底上，Siemens开发了PROFINET，Rockwell、 ABB开发了依据DeviceNet运用层协议的Ethernet/IP，Beckhoff开发了EtherCAT，Rexroth开发了依据SERCOS的SERCOSIII。这些网络均选用了规范以太网介质，即在物理层和数据链路层一致了规范，而在运用层依然坚持原有的运用层，旨在维护用户的软件财物投入。
2014年今后，跟着工业4.0的提出，工业物联网、智能制作的需求逐步变得火急，关于衔接的需求发生了改变。传统的以太网一般不支撑交流机网络（考虑到延时，一般选用HUB的透传办法），其轮询机制（如Profinet、POWERLINK、Ethernet/IP）或集束帧技能（如EtherCAT、SERCOSIII）使得规范以太网和实时以太网无法在同一网络中进行数据的传输。可是，关于边际核算、工业物联网、智能制作的大局优化而言，制作现场操控所需的实时性数据和出产办理与优化层所需的非实时性数据要经过一致网络进行会集，在一致的数据渠道进行数据处理与剖析，并能够下发到各个操控器履行；而一些大局优化的作业并不需求经过层级的操控器，而是期望直接到边际侧或许云端。这使得同一网络的需求变得火急。别的，关于制作业的终端用户而言，出产体系往往由来自不同企业的设备与体系构成，有必要有一致的网络与协议规范。因此，独立于厂商的总线在智能年代变得更为必要。
TSN本身并非是一项全新的技能。IEEE于2002年发布了IEEE 1588[3]精确时钟同步协议。2005年，IEEE 802.1树立了IEEE 802.1AVB作业组，开端拟定依据以太网架构的音频/视频传输协议集，用于处理数据在以太网中的实时性、低延时以及流量整形的规范，一起又确保与以太网的兼容性。AVB引起了汽车工业、工业范畴的技能安排及企业的重视。其树立了TSN作业组，从而开发了时钟同步、流量调度、网络装备系列规范集。在这个进程中，由AVnu、IIC、OPC UA基金会等安排一起活跃推动TSN技能的规范。工业范畴的企业（包含B&R、TTTech、SEW、Schneider等）着手为工业范畴的严厉时刻使命拟定整形器，树立了整形器作业组，并于2016年9月在维也纳召开了第一次整形器作业组会议。然后，有更多的企业和安排（包含德国工业4.0安排LNI、美国工业互联网安排IIC、我国的边际核算工业联盟ECC、工业互联网工业联盟AII等）参加TSN技能的研讨，并构建了多个测验床。2019年，IEC与IEEE协作树立IEC 60802作业组，并在日本召开了第一次作业组会议，以便工业范畴的TSN开发能够完结底层的互操作。一起，在OPC UA基金会也树立了(field level communication,FLC)作业组，将TSN技能与OPC UA规范交融，以供给适用于智能制作、工业互联网范畴的高带宽、低延时、语义互操作的工业通讯架构。
图2扼要说明晰IEEE安排TSN相关规范的发布进程[4]。其间，IEEE802.1Qat[5]是前期的网络装备办法，而IEEE 802.1Qcc[6]则是其增强版，于2018年末发布。
TSN由一系列技能规范构成。其首要分为时钟同步、数据流调度战略（即整形器）以及TSN网络与用户装备三个部分相关规范。
依照网络架构，网络一般分为规范以太网、确认性以太网。TSN完结了混合网络的数据传输才能，满意规范以太网的分布式对等架构、确认性网络所选用的轮询/集束帧技能各自的存在的要求，并使得网络能够发挥各自的优势功用。TSN依据IEEE 802.1Q[7]的虚拟局域网（virtual local area network，VLAN）和优先级规范。IEEE802.1Q支撑服务质量(quality of service，QoS)。QoS是一种根底网络技能，用于为网络通讯供给更好的服务。它是一种网络安全机制，用于处理网络延时与拥塞的问题。开端的Internet并未规划QoS机制。为满意用户不同运用的服务质量需求，需求网络能够依据用户需求进行装备与资源调度。IEEE 802.1Q规范是一种包含了QoS机制的网络，能够供给网络功用的可预知性，并有用分配网络带宽，以便合理运用资源。
TSN是IEEE 802.1Q规范的VLAN。该规范在规范以太网帧中刺进4个字节用于界说其特征。TSN的标签位界说[8]如图3所示。
①标签协议辨认:网络类型辨认，代表这是一个TSN网络，符号0X8100。
②优先级代码（prioritycode point，PCP）由3位代码构成。
③丢掉标志位：关于网络低QoS要求的数据，能够丢掉，以确保高优先级数据的QoS。
④VLANIdentifier（VID）：VLAN网络的辨认号，12位标明可支撑的子网数量，2的12次方即4 096，VID＝0 用于辨认帧优先级,4 095(FFF)作为预留值。所以，VID最多能够标明4 094个子网。这标明TSN是为了大型的数据传输而规划的。
TSN有一个服务等级(class of service,CoS)的概念。对TSN网络而言，不同优先级的服务对应图3中的PCP码。3位PCP码界说了0（最低）～7(最高）这8个优先级，传输类型别离对应
根底、最大尽力、杰出尽力、苛刻运用、延时和颤动小于100 ms的视频、延时和颤动小于10 ms的音频、内部网络操控、网络操控。其会对网络场景进行不同的匹配，是后续调度、装备规划中会考虑到的数据流调度要素。
TSN在IEEE 802.1Q仅指ISO/OSI参阅模型的第二层数据链路层的规范。TSN在七层架构中的方位[9]如图4所示。
关于通讯、工业操控等范畴而言，一切的使命都是依据时刻基准的。因此，精确时钟同步是根底的规范。TSN首先要处理网络中的时钟同步与延时核算问题，以确保整个网络的使命调度具有高度一致性。
TSN规范由IEEE 802.1AS[10]和为工业所开发的升级版IEEE 802.1AS-rev[11]构成。
IEEE 802.1AS是依据IEEE 1588 V2精确时钟同步协议开展的，称为gPTP-广义时钟同步协议。gPTP是一个分布式主从结构，它对一切gPTP网络中的时钟与主时钟进行同步。首先由最佳主时钟算法（best clock master algrothms，BCMA）树立主次联系，别离称为主时钟（clock master,CM）和从时钟(clock slave,CS)。每个gPTP节点会运转一个gPTP Engine。IEEE1588所选用的PTP是由网络的L3和L4层的IP网络传输，经过IPv4或IPv6的多播或单播进行分发时钟信息。而gPTP则是嵌入在MAC层硬件中，只在L2作业，直接对数据帧刺进时刻信息，并跟着数据帧传输到网络每个节点。
gPTP运用快速生成树协议（papid spanning tree protocol，RSTP）。这是一种网络中的节点途径规划，网络装备后生成一个最优途径。其由TSN桥接节点核算并以表格办法分发给每个终端节点存储。当一个TSN节点要发送数据时，它会先查看这个表格，核算最短途径，整个网络以最短途径传送至需求接纳的节点。IEEE 802.1AS的时钟结构[2]如图5所示。
图5中，最左下方的802.1AS端点从上游CM接纳时刻信息。该时刻信息包含从GM到上游CM的累计时刻。关于全双工以太网LAN，核算本地CS和直接CM对等体之间的途径延时丈量并用于校对接纳时刻。在调整（校对）接纳时刻后，本地时钟应与gPTP域的GM时钟同步。SN网络也支撑穿插通讯，每个节点都会有RSTP所给出的途径表。
802.1AS的中心在于时刻戳机制（Timestamping）。PTP音讯在进出具有802.1AS功用的端口时，会依据协议触发对本地实时时钟（real time clock,RTC）采样，并将自己的RTC值与来自该端口相对应的CM信息进行比较；运用途径延时测算和补偿技能，将RTC时钟值匹配到PTP域的时刻。当PTP同步机制掩盖整个AVB局域网，各网络节点设备间就能够经过周期性的PTP音讯的交流,精确地完结时钟调整和频率匹配算法。终究，一切的PTP节点都将同步到相同的“挂钟”（Wall Clock）时刻，即主节点时刻。在最大7跳的网络环境中，理论上PTP能够确保时钟同步差错在1 μs以内。
IEEE 802.1AS-rev则是一种多主时钟体系，首要优势是支撑新的衔接类型（如WiFi）、改进冗余途径的支撑才能、增强了时刻感知网络的主时钟切换时刻等功用。当有一个GrandMaster宕机时，其可确保快速切换到一个新的主时钟，以便完结高可用性体系。关于车载体系而言，选用IEEE 802.1AS即可；而关于工业范畴则考虑高可用性，选用AS-Rev版别。
关于网络时钟而言，其时钟同步精度首要取决于驻留时刻（residence time）和链路延时（link latency）。
在gPTP中，时刻同步的进程与IEEEStd 1588-2008选用相同的办法：主时钟发送同步时刻信息给一切直接与其衔接的时刻感知体系。这些时刻感知体系在收到这个同步时刻信息后有必要经过加上信息从主时钟传到达本节点的传输时刻来批改同步时刻信息。假如这个时刻感知体系是一个时刻感知网桥，则它有必要向与它衔接的其他时刻感知体系转发批改后的同步时刻信息（包含额定的转发进程的延时）。
为了确保上述进程正常作业，整个进程中有两个时刻距离有必要精确已知：①转发延时（驻留时刻）；②同步时刻信息在两个时刻感知体系之间的传输途径的延时。驻留时刻是在时刻感知网桥内部丈量的，比较简单；而传输途径上的延时则取决于许多要素，包含介质相关特点和途径长度等。
关于每一类型的局域网或传输途径，有不同的办法来丈量传达时刻。但这些办法都依据同一原理：丈量从一个设备发送某个音讯的时刻以及另一个设备接纳到此音讯的时刻，然后以相反方向发送另一个音讯，并履行相同的丈量。
Fig.7Schematic diagram of network delay measurement
由图7可知，网络的延时丈量有1步法和2步法两种。因为在这个网络中可能有一个节点无法供给精确的时钟。关于时刻感知型节点而言，因为时刻信息是跟着数据载荷发送的，因此每个节点都会带有时刻信息。而关于有一些非时刻感知网络，则需求在发送数据帧后再向另一个节点发送一个发送的时刻信息。因此，IEEE 802.1AS-Rev增强了对1步法的支撑，使得实时性得以进步。
关于TSN而言，其数据调度机制是要害。TSN中数据的传输进程[15]如图8所示。网络数据经过接纳端口，进行帧滤波、流量计量、帧排队。在传输挑选部分,TSN的调度机制将发挥效果。IEEE 802.1Q作业组界说了不同的整形器(Shaper)机制来完结这些调度。它是一种传输挑选算法（transmission selection algorithm，TSA）。每种算法对应一种调度机制，适用于不同的运用场景。
从图8能够看到，网络存在滤波数据库、传输端口状况监测、行列办理。这些都用于处理网络资源分配与调度问题。而IEEE 802.1Qat所选用的流预留协议（stream reservation protocol，SRP）机制是一个对TSN进行装备的规范。其在2010年SRP规范化成为IEEE802.1Qat，并入IEEE 802.1Q-2011规范中。SRP界说了OSI模型第2层的流概念。
SRP的作业在于树立AVB域、注册流途径、拟定AVB转发规矩、核算延时最差状况、为AVB流分配带宽。SRP在于让网络中的发言者（Talker）用适宜的网络资源将数据发送给听者（Listener）,并在网络中传达这些信息。而在终端节点之间的网桥则维护一个发言者对一个或多个听者注册的相同数据流的途径带宽等资源的需求记载。SRP是在原有IEEE 802.1Qak-MRP多注册协议之上的一个完结。SRP规范则供给了一个新的多协议注册协议（multiple multicast registration protocol，MMRP）来办理相关流带宽服务的特点，MSRP、MVRP、MMRP供给了整个SRP协议的网络信号处理进程。关于SRP机制，能够参阅AVnu的SRP文档[16]。
关于TSN而言，数据流的办理规范由一系列首要办法构成。通用网络一般遵从严厉优先级的办法，而TSN则为这种缺少传输确认性的机制引入了新的网络调度、整形办法，并依据不同的运用场景需求提出了多种不同的整形器（Shaper）。这也是整个TSN的中心调度机制。
IEEE 802.1Qav界说了时刻灵敏流转发与排队（forwarding and queuing for time-sensitive streams，FQTSS）的数据灵敏性转发机制，并成为了IEEE 802.1Q的规范。作为一个首要关于传统以太网排队转发机制的增强规范，开端它的开发首要用于约束A/V信息缓冲。增强的突发多媒体数据流会导致较大的缓冲拥堵，并发生丢包。丢包会发生从头发包，使得服务体会下降。它选用了依据信誉的整形器（credit-based shaper,CBS），以应对数据突发和集合，可约束迸发的信息。
CBS将行列分为Class A（Tight delay bound）和Class B(Loose delay bound)。假如没有数据传输，行列的信誉设置为0，A行列的信誉非负时能够传输。假如有数据传输，其信誉将依照SendSlope下降，而另一个行列则IdelSlope速度上升，idleSlope是实践带宽（bit/s），而SendSlope是端口传输率，由MAC服务支撑。
CBS操控每个行列最大数据流不超越装备的带宽约束（75%最大带宽）。CBS和SRP交融，能够供给250 μs/桥的延时。全体来说，IEEE802.1Qav以太网确保在7个跳转（hop）最差2 ms Class A和50 ms Class B延时。
当然，这个延时关于工业运用来说是不能承受的。为了获取更好的QoS，IEEE 802.1TSN TG又进一步开发了Qbv时刻感知整形器、Qbu抢占式MAC等机制。
时刻感知整形器（Time Awareness Shaper，TAS）是为了更低的时刻粒度、更为苛刻的工业操控类运用而规划的调度机制，现在被工业自动化范畴的企业所选用。TAS由IEEE 802.1Qbv界说，是依据预先设定的周期性门操控列表，动态地为出口行列供给开/关操控的机制。Qbv界说了一个时刻窗口，是一个时刻触发型网络（Time-trigged）。这个窗口在这个机制中是被预先确认的。这个门操控列表被周期性的扫描，并按预先界说的次第为不同的行列敞开传输端口。
出口硬件有8个软件行列，每个都有仅有的传输挑选算法。传输由门操控列表（gate control list,GCL）操控。它是多个门操控实体确认软件的行列敞开。
在TAS机制中，为了确保数据传输前网络是闲暇的，在整个发动传输前需求设置一个维护带宽（Guardbound）[18]。Guardband占用最大的以太网帧传输长度，以确保最差状况——即便前面有一个规范以太网帧正在传输，也不会让GCL在重启下一个周期前被占用网络。
在TAS机制中，会存在两个问题：①维护带宽耗费了必定的采样时刻；②低优先级回转的危险。因此，TSN的802.1Qbu和IEEE 802.3作业组一起开发了IEEE 802.3br，即可抢占式MAC机制。依据抢占式MAC的传输机制[19]如图11所示。其选用了802.3TG中的帧抢占机制，将给定的出口分为2个MAC服务接口，别离称为可被抢占MAC（pAMC-Preemptable MAC）和快速MAC(eMAC-express MAC)。pMAC能够被eMAC抢占，进入数据仓库后等候eMAC数据传输完结，再传输。
经过抢占，维护带宽能够被削减至最短低优先级帧片段。但是，在最差状况下，低优先级的片段能够鄙人一个高优先级前完结。当然，抢占这个传输进程仅在衔接层接口——即关于抢占式MAC，交流机需求专用的硬件层MAC芯片支撑。
因为CBS机制仅可完结软实时级，途径拓扑会导致继续的延时添加。而最差延时状况与拓扑、跳数、交流机的缓冲需求相关。因此，TSN作业组推动了周期性排队与转发(cyclic quening forwarding,CQF)机制(又称活动整形器）。作为一个同步入队和出队的办法，CQF使得运转答应LAN桥与帧传输在一个周期内完结同步，以取得零阻塞丢包以及有鸿沟的延时，并能够独立于网络拓扑结构而存在。IEEE 802.1Qch规范界说了CQF要与IEEE 802.1Qci规范相互配合运用。IEEE 802.1Qci-t标明，它会依据到达时刻、速度、带宽，对桥节点输入的每个行列进行滤波和监管，用于维护过大的带宽运用、突发的传输尺度以及过错或歹意端点。IEEE 802.1Qch所选用的CQF机制遵从了一个“每周期走一步”的战略，为数据传输赋予了确认性。
CQF能够与帧抢占IEEE 802.1Qbu兼并运用，以下降完好尺度帧到最小帧片段的传输周期时刻。为使CQF正常作业，有必要将一切帧坚持在其分配的周期内。因此，需求考虑周期时刻，使得中心网桥的周期与第一次和最终一次传输的时刻都对齐，以确保到达所需的等候时刻鸿沟。为此，CQF结合Qci进口战略和IEEE 802.1Qbv整形器，可确保一切帧坚持在确认的延时规模，并确保在其分配时刻内发送。
CQF和TAS供给了用于超低延时的数据，依靠网络高度时刻协同，以及在强制的周期中增强的包传输。但其对带宽的运用功率并不高。因此，TSN作业组提出IEEE 802.1Qcr异步流整形(asynchronous traffic shaper，ATS)机制。ATS依据紧迫度的调度器规划。其经过从头对每个跳转的TSN流整形，以取得流办法的滑润，完结每个流排队，并使得优先级紧迫的数据流能够优先传输。ATS以异步办法运转，桥和终端节点无需同步时刻。ATS能够更高效地运用带宽，可运转在高速衔接运用的混合负载时刻，如周期和非周期数据流。
关于TSN而言，在时钟同步、调度战略之后，就有必要考虑网络装备的问题。在AVB中，SRP是一种分布式网络装备机制。而在更为严厉的工业运用中，需求更为高效、易用的装备办法。IEEE 802.1Qcc是现在遍及承受的装备规范。TSN网络装备的会集式办法原理[20]如图12所示。
关于IEEE802.1Qat所供给的SRP机制而言，这是一种分布式办法的网络需求与资源分配机制。新的注册或退出注册、任何改变与恳求都将导致网络延时和超负荷，下降网络的传输功率。因此，TSN作业组又供给了IEEE 802.1Qcc支撑会集式的注册与流预留服务，称为SRP增强办法。在这种办法下，体系经过下降预留音讯的巨细与频率（放宽计时器），以便在链路状况和预留改变时触发更新。
此外，IEEE802.1Qcc供给了一套东西，用于大局办理和操控网络，经过UNI来增强SRP，并由一个会集式网络装备（centralized network configuration，CNC）节点作为弥补。UNI供给了一个通用L2层服务办法。CNC与UNI交互以供给运转资源的预留、调度以及其他类型的远程办理协议，如NETCONF或RESTCONF；一起，IEEE 802.1Qcc与IETF YANG/NETCONF数据建模言语兼容。
关于彻底会集式网络，可选的CUC节点经过规范API与CNC通讯，用于发现终端节点、检索终端节点功用和用户需求，以及装备优化的TSN终端节点的功用。其与更高档的流预留协议（例如RSVP）的交互是无缝的，类似于AVB运用现有的SRP机制。
IEEE 802.1Qcc依然支撑原有的SRP的全分布式装备办法，答应会集式办理的体系与分布式体系间共存。此外，IEEE 802.1Qcc支撑一种称为混合装备办法，从而为老式设备供给搬迁服务。这个装备办理机制与IEEE 802.1Qca途径操控与预留，以及TSN整形器相结合，能够完结端到端传输的零阻塞丢失。
关于整个网络而言，有必要有高效、易用的网络装备，以取得终端节点、桥节点的资源、每个节点的带宽、数据负载、方针地址、时钟等信息，并聚集到中心节点进行一致进调度，以取得最优的传输功率。
在汽车工业范畴，跟着高档辅佐驾驭体系（advanced driver assistance system，ADAS）的开展，火急需求更高带宽和呼应才能的网络来替代传统的CAN总线AVB便是汽车行业建议并正在履行的规范组。现在，奥迪、奔跑、群众等现已开端进行依据TSN的以太网运用测验与验证作业。2019年，由三星所建议的汽车工业开展联盟向TTTech出资9 000万美元，一起开发依据以太网的车载电子体系。
工业物联网将意味着更为广泛的数据衔接需求，经过机器学习、数字孪生技能来更好地发挥数据效果，为全体的产线优化供给支撑。而这些数据（包含机器视觉、AR/VR数据）将需求更高的带宽。因此，来自于ICT范畴的CISCO、华为等厂商都将方针集合于经过OPC UA over TSN的网络架构来完结这一互联需求。OPC UA扮演了数据规范与规范的人物，而TSN则赋予它实时性传输才能。这样的架构能够完结从传感器到云端的高效衔接，在许多场景能够直接省掉掉传统工业架构中的操控器层，构成一个新的分布式核算架构。
现在，在工业范畴，包含贝加莱、三菱、西门子、施耐德、罗克韦尔等干流厂商现已推出其依据TSN的产品。贝加莱推出新的TSN交流机、PLC，而三菱则选用了TSN技能的伺服驱动器。未来，TSN将成为工业操控现场的干流总线。
TSN的含义关于工业而言并非仅仅是实时性，而在于经过TSN完结了从操控到整个工厂的衔接。TSN是IEEE的规范，更具有“中立性”，因此得到了广泛的支撑。未来，TSN将会成为工业通讯的一起挑选。
本文旨在经过对当时世界工业界前沿的时刻灵敏型网络进行全景的介绍，对其开展的必要性、技能的前沿性进行探究，并经过对其要害技能进行的解析来探寻其运用场景、技能完结途径。期望经过这一前沿技能的解读，使得国内涵推动智能制作、工业物联网、大数据运用范畴的研制人员及时了解这些工业动态，紧追世界前沿，开发有利于习惯于我国本身的相应产品与技能。