Maxkit: TSN (Time-Sensitive Networking)

2023/12/04

TSN (Time-Sensitive Networking)

時效性網路(Time-sensitive Networking, TSN)是電機電子工程師協會(IEEE)定義的專用於使乙太網路更具確定性的一種網路拓展。TSN 是區域網路(LAN)解決方案，只有在TSN LAN內部才能保證其即時性。

為解決乙太網路低延遲與時間同步的問題，Industrial Ethernet 的 Protocol

EtherCAT
EtherNet/IP
PROFINET
Powerlink
Modbus-TCP
SERCOS Ⅲ

在應用上來說Industrial Ethernet是與Standard Ethernet不相容的。TSN 解決了這些問題

TSN相容於Standards Ethernet IEEE802.1規範，可以與非TSN乙太網路一起使用的區域網路，TSN支援更高頻寬的傳輸速度 (Gbit/s以上)
TSN工作在Layer 2 technology of OSI model
在Standards Ethernet的區域網路中可以做到：
高頻寬、低延遲、保障頻寬(Priority)、時間同步等功能
透過IEEE 802.1AS (協議簡稱精確時鐘協議Precision Timing Protocol - PTP) 實現TSN裝置之間共享時間戳記 (Time Stamping) 的設備。

TSN 並未取代 Layer 2 以上層級的協定，也未定義軟體介面或硬體配置與特點，因此可相容於多種應用程式開發介面 (API)

TSN主要功能是時間同步 (Time Sync)、優先權 (Priority)、可靠性 (Reliability)、資源管理 (Resource Management)。時間同步 (Time Sync) 是透過802.1AS標準，在傳送跟接收的封包上加上時間戳記 (Time Stamping)，在區域網路之中可以將設備之間的訊號同步在微秒 (us) 範圍

優先權 (Priority) 是透過802.1Qbu & 802.1Qbv標準，允許將正在傳輸的資料中斷讓優先等級較高的資料進行傳送，等優先等級較高的資料傳送完成後再回到先前被中斷的資料繼續傳輸，確保優先等級較高的資料有最大的傳輸頻寬跟最低的傳輸延遲時間。

可靠性 (Reliability) 是透過802.1CB標準，將原本要傳送的封包複製成多個不同封包，每一個不同的封包會透過不同的路徑來做傳送，最後在接收端會自動消除其它的冗餘 (Redundancy) 封包，使其接收端只會收到一筆封包資料，即使在傳輸路經之中出現了單點的故障情況 (如設備損壞或是電纜線斷開等)，都可以確保目的端可以接收到正確且完整的資料。

資源管理(Resource Management) 是透過802.1Qcc標準，將TSN配置分成三種模式：

完全分散模式(Fully Distributed Model)
完全集中模式(Fully Centralized Model)
集中&分散混合模式(Centralized & Distributed Model)

一些關鍵的 IEEE 802.1 TSN 子標準包括：

IEEE 802.1 AS – 時序與同步
IEEE 802.1Qbv – 時間感知塑形器
IEEE 802.3Qbr – 散佈快速流量
IEEE 802.1Qbu – 訊框搶佔
IEEE 802.1Qca – 路徑控制與保留
IEEE 802.1CB – 備援
IEEE 802.1 Qcc – 串流保留的增強與改善
IEEE 802.1 Qch – 迴圈佇列與轉送
IEEE 802.1Qci – 逐一串流過濾與監管
IEEE 802.1CM – 前傳網路的時效性網路

TSN的應用

影音設備

電影院、音樂廳控制系統，聲音從表演者經過傳輸到聽眾接收，中間如果有延遲，是很難被接受的

汽車控制

汽車控制系統裡面有四個主流的匯流排構成 LIN、CAN、FlexRay & MOST，不同系統採用不同的匯流排且涉及到相當複雜的佈線，汽車上的設計以及感知器會日趨複雜，連接的設備也愈來愈多，TSN的技術可以區分時間敏感度以及優先層級的資料，降低延遲以及時間同步等優點，系統就能輕易且正確傳送從感測器到到影音串流各種不同類型的資料，進而提供可靠性以及可預測性的高速網路系統。