時間敏感網路 Time Sensitive Network
時間敏感網路（TSN）允許合併 OT 和 IT 世界，並保證確定性以太網網路中所有設備的互操作性和標準化。TSN 建立在一個真正成熟的生態系統中（如以太網），因此大家認為 TSN 將是下一代工業網路通訊的核心技術。
這項技術可顯著降低設備投資、維護、高級分析服務的無縫集成以及減少對單個供應商的依賴。所有這些優點使時間敏感網路成為未來以太網路中的參考技術。
現在 TSN 標準是一個龐大的標準體系，並且還在不斷擴展，主要是在 802.1Q 標準上進行修改與擴充而來。TSN 重點是對當前的二層以太網路進行特性的增強，目前已經制定了一系列標準，透過允許時間同步，流量分組優先轉發，利用門控調度機制清理線路以及頻寬預留等機制來保證業務流量在以太網中的傳輸性能，提高以太網的實時性和可靠性。
TSN 為了滿足確定性的時延需求，會犧牲掉部分頻寬資源，所以需要考慮提高資源利用率。除此之外，如何部署 TSN 網路？是採用分佈式部署還是結合 SDN 等技術進行集中式部署？如何互聯多個封閉的 TSN 網路？如何協調傳輸時延的最大時延和平均時延？這些都是在選取 TSN 產品和做相關開發的時候需要考慮的一些問題。
為了滿足國內用戶的測試和開發需求，虹科推出了 IP Core 開發方案和直接標準化的硬體產品，以及可以基於這些硬體所搭建的 TSN 的一個測試網路。
虹科 IP Core 解決方案— MTSN IP Core
MTSN IP Core 是全面的 TSN 解決方案，能夠實現多種 TSN 協議規範。這是一個靈活的 HDL 程式碼，可用於實現 bridge 的功能。該 IP 提供了一組豐富的通用參數，以獲得最佳的功能資源權衡。由於 Vivado IPI 提供了 GUI 界面，因此可以在 VHDL 級別或以圖形方式配置這些通用項目。
• IEEE 802.1AS(rev): 時間同步
• IEEE 802.1Qav: 基於信用的整形器
• IEEE 802.1Qbv: 時間感知整形器
• IEEE 802.1Qcc: 網路管理
• IEEE 802.1Qci: 流過濾和切分
• IEEE 802.1AB: 鏈路層發現協議
• IEEE 802.1w: 快速生成樹協議
• IEEE 802.1s: 多生成樹協議
• IEEE 802.1CB: 幀複製和消除
• IEEE 802.1Qbu/802.3br: 幀搶占機制
在 IIC（工業互聯網聯盟）TSN 測試台經過測試驗證使用 Xilinx GUI 進行簡易的 IP Core 配置。
(1) 接口——多種 PHY 接口可選
（MII/RMII/GMII/RGMII/SGMII/QSGMII）
(2) 交換能力——全雙工 10/100/1000 Mbps 以太網接口；最多可達 32 端口，每個端口支持不同的數據速率
(3) IP Core 配置端口—— 4 種配置管理端口
虹科 TSN 交換機— RELY-TSN-BRIDGE
多功能-支持多種TSN標準
RELY-TSN-BRIDGE 可以用於無縫實施確定性以太網，該器件基於 SoC-e 的 TSN 技術在最苛刻的行業（鐵路、航空航天、汽車、工業自動化等）中使用的可靠且經過現場驗證的設計。該設備可用作提供 4 個多媒體千兆以太網端口和 1 個內部端口的 TSN Bridge，可與市場上的其他產品互操作。RELY-TSN-BRIDGE 支持市場上數量最多的 TSN 標準，這使其適用於任何特定的配置文件。這些關鍵功能使 RELY-TSN-BRIDGE 平台成為用於關鍵環境的最可靠和多功能的網絡設備。
新型外殼— 專為快速散熱設計
時間敏感網路是一項強大的技術，涉及一組標準，可確保以太網網路的確定性。能夠實現如此低延遲的技術對資源的要求非常高，並且需要能夠散發如此高計算量所產生的熱量的設備。為了響應這一要求，虹科 RELY-TSN-BRIDGE 交換機採用了新型外殼，得益於其散熱式設計，PCB 組件上的溫度以及設備的整體消耗得以降低，從而實現高效和優化的 4 端口 TSN 交換機。
虹科 TSN 配置工具— RELY-TSN-Configurator
雖然大多數設備通常可以使用專有的解決方案，如網路管理器、命令行、串行端口等進行配置，但當增加更多的流量、數據流和設備時，這種方法是不可擴展的。配置冗餘這樣的機制，意味著為每個節點生成單獨的配置，如其流識別機制、流處理程序、VLAN 和恢復功能。當規模超過幾個數據流時，這是一個很大的挑戰。因此，強烈建議使用集中的網路配置。
• 定義配置每個TSN機制的參數
• 利用終端設備的配置工具
• 在 IEEE 802.1Qcc 中定義
• 基於 YANG 模型的數據交換
• 擴展的通訊協議：netcong
• MODEL：定義拓撲結構、硬體能力、流量要求
• GENERATE：選擇 TSN 機制並生成配置要求
• EXPORT：配置已準備好的部署
虹科 TSN 測試框架
這些產品使用的都是全集中的模型，虹科的 TSN 解決方案支持 Qbv YANG 數據模型，並且可以由 802.1Qcc（完全集中式配置）定義的 CNC 工具或設備使用 NETCONF 進行配置。
在上面這個圖中，實線代表的是以太網，虛線代表的是 TSN 網路，TSN 網路主幹由四個 RELY-TSN-BRIDGE 設備組成。這些設備是 TSN 交換機，每個都有四個 TSN 端口。這些設備將允許配置基於 IEEE 802.1CB 標準和 RSTP 協議的不同冗餘拓撲結構，為用戶提供一個靈活的測試平台。我們也可以將 REC 記錄儀連接在 TSN 網路中可以用來記錄保存 TSN 數據流，記錄時間戳等。
▼ TSN 端點
TSN 流是指從一個源頭到一個或多個目的地的時間敏感數據的單向流動，是 TSN 網路配置的基礎，因為 TSN 網路的每個鏈接中的所有機制都是按 TSN 流定義或配置的。測試平台包括三個TSN 設備，它們將按照以下類別作為端點執行。
TSN 網路的要素之一是 Listener，它們是消費流量的設備。在我們的架構中，其中一塊 RELY-TSN-PCIe 卡將被配置為 Listener。
RELY-TSN-PCIe 卡是一個獨立的 TSN 設備，包括兩個 TSN 外部端口，用於連接 TSN 網路和執行產品介紹所述的 TSN 標準，包括冗餘標準 IEEE 802.1CB 和 RSTP。
TSN 網路的第二個元素是 Talker。 在圖中有兩個 TSN Talker。一邊是安裝在主機上的 RELY-TSN-PCIe 卡。該卡的功能與作為 Listener 的RELY-TSN-PCIe 卡的功能相同。在另一邊，RELY-TSN-CPPS 設備也作為一個 Talker。
▼ 非 TSN 端點
在一個 TSN 網路中，將 TSN 設備與非 TSN 設備結合起來是非常普遍的。事實上，在未來，TSN 將得到其系統的支持，比如測量/科學/測試等非 TSN 子系統將與控制/傳感器/執行器等 TSN 子系統共存於同一個網路中。
為了提出一個測試平台並儘可能地涵蓋在未來系統中可以找到的所有元素，建議的測試平台架構最好包括兩個非 TSN 設備作為 Talker，從而能幫助我們更好的檢查一個混合網路的性能。
舉個例子，這兩個非 TSN 元素可以包括：
- IP 攝影機：傳輸預留流量
- 流量發生器：該設備允許在網路中創建擁堵場景
虹科 TSN 解決方案的應用
TSN 是專為滿足這些要求而設計的新一代以太網。儘管 TSN 的引入將因行業而異，但提供實時工作負載的能力將是非常重要的，一些關鍵行業（如鐵路或航空航天）正在將 TSN 作為其新平台中的標準IT/OT 網路。
虹科 TSN 解決方案在三個不同關鍵應用場景中得到了驗證：航空航天、汽車和鐵路。這些系統來自封閉的協議，過渡必須非常仔細地規劃。TSN 發展正處於一個新的階段，這個時候就需要大型技術研發公司和集成商必須驗證這項技術。
提供基於專有的標準（比如 AFDX）的方案的供應商很少，這就意味著成本較高。如果可以將不同的網路融合在一個 TSN 網路中，那就可以降低價格成本。並且每架飛機的子系統沒有一個獨特的標準，這意味著會有多個平行網路，這也同樣會被轉化為更昂貴的網路方案。在對低延遲、高頻寬和數據採集單元的互操作性的需求推動下，航空航天與國防領域正在處於一場以太網的融合階段。
TSN 在航空領域可以看做是一些協議超集，可以相容舊有網路，實現異構網路的融合傳輸，所以可以用一個統一的以太網代替之前的專用協議。還能夠保持現有的一些網路架構的優點，又能保持較高的頻寬，而且是一個通用網路架構，佈線簡單，組網成本相對較低，成本相對也會降低。
今日，汽車領域正逐步朝著以太網融合的方向發展，需要引入更多的執行器、傳感器和高處理能力的系統，並且彼此之間完全互連。從這個出發點，需要一個具有高頻寬能力的新的汽車基礎設施。新型汽車網路架構，就是基於以太網或者說基於TSN 網絡的一個架構，該架構使用以太網作為骨幹網路，而且有靈活的組網方案，將汽車分為若干可拓撲區域，從而增強可擴展性。
在某一汽車行業項目研究當中，虹科提供了演示中使用的 TSN 骨幹基礎架構，模擬使用了新一代確定性以太網標準互連的汽車某些部分的行為。虹科提供了 TSN 交換基礎結構，該基礎結構由基於虹科開發板的系統組成，該開發板基於使用 MTSN IP Core 開發的模塊上系統（SMARTmpsoc）。
由於目前列車的基礎設施基於不同的通訊總線，一個用於控制目的，另一個用於其他系統，TSN是選定的技術，可以用於將所有這些總線合併到列車內的唯一網路。該項目的具體目標之一是實施新的全列車通訊網路（被稱為 NG-TCN），來全面支持 TCMS（列車控制和管理系統），包括更換列車線路，連接安全功能至 SIL4，支持 “故障安全” 和 “故障容忍” 原則，為 TCMS 和OMTS（車載多媒體和遠程訊息服務）以及非 TCMS 的通訊手段提供一個最佳列車網路。
TSN 機制旨在用於將物理網路分成幾個虛擬域，從而確保安全關鍵功能的確定性和可靠性，並為其他功能保持最低水平的 QoS（服務質量），鐵路部門也可以從更簡單的網路基礎設施和簡化的集成中受益。
總結
TSN 的核心思維是提出了一個可互操作的系統，並支持多個製造商、協議和機構在同一個網路上共享，根據最嚴格的時間界限交付流量的能力，在同一物理網路上管理關鍵和非關鍵流量的融合，並提供支持高可用性通訊的機制，而這也成為了 TSN 在參加當前最苛刻的關鍵（和非關鍵）應用方面的獨特主張。有了互操作性和融合網路，市場上將會出現更多的解決方案，所以可以說，TSN 能夠激發更多具有成本效益的解決方案。歡迎關注宏虹電子以獲得更多 TSN 技術的最新資訊，若需了解虹科TSN產品的更多資訊，歡迎隨時聯繫宏虹電子。
