TSN解决方案白皮书

TSN解决方案白皮书 工业互联网产业联盟（AII）2023年6月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有 （注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn —2— 前言 随着时间敏感网络（TSN）从理论研究阶段逐渐延展到实体产业应用，TSN解决方案在工业界的关注度显著上升。一方面，全球工业界迫切需要新的技术变革来为网络化智能化提供新的动力，这促进了TSN解决方案的落地；另一方面，工业互联网的兴起为工业现场带来了指数级增长的连接设备、更高的带宽、多线程业务流处理、数据跨域连通等需求，网络变革技术TSN理所当然的受到重视。加之中国网络自主可控的重要性程度上升，TSN可控的优势得到凸显。然而，受限于TSN与工业场景业务流的融合应用少、无线场景下TSN确定性网络的研究应用薄弱、端到端TSN解决方案厂商生态较为稀缺等方面因素，工业企业要享受到TSN解决方案带来的益处仍然有一些任务要进行，包括先行者的TSN解决方案标杆打造、TSN上下游生态互通等。 本白皮书旨在加快TSN解决方案落地产业，助力 工业企业达成提质增效降本；同时为TSN产业上下游的有效协同给出指引，让工业界能更快速的利用TSN网络技术实现未来网络变革。因编者水平所限，难免存在错误和不足，欢迎业界专家和读者批评指正，后续我们将持续扩大应用、适时修订发布。 本文档由工业互联网产业联盟多家成员单位参加编写完成。主编单位有：中国信通院、深圳市三旺通信股份有限公司、网络通信与安全紫金山实验室、鹏城实验室。 牵头编写单位： 中国信通院 深圳市三旺通信股份有限公司网络通信与安全紫金山实验室鹏城实验室 参与编写单位： 清华大学 北京邮电大学国防科技大学南方科技大学重庆大学 CC-LINK协会 华为技术有限公司 高通无线通信技术（中国）有限公司飞腾信息技术有限公司 中国联通物联网研究院联通物联网有限责任公司 南京未来网络产业创新有限公司北京智芯微电子科技有限公司 中车株洲电力机车研究所有限公司中车青岛四方车辆研究所有限公司中车南京浦镇车辆有限公司 毫末智行科技有限公司 上海山源电子科技股份有限公司安徽链昇科技有限公司 中兴通讯股份有限公司 —2— 工业互联网产业联盟公众号 编写组成员（排名不分先后）： 张恒升、朱瑾瑜、徐启宸、熊伟、邓顺义、高一颠、徐龙、刘茂明、葛鹏、张华宇、李庆、严园园、詹双平、成剑、冯景斌、汪漪、万海、朱海龙、全巍、王瑾璠、王向荣、蔡岳平、杨凯、陈李昊、高涛、张印熙、许昌龙、杨娈霞、李元芳、朱大勇、李研、谢仁艿、何非、闵爱佳、白钰、王银河、钱锐、邵静兴、刘勇、殷建华、李鲲鹏、彭文静、田学文、黄涛、吕红强、田向伟、肖瑞、刘碧波、乔梁、王庆东、余智、耿兴元、马恒、胡浩 目录 一、TSN发展现状1 （一）TSN技术发展现状1 （二）TSN解决方案发展现状6 二、TSN通用解决方案7 （一）通用解决方案概述7 （二）技术应用路线9 （三）TSN相关产品12 （四）TSN融合技术解决方案18 三、TSN行业解决方案20 （一）轨道交通20 （二）智能制造24 （三）汽车车载29 （四）煤矿33 （五）钢铁36 （六）电力38 （七）装备制造43 （八）港口46 四、TSN解决方案展望48 （一）端到端的技术成熟度催化48 （二）更具象的应用层面指导标准49 （三）树立通用领域的明星典型标杆项目50 （四）生态互通，保证端到端一致性50 五、缩略语对照表51 一、TSN发展现状 （一）TSN技术发展现状 1.TSN标准发展现状 TSN标准协议由电气与电子工程师协会（IEEE）的TSN任务组定义，是基于标准以太网技术提供确定性服务的解决方案，最大的特点就是通过精确的时间调度、确定的时延完成数据包的传输，从而满足工业等领域严苛的传输要求。 如下图所示，TSN协议族包含定时与同步、时延控制、可靠性、资源管理四个类别的子协议，同时还定义了不同场景下的应用行规。 类别 协议 定时与同步 IEEE802.1AS，IEEE802.1AS-REV 时延控制 IEEE802.1Qav，IEEE802.1Qbv，IEEE802.1Qbu,IEEE802.1Qch，IEEE802.1Qcr 可靠性 IEEE802.1CB，IEEE802.1Qca，IEEE802.1Qci 资源管理 IEEE802.1Qat，IEEE802.1Qcc，IEEE802.1Qcp 应用行规 IEEE802.1BA，IEEE802.1CM，IEC/IEEEP60802,IEEEP802.1DF，IEEEP802.1DG，IEEEP802.1DP 图1TSN协议族分类情况 �定时与同步 TSN采用IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-REV实现时间同步。IEEE 802.1AS在IEEE1588的基础上对其进行了删减调整，形成了更具针对性的时间同步机制。IEEE802.1AS又被称为gPTP广义时钟同步协议，嵌入在MAC层硬件中。该协议工作于链路层，在数据帧中插入时间信息， 并传输至每个网络节点，在最大7跳的网络环境中，能够保证时钟同步误差在1us以内。 ②时延控制 TSN不仅要保证时间敏感数据流的可靠到达，同时也要保证这些数据流有界的确定性的时延传输。TSN时延控制通过流量整形机制实现，流量整形通过为高优先级流量提供确定的传输时隙确保传输带宽和传输时间，从而保证关键业务的可靠性和时延确定性。流量整形涉及的协议包括： IEEE802.1Qav：一种基于信用的整形器，可以实现毫秒级的时延上限保证； IEEE802.1Qbv：基于队列的时间感知整形器实现类似时间触发的通信，可保证微秒级的延迟上限及亚微秒级的抖动； IEEE802.1Qch：一种循环队列转发的整形机制，旨在构建具有固定延迟上限和抖动的传输环境； IEEE802.1Qbu：帧抢占功能可以进一步减小关键流量的时延，配合TAS和CQF等门控机制一起使用可以提高网络带宽利用率； IEEE802.1Qcr：TSN交换机和端系统的异步整形机制，避免了同步依赖。 ③可靠性 对数据传输实时性要求高的应用也需要高可靠的数据传输机制以便应对Bridge节点失效、线路断路和外部攻击等带来的各种问题，来确保功能安全和网络安全。TSN传输可靠性保证协议包括： IEEE802.1CB：通过冗余消息以及在网络中设置冗余链路进行并行传输来提高可靠性，减少链路和节点失效对网络造成的影响； IEEE802.1Qca：提供显式转发路径控制所需要的协议，如预定义的保护路径、带宽预留、数据流冗余、流同步和流控制信息中控制参数的分配等； IEEE802.1Qci：TSN协议簇中的PSFP协议类似于防火墙的机制。它工作于交换机的入口，通过各种约束来监管每个流的输入，将故障隔离到网络中的特定区域，以防止出站队列被非法帧淹没。 ④资源管理 在TSN网络中，每一种实时应用都有特定的网络性能需求。使能TSN网络的某个特性是对可用的网络资源进行配置和管理的过程，该操作允许在同一网络中通过配置一系列TSN子协议，来合理分配网络路径上的资源，以确保它们能够按照预期正常运行。 ⑤应用行规 除了TSN功能相关的标准外，TSN任务组还定义了TSN在不同场景的应用规范，包括IEEE802.1BA音视频桥接网络、IEEE802.1CM移动前传网络、IEC/IEEE60802工业自动化、IEEEP802.1DG车载网络和IEEEP802.1DP/SAEAS6675航空航天等，其中前两个应用规范已正式发布，后面三个还处在草案讨论阶段，尚未发布正式标准。 2.TSN技术研究发展现状 近年来TSN技术研究主要集中在控制架构、调度算法以及与其他技术融合等方面。 （1）TSN控制架构 IEEE802.1Qcc协议定义了TSN控制平面的架构模型，包括全分布式、分布式用户/集中式网络、全集中式等3种控制架构模型。 全分布式架构模型中没有集中的网络控制器，终端通过资源预留协 议携带用户需求信息逐跳传输，并在沿途的交换机上预留资源。由于交换机仅具备本地可用资源信息，无法以全局视角进行资源分配，因此全分布式模型仅适用于采用IEEE802.1Qav机制的音视频系统，难以支持需要更低延时和更高精度的工业控制等应用。 分布式用户/集中式网络模型为分布式的用户管理和集中式的网络控制模型，终端通过UNI向TSN网络提交需求，网络通过集中式网络控制器(CNC)，实现所有交换机的集中管控，并基于全局网络视图计算最优的路径和时隙，通过标准化的南向接口下发到交换机。 全集中式模型体现在用户管理和网络控制均为集中式架构。增加了集中式用户配置(CUC)单元对用户终端进行集中管理，能够发现终端节点、检索终端功能和用户需求。此模式下所有的用户需求均在CUC与CNC之间交互，CUC采集终端业务的带宽时延抖动等网络服务质量需求，并将其转换后通过UNI接口发给CNC，CNC完成计算后将结果返回CUC，并由CUC完成终端的配置。 （2）调度与路由的研究 IEEE802.1Qbv标准中定义了时间感知整形器，旨在优化以太网帧的传输优先级，保证时间敏感信息在规定时间送达，通过一定的调度算法在所有交换机出端口确定每个数据帧的传输顺序和时间，保证所有帧在出口链路上依次传输而不会发生冲突，同时在全网范围保证每个帧能够顺利通过传输路径的所有出端口，并满足流量各自的延时和带宽要求，使不同类别的流量在同一网络上得以共存。 当前主流的调度算法主要包含：整数线性规划、启发式算法、可满足性模理论／优化模理论、禁忌搜索、贪心随机自适应搜索等。 （3）TSN与OPCUA、5G等工业新技术融合 TSN仅提供了数据链路层的协议标准，保证数据实时可靠的传输。但作为完整的确定性网络解决方案，TSN必然面临与其他技术融合的问题。 TSN实现了开放的、“一网到底”的网络，解决了网络互联的问题，但各个工业以太网协议在数据层面依旧无法互通。而OPCUA使用一套通用的数据解析机制解决了工业互联网中水平信息集成与垂直信息集成两个维度“语义互操作”的复杂问题，实现设备与设备、设备和企业、以及不同厂商设备之间的交互。OPCUA作为工业4.0参考架构模型 （RAMI4.0）中唯一推荐的通信层实现方法，是异构数据交互最通用的国际标准。TSN+OPCUA真正做到了不同工业设备之间既能听得见又能听得懂，解决了网络互联和数据互通的问题，是构建开放工业网络的理想架构和未来必然的发展方向。 随着5G网络系统技术的发展及建设的深入，垂直行业对于网络的需求向超低时延、确定性、高可靠等高性能方向发展。TSN与5G网络系统融合，一方面可以利用5G将工业设备以无线的方式接入到有线网络，为TSN网络提供不受电缆限制的、可靠的设备接入能力。另一个方面，将TSN的核心机制深度集成到5G技术当中，如TSN中灵活的流量调度机制和高精度的时钟同步机制等，以保证数据在5G网络中端到端的确定性传输。通过对TSN技术的集成，可进一步增强5G的可靠性和确定性。5G+TSN正在成为工业有线-无线融合、IT-OT融合的关键技术。 （4）TSN与已有工业技术的融合 当前工业以太网协议在工厂OT网络中发挥重要作用，对于任何工业应用而言，保持技术的稳定性、继承性是一种必须的考量。因此，技术的升级必须尽量的平滑，TSN不会迅速取代现有的工业网络，而是会 有长期共存的阶段。自TSN技术问世以来，主要工业以太网协议