2020時間敏感網絡(TSN)產業報告目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、背景介紹1\o"CurrentDocument"（一）工業網絡演進概述1\o"CurrentDocument"（二）時間敏感網絡發展現狀4\o"CurrentDocument"技術現狀4\o"CurrentDocument"產業現狀6\o"CurrentDocument"（三）時間敏感網絡技術優勢11\o"CurrentDocument"互聯互通11\o"CurrentDocument"全業務高質量承載12\o"CurrentDocument"智慧運維12\o"CurrentDocument"（四）時間敏感網絡產業驅動力13\o"CurrentDocument"二、技術體系15\o"CurrentDocument"（一）標準體系15\o"CurrentDocument"（二）網絡架構19\o"CurrentDocument"在工業互聯網網絡中的位置19\o"CurrentDocument"時間敏感網絡部署架構20\o"CurrentDocument"（三）時間敏感網絡關鍵特性22\o"CurrentDocument"時間同步22\o"CurrentDocument"流量調度22\o"CurrentDocument"網絡管理23\o"CurrentDocument"三、與其他新技術的融合創新26（一）TSN+OPCUA26\o"CurrentDocument"（二）TSN+邊緣計算29\o"CurrentDocument"（三）TSN+5G31\o"CurrentDocument"四、應用場景35\o"CurrentDocument"（一）TSN在制造業工業網絡中的應用35\o"CurrentDocument"（二）TSN在車載以太網絡中的應用37\o"CurrentDocument"五、發展趨勢展望38\o"CurrentDocument"（一）供給側產業發展趨勢38\o"CurrentDocument"（二）需求側產業發展趨勢39\o"CurrentDocument"（三）商業模式分析4011一、背景介紹（一）工業網絡演進概述工業網絡基于工業控制系統發展而來，20世紀90年代興起現場總線技術，通過標準化的通信接口解決了工業控制系統內部執行器、傳感器以及變送器等設備的互聯問題，實現了各類工業數據信號的共總線傳輸。然而隨著工業應用對于承載需求的進一步提升，現場總線低速率，兼容性差、系統彼此間互聯互通互操作性差的問題逐漸凸顯，具有更高傳輸效率、更大帶寬、更好兼容性的基于以太網的工業控制網絡應運而生，為進一步實現系統間的互通提供了基礎。工業以太網技術遵從TCP/IP框架，具有接口簡單、協議開放、可靠性高、傳輸速率快、互通便捷等突出優勢，進入21世紀以來逐步成為工業網絡的主流技術，并基于以太網架構建立完整的通信技術服務模型，構建工業應用層協議。工業總線和工業控制網絡技術不斷推進各領域工業企業信息化建設進程，但值得注意的是由于各領域僅關注解決自身生產問題（如過程控制、運動控制、車載網絡等），各類工業總線和工業以太網往往誕生于不同領域，并往往按照特定領域的適應性來制定相關標準，因此就形成了以IEC61158為代表的工業總線系列標準和以IEC61784-2為代表的工業以太網系列標準。每一個工業以太協議背后基本都有一個工業集成商巨頭在主導著該協議的生態圈構建，網絡設備與協議綁定，各公司基于各自協議對工業控制網絡進行持續優化升級，但彼此之間相對封閉，互不兼容。如表1所示：表1目前主流以太協議協議名稱運作組織代表廠家EtherNet/IPODVA羅克韋爾自動化公司(美國)PROFINETPROFIBUS國際組織(PROFIBUSInternational,PI)西門子Modbus-TCPModbus-IDA施耐德EthernetPWOERLINKEthernetPOWERLINK標準組織(EthernetPOWERLINKStandardizationGroup,簡稱EPSG)ABBEtherCATEtherCAT協會德國倍福(Beckhoff)公司CC-LINKCC-Link協會日本三菱隨著工業企業數字化、信息化、智能化進程不斷升級，工業網絡逐步發展為由工業控制網絡和工業信息網絡兩個層次組成，前者主要負責工業控制系統內部以及系統之間的互聯互通，承載工業控制信號及系統相關的監控、診斷、管理、操作等相關業務；后者主要支撐原始數據轉換為信息應用于業務系統或實現控制反饋的數據互通。工業互聯網的誕生是為了滿足產業界通過智能化、精細化管理提升生產效率、降低運營成本的訴求，作為一個完整的通信信息系統，對于承載相關業務網絡的互操作性、兼容性以及傳輸質量有更高要求。工業互聯網網絡需要具備在全生產系統，乃至全產業鏈范圍實現人、機、物全要素的網絡互聯，以及設計、研發、生產管理、銷售、辦公全環節的數據互通的能力。隨著工業企業數字化及信息化的進一步深化升級，工業領域相關控制及信息系統的業務類型不斷增加、復雜性不斷提升，工業控制網絡與工業信息網絡也呈現融合趨勢，具備支持多業務、多協議、多廠商設備和數據的互聯互通、共網承載以及高質量傳輸能力已經成為工業互聯網網絡技術必然的演進方向。時間敏感網絡技術用以太網物理接口承接工業內有線連接，基于通用標準構建工業以太網數據鏈路層傳輸；作為底層的通用架構，為實現傳統0T與IT網絡的融合提供了技術基礎，不僅并為打破以封閉協議為維度由某一廠商主導的產業模式提供可能，提高了工業設備的連接性和通用性，并且為包括大數據分析以及智能的、連接的系統和機器在內的新的業務提供了更快的發展路徑，使得工業互聯網網絡技術和產業生態變得更為開放和富有活力。二）時間敏感網絡發展現狀技術現狀時間敏感網絡（TSN）技術相應基礎共性標準主要由lEEE^AVfl任舒晅lEEETSNS^域進展lEEEfltlEC聯合成立石00肚即1±lEEE^AVfl任舒晅lEEETSNS^域進展lEEEfltlEC聯合成立石00肚即1±于T站tmt彌的W憲IEEE新TEN任務爼成立irnerwortongTG與TSNTG合笄成為軒的T霽H：E筆紅?幵屬巧跑逛営商胃f網和肉傳網店述燭刖射瑋-201904-』啟勒三菠換蜩叭P閃2.1DGDreflO.1]/運莒商3T^^m^Sii(PflO2.tQcjOraftl.O)*201^06：Vel1^^ri]Sfc?i^-(PB02.1CWdEDraft1.0)圖1時間敏感網絡標準關鍵路標2006年，IEEE802.1工作組成立AVB（AudioVideoBridging）音頻視頻橋接任務組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網絡中數據實時同步傳輸的問題。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。來自工業部門的一些參與者立刻看到了其保證帶寬和有界延遲的潛在能力。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍，覆蓋音頻視頻以外的更多領域：工業、汽車、制造、運輸和過程控制，以及航空航天、移動通信網絡等，并成立了工業互聯網的實時性工作組，稱為IEEE802.1TSN。2015年，InterworkingTG與TSNTG合并成為新的TSN任務組。IEEE802.1TSN任務組關注具體技術及其算法。近年來，隨著時間敏感網絡技術在各個應用領域受到更為廣泛和高度的關注，IEEE也針對該項技術在垂直行業的應用開展了研究和標準的研制，并有多個工作組同步開展工作，包括已經完成的802.1CM項目定義了TSN應用于移動前傳網絡的標準；2017年由IEC和IEEE聯合立項了P60802工作組，目標是定義TSN應用于工業自動化網絡的方案類標準；2019年新立項的IEEE802.1DF工作組，目標是定義TSN應用于服務提供網絡的方案類標準；2019年新立項的IEEE802.1DG工作組，目標是定義TSN應用于車載網絡的方案類標準等。2017年起，IEC開始投入時間敏感網絡(TSN)技術在工業領域的應用研究，IECSC65C/MT9與IEEE802成立60802工作組,開始制定《用于工業自動化的時間敏感網絡(TSNIA)行規》國際標準。2019年開始，IECEE(IECSystemofConformityAssessmentSchemesforElectrotechnicalEquipmentandComponents)工作組致力于進行時間敏感網絡一致性測試服務(TSNConformanceTestService)，目前主要包括進行一致性測試過程的定義(包括：與其他組織的連接和協作)，測試實驗室認定結果的定義(例如：確認測試在不同的測試實驗室使用不同的硬件/軟件生成相同并且可重復的結果)以及測試計劃的創建等工作。成立于1986年的Internet工程任務組(IETFInternetEngineeringTaskForce)，是推動Internet標準規范制定的最主要的國際標準化協會組織。2015年IETF成立了確定性網絡(Detnet)工作組，與負責第2層操作的IEEE802.1時間敏感網絡（TSN）工作組合作，為第2層和第3層定義通用架構，致力于在第2層橋接段和第3層路由段上建立確定性數據路徑。這些路徑可以提供延遲、丟包和數據包延遲變化（抖動）以及高可靠性的界限。可以認為DetNet是廣義的時間敏感網絡技術。目前IETFDetNet工作組已經完成整體架構、數據平面說明、數據流信息模型以及YANG模型等交付成果。產業現狀近年來，時間敏感網絡（TSN）技術作為新一代以太網技術，因其符合標準的以太網架構，具有精準的流量調度能力，可以保證多種業務流量的共網高質量傳輸，兼具技術及成本優勢，得以在音視頻傳輸、工業、移動承載、車載網絡等多個領域成為網絡承載技術的重要演進方向之一，從而得到產業界的廣泛關注。時間敏感網絡技術基于IEEE802.1協議實現，推動供應商開發遵從時間敏感網絡標準的產品，可按需為需求側提供更為靈活、可靠的時間敏感網絡解決方案。這意味著產業界各類企業或機構有機會參與到相關技術研究中，基于統一標準的進行技術實施，并提供更為廣泛的產品來支持時間敏感網絡，從而建立起時間敏感網絡產業生態。目前，時間敏感網絡技術已經成為包括芯片廠商、通信設備廠商、自動化廠商、相關行業組織以及各類研究機構在內的產業鏈各個組成環節關注的熱點。如圖2所示：自動化廠商SIEMENS』ftMkwrtHMm&^S±；KUKA通信設苗廠商'自動化廠商SIEMENS』ftMkwrtHMm&^S±；KUKA通信設苗廠商'MOXA飆'LlNih參CISCOHfcWK￡HH3COspirenlixiarv口kla芯片廠商NMP婦喘5OBflWKCN行仙織F嚴創］ESH圖2時間敏感網絡產業現狀示意行業組織方面：除了工業以太網相關協會組織（如EtherCAT、CC_Link、Profinet等），都開始致力于開展描述現有工業網絡與時間敏感網絡融合部署的模型的研究工作；產業內眾多獨立第三方組織也開始積極組織參與時間敏感網絡標準的測試床建設、產品測試認證以及方案孵化推廣等各項工作。a）AVNU組織為TSN網元提供時間精確性和低延遲特性提供認證服務，以保證其合規性和互操作性要求。該項工作目前已經完成了運營理念的論證，并已經在2017年開始了設備的相關認證工作；b）工業互聯網聯盟（IIC）整合了相關組織和技術資源，為組織成員提供測試平臺并致力推進TSN標準在各垂直行業的應用；c）LNI4.0也以每季度一次的頻度定期組織進行TSN網絡設備的對接實驗；d）為了推進OPC-UA與TSN的發展，由B&R和TTTech公司于2016年組織以多家公司自發聯合形成了“塑造者”陣營（ShaperGroup）。2018年，Rockwell自動化加入該集團，帶來了其在北美市場的影響力。Shapers積極推動形成以OPCUA和TSN為基礎，開發“傳感器，執行器，控制器和云之間的開放，統一，基于標準的IIoT通信解決方案，滿足工業自動化的所有要求”。自動化廠商方面：2016-2017年，TSN應用于工業互聯網領域的核心功能逐步完善。隨后，多家自動化廠商宣布了對OPC-UA與TSN的支持，并加入相關國際組織，包括ABB、貝加萊、BoschRexroth、GE、NI等。自2017年下半年起，截止到2019年連續三屆的德國紐倫堡工業自動化展覽會(SPSIPCDrive)和漢諾威工業博覽會上，相關廠商開始就其產品在TSN技術上的進展發表聲明，或直接演示測試床并發布TSN相關產品和解決方案。2017年以德國倍福為代表的EtherCAT組織發表了關于TSN技術的白皮書，2017年11月Beckhoff發布了其首款TSN橋接通訊模塊EK1000；2017年5月NI發布了多款集成TSN技術的控制器，如：CompactDAQ、CompactRIO等；2017年以西門子為代表的PI組織宣布將會在新的ProfiNet協議中使用TSN技術，2018年12月，西門子正式宣布支持OPC-UA和TSN這對組合，TSN與西門子的工業以太網協議Profinet在數據鏈路層進行集成，并發布了第一批TSN技術相關產品，包括具有TSN功能的網絡組件、通信處理器、軟件和網絡管理系統。并計劃在2019年中發布該協議或相關產品。SERCOS則在SPSIPCDrive上展示了由TSN交換機橋接組成的Rexroth運動控制系統；e）以三菱為代表的CC-LinkIE在2019年漢諾威展上演示了CC-LinkIEoverTSN的方案，其中使用了支持TSN功能的CC-LinkIE的Controller和IO。f）羅克韋爾最新加入其中，計劃將工業以太網協議EtherNet/IP與TSN在網絡架構的第二層進行集成。通信設備廠商方面：2017年起包括華為、思科、MOXA、新華三在內的多家通信設備廠商已經研發出或正在研發時間敏感網絡相關網絡設備，包括交換機、網關以及通訊模塊，相關進展包括：a）華為在2018、2019年漢諾威展上展示了OPC-UATSN測試床，并在其中提供了TSN交換機。b）思科在2018、2019年漢諾威展上展示了TSN測試床以及支持TSN的IE4000系列交換機。c）Moxa在2018年的德國SPS中展示了TSN測試床，同年的IIC聯合測試床中展示MoxaTSN交換機。d）新華三在2019年4月“領航者峰會”發布了TSN交換機產品，計劃在2020年完成TSN交換機產品專業機構評測并實現規模化量產。芯片廠商方面：作為產業上游的芯片廠商對于時間敏感網絡芯片的研發進展也不容小覷，支持時間敏感網絡的通信芯片不斷面世：a）BROADCOM已發布BCM53570、BCM53112、BCM53162等不同規格的用于交換機的TSN芯片，以及用于工業現場設備的BCM53154TSN芯片。b）MARVELL已發布88E6390X、88Q5050用于交換機的TSN芯片，其中后者主要對標車載網絡場景。c）NXP已發布SJA1105、SJA1105TELTSN芯片，主要用于車載網關、車載ECU。恩智浦的LS1021A時間敏感網絡TSN平臺、d）ADI正在研發的千兆TSN芯片也將于近期發布，目標定位海量的TSN網橋轉換模塊市場。fido5000實時以太網多協議芯片、e）德州儀器（TI）推出的多協議千兆位時間敏感網絡處理器系列產品f）此外，SoCe、Xilinx等公司也已公開宣稱可以提供TSN相關的芯片IPcore。三）時間敏感網絡技術優勢互聯互通標準的以太網具有開放性好、互操作性好的技術優勢，但盡力而為的調度方式導致網絡性能往往能不能滿足工業業務的承載要求，存在確定性方面的問題；而工業控制網絡通常通過對網絡協議進行專門定制化開發來解決確定性問題，但協議之間通常彼此封閉，且往往需要專用硬件的支持，造成了不同協議無法互通、只能專網專用、可擴展性差、成本高等問題，增加了網絡部署的復雜性。如圖3所示：Traditional(BestEffort)EthernetOpennessandinteroperabilityTraditional(BestEffort)EthernetOpennessandinteroperabilityDoesnotboundlatencyDoesnotguarariteebandwidthTunedforlatencyandcontrolCannot''sharethewire^?Cannotscale（limiitpdto10DMh/s|ProprietaryHW/SWincreasesco&tSessian,Presentation.Application(Layers5-7|TCP/UDP{Laver4?IP(Uyar3}SeESjariFPresenlaUon,AppHcation(Layera5-7)TCP/UDP{Laver4?IP(Uyar3}rCP/LIDPIP|L呻3)W亡{Ldyer2]卩hvEical九刖er1}NetworkInfrastructure(switchescabinsetc.]圖3傳統工業網絡和以太網的比較時間敏感網絡（TSN）技術遵循標準的以太網協議體系，天然具有更好的互聯互通優勢，可以在提供確定性時延、帶寬保證等能力的同時，實現標準的、開放的二層轉發，提升了互操作性，同時降低了成本。可以整合相互隔離的工業控制網絡為原有的分層的工業信息網絡與工業控制網絡向融合的扁平化的架構演進提供了技術支撐。全業務高質量承載工業互聯網時代，工業數據作為核心要素的流傳范圍不再局限于工業控制網絡內部，需要進一步向工業信息網絡傳遞，此外工業數據的類型也呈現多樣化趨勢，逐步演變為包括視頻數據、海量運維數據、遠程控制信號在內的多種業務類型。需要網絡支持不同類型的業務流在工業網絡上實現混合承載。時間敏感網絡（TSN）技術體系中提出了包括時間片調度、搶占、流監控及過濾等一系列流量調度特性，支撐二層網絡為數據面不同等級的業務流提供差異化承載服務，進而使能各類工業業務數據在工業設備到工業云之間的傳輸和流轉的能力。智慧運維時間敏感網絡（TSN）技術的互操作架構遵循SDN體系架構，可以基于SDN架構實現設備及網絡的靈活配置、監控、管理及按需調優，以達到網絡智慧運維的目標。TSN系列標準中已經定義或正在新定義或改進的控制面相關的協議，將會大大增強二層網絡的配置、動態配置與管理的能力，為整個工業網絡的靈活性配置提供了支撐。四）時間敏感網絡產業驅動力在工業領域，產業角色主要可以分為三大類：工業廠商（operator）、設備制造商（vendor）、集成商（integrator）。工業廠商為了制造某個產品，需要建工廠、運營工廠，這個過程中需要從設備制造商那里采購各種工業設備，再在集成商的幫助下完成生產線及經營管理系統的搭建。這三類產業角色都有推動TSN進入工業網絡進行應用的訴求。工業廠商作為需求側期望通過對工廠的網絡化升級改造，提升工業企業的生產效率，并兼顧成本因素。因此其對于網絡的主要訴求主要三點：第一是要滿足工業互聯網時代智能生產、智能管理及智能運營等各類業務流量的高質量共網傳輸需求，保證產線之間、產線與管理系統、管理系統與運營系統之間的數據的可靠流轉，為工業企業從數字化到信息化邁向智能化提供網絡保證。時間敏感網絡（TSN）技術的主要優勢就是通過時間同步和精準調度在滿足各類業務流量各自網絡KPI（帶寬、時延、抖動、丟包）要求前提下，實現共網共路傳輸。第二是要滿足開放兼容的技術特點，之前的工業以太網協議相對封閉，而工業企業在若干年的生產經營過程中，難免會出現不同時期采購的工業設備之間的通信協議無法兼容的問題，無法滿足存量設備之間，新設備與存量設備之間的信息互通及功能協同的需求，而時間敏感網絡技術（TSN）依托標準以太網體系架構，具備兼容和開放的技術屬性。第三是降低工業企業網絡部署成本，隨著工業企業數字化、信息化、智能化的不斷升級，海量設備聯網成為基本要求，之前各家工業以太網生態圈相對封閉，導致部署成本昂貴。而時間敏感網絡（TSN）技術的出現將從技術上打破這種封閉，進而引導市場在開放的技術架構上進行競爭，逐步降低工業網絡的部署及運維成本。設備制造商作為工業網絡相關設備的供應側，重點關注通過新的網絡技術在工業領域應用的需求場景中的落地，保持技術的先進性和產品的競爭力。時間敏感網絡技術（TSN）是一種新的技術架構，無論是在轉發層面還是在管理層面的技術都融合了最新的網絡技術思想，具有可演進、可拓展的體系架構。工業集成商作為工業網絡解決方案提供方，重點關注產業技術生態的構建以及基于解決方案對于先進方案的融合應用。時間敏感網絡（TSN）技術特點決定了其與OPCUA、邊緣計算以及5G等先進技術相互融合，彼此支撐將形成更為強大的方案體系，助力形成網絡對于工業互聯網的強力支撐作用。二、技術體系（一）標準體系時間敏感網絡主要在時間同步、流量調度以及互操作三個方面對以太網技術協議進行了優化升級，包括利用gPTP技術提升時間同步機制的性能，利用時間分片、搶占、流過濾等技術擴展流量調度手段，以及利用路徑控制、冗余備份以及YANG模型等技術增強網絡的互操作功能。目前標準的制定主要集中在基于標準以太網的基礎共性標準以及結合應用場景的技術細化和升級兩個方面：基礎共性標準：時間敏感網絡（TSN）技術為以太網協議的MAC層提供了一套通用的時間敏感機制，在確保以太網數據通訊的時間確定性的同時，為不同協議網絡之間的互操作提供了可能。IEEE802.1TSN工作組目前已經完成基礎共性協議的制定和發布，主要特性集中在時間同步、流量調度、網絡管理以及安全可靠三大類，表2IEEE8021ABTSNTaskGap部分已發布標準列表特性標準編號標題狀態時間同步lEEEStd802.1AS-2011TimingandSynchronization時間敏感應用的時間同步2017年6月12日發布流量調度lEEEStd802.1Qbu-2016FramePreemption.幀搶占2016年8月30日發布lEEEStd802.1Qbv-2015EnhancementsforScheduledTraffic.調度流量的增強功能2016年3月18日發布lEEEStd802.1Qca-2015PathControlandReservation2016年3月11

路徑控制和預留日發布lEEEStd802.1Qch-2017CyclicQueuingandForwarding周期隊列及轉發2017年6月28日發布lEEEStd802.1Qci-2017Per-StreamFilteringandPolicing.流量過濾及監管2017年9月28日發布互操作及安全可靠lEEEStd802.1Qcc-2018StreamReservationProtocol(SRP)EnhancementsandPerformanceImprovements帶寬預留2017年10月31日發布lEEEStd802.1Qcp-2018YANGDataModel.數據模型2018年9月14日發布lEEEStd802.1CB-2017SeamlessRedundancy無縫冗余2017年9月28日發布lEEEStd802.1AB-2016:StationandMediaAccessControlConnectivityDiscovery(specifiestheLinkLayerDiscoveryProtocol(LLDP))路徑發現2016年3月11日發布IEEEStd802.1AX-2014:LinkAggregation鏈路聚合2014年12月24日發布技術升級：在基礎共性標準逐步成熟的情況下，相關標準組織都積極也開始積極推進時間敏感網絡在相關垂直領域的研究，并貼合實際應用場景進行技術細化及升級。目前IEEE802.1一方面聚焦時間敏感網絡應用場景的研究項目在工業控制、車載以太網、移動前傳網絡、運營商骨干網絡等領域成立時間敏感網絡研究小組，如下表所示表3IEEE8021TSNTaskGoup部分垂直行業標準列表編號名稱IEEEStd802.1BA-2011:音視頻橋接系統AudioVideoBridging(AVB)SystemslEEEStd802.1CM-2018時間敏感網絡應用于移動前傳網絡Time-SensitiveNetworkingforFronthaulIEC/IEEE60802工業自動化領域時間敏感網絡概述AutomationTSNProfileforIndustrial

P802.1DF服務提供網絡領域時間敏感網絡架構P802.1DF服務提供網絡領域時間敏感網絡架構TSNProfileforServiceProviderNetworksP802.1DG車載時間敏感網絡架構TSNProfileforAutomotiveIn-VehicleEthernetCommunications并標準進行增補或者修訂,目前在研的項目包括：表4IEEE802.1正在進行的研究項目P802.1AS-RevTimingandSynchronizationforTime-SensitiveApplications修訂(Revision)P802.1AX-RevLinkAggregationRevision修訂(Revision)P802.1QcjAutomaticAttachmenttoProviderBackboneBridging(PBB)services完善兀口(amendmentIEEE802.1Q)P802.1QcrBridgesandBridgedNetworksAmendment:AsynchronousTrafficShaping完善兀口(amendmentIEEE802.1Q)P802.1QcwYANGDataModelsforScheduledTraffic,FramePreemption,andPer-StreamFilteringandPolicing完善兀口(amendmentIEEE802.1Q)P802.1QcxYANGDataModelforConnectivityFaultManagement完善兀口(amendmentIEEE802.1Q)P802.1QczCongestionIsolation完善兀口(amendmentIEEE802.1Q)P802.1QddResourceAllocationProtocol完善兀口(amendmentIEEE802.1Q)P802.1QdjConfigurationEnhancementsforTSN完善兀口(amendmentIEEE802.1Q)P802.1ABcuLLDPYANGDataModel完善兀口(amendmentIEEE802.1AB)P802.1AbdhSupportforMultiframeProtocolDataUnits完善兀口(amendmentIEEE802.1AB)P802.1CSLink-localRegistrationProtocol新增P802.1CQMulticastandLocalAddressAssignment新增P802.1DCQualityofServiceProvisionbyNetworkSystems新增同時，][ETF的Detnet工作組與IEEE802.1時間敏感網絡(TSN)任務組開展合作，將時間敏感網絡特性向網絡層擴展，

為第2層和第3層定義通用的時間敏感網絡架構。相比IEEE802.1

TSN任務組關注具體技術及其算法，IETF更關注DetNet的整體架構、數據平面規范、數據流量信息模型、YANG模型。Detnet工作組已經發布和在研的標準項目如下表：表5IETF已經發布的DetNet相關標準標準編號標題狀態RFC8557DeterministicNetworkingProblemStatement2019年5月發布RFC8578DeterministicNetworkingUseCases2019年5月發布RFC8655DeterministicNetworkingArchitecture2019年10月發布draft-ietf-detnet-bounded-latency-01DetNetBoundedLatency草案draft-ietf-detnet-data-plane-framework-03DetNetFlowInformationModel草案draft-ietf-detnet-ip-04DetNetDataPlane:IP草案draft-ietf-detnet-mpls-04DetNetDataPlane:MPLS草案draft-ietf-detnet-ip-over-mpls-04DetNetDataPlane:IPoverMPLS草案draft-ietf-detnet-mpls-over-udp-ip-04DetNetDataPlane:MPLSoverUDP/IP草案draft-ietf-detnet-ip-over-tsn-01DetNetDataPlane:IPoverIEEE802.1TimeSensitiveNetworking(TSN)草案draft-ietf-detnet-mpls-over-tsn-01DetNetDataPlane:MPLSoverIEEE802.1TimeSensitiveNetworking(TSN)草案draft-ietf-detnet-tsn-vpn-over-mpls-01DetNetDataPlane:IEEE802.1TimeSensitiveNetworkingoverMPLS草案draft-ietf-detnet-security-06DeterministicNetworking(DetNet)SecurityConsiderations草案draft-ietf-detnet-yang-04DeterministicNetworking(DetNet)ConfigurationYANGModel草案二）網絡架構在工業互聯網網絡中的位置□:Kiri■口hrIT應皓Cpnfrwlcr□:Kiri■口hrIT應皓CpnfrwlcrDT網堵矽一卜ifiabat閃寸T汕器Cvrrfrw^ci圖4時間敏感網絡在工業互聯網網絡中位置示意當前，工業領域的網絡架構是分層實現的，對于工業互聯網場景下的設備互聯和數據互通需求滿足度不高。工業互聯網網絡需要同時具備實現控制網絡中各業務單元的互通和打通從現場控制到云端的數據通路的能力。如果將傳統意義上的二層TSN網絡和三層Detnet網絡看作是廣義的時間敏感網絡，那么其在工業網絡中的應用范圍，主要可以包括圖中所示的7個位置：將TSN網絡部署于控制器到現場設備之間，實現控制信號的高質量確定性時延傳輸；將TSN網絡部署于控制器之間，實現協同信號的高精度同步傳輸；將TSN網絡部署于控制器與監控設備（SCADA）或者HMI之間，實現維護數據的高質量傳輸；將TSN網絡部署于IT網絡與0T網絡之間，助力實現生產數據向信息系統的上傳以及控制管理信息向生產設備的下發；將TSN網絡部署于移動前傳網絡，為射頻單元（RRU）與基帶處理單元（BBU）之間的確定性傳輸提供網絡支撐，將Detnet網絡部署于IT網絡與云平臺之間，實現企業內部IT網絡與私有云平臺業務的確定性時延承載；將Detnet網絡部署于企業外網中，在企業分支之間，企業與數據中心，工業企業與上下游企業之間建立全業務共網承載的管道，實現按業務要求調配網絡資源。可以看出，將時間敏感網絡可以做為工業網絡互聯互通的核心，連接存量的傳統工業以太網產線、接入采集海量工業數據的物聯網、支撐高精度、遠程控制的信號承載，實現各類型工業業務的共網絡承載，并按需保證傳輸質量。時間敏感網絡部署架構在工業互聯網領域中，業務流量模型相比傳統工業控制網絡的流量更為復雜，即從單一的產線內部的控制流量，轉變為產線內部、產線之間、控制網絡與信息網絡之間的多種業務流量類型并存，滿足向智能化演進的工業網絡的功能架構呼之欲出。時間敏感網絡的功能架構應該遵循SDN技術思路，并遵照當前的協議要求（IEEEstd802.1Qcc）,包含控制管理單元（CNC、CUC）,傳輸單元（網關、交換機），應用單元（工業端設備、基站等）三種功能單元。圖5工業互聯網網絡整體架構管理單元中CUC負責用戶對網絡需求的翻譯及網絡信息和設備配置的域間協同，CNC在同一個時間敏感網絡域內，負責實現設備監控管理、網絡拓撲發現、流量監控及調優，業務建模及調度模型下發等功能。傳輸單元除了支持時間敏感網絡相關轉發特性，還支持相關在線測量協議，實時將相關狀態上送給管理單元，以便實現實時的全網監控，根據網絡需求和狀態，動態調整相關配置。應用單元則需要具備接入時間敏感網絡的能力，支持在線測量及運行維護相關協議，以實現全網拓撲發現、狀態監測以及網絡業務調優。（三）時間敏感網絡關鍵特性1.時間同步時間同步特性是時間敏感網絡的基礎特性，不僅因為其是眾多工業應用的自然需求，還因為時間敏感網絡相關的流量調度特性需要依賴貫穿整個以太網的時間同步來保證性能；時間同步的誤差可能帶來流量調度效果劣化甚至失效。時間敏感網絡推薦采用IEEE802.1as定義的gPTP機制實現時間敏感網絡的時間同步，相比EEE1588v2定義的PTP協議，gPTP具有更快度的啟動能力，可以在幾秒鐘內鎖定并進行精準時間，同時由于實現了同步機制的簡化和優化，并可以利用含有低成本晶振的網卡實現。gPTP系統使用邏輯同步（頻率對齊）技術，而非其他PTP系統中的物理同步技術，同時結合通道和設備延遲的實時測量技術，實現時間敏感網絡中網絡節點的時間對齊（同步）。2.流量調度時間敏感網絡在做數據轉發時，針對不同優先級的業務數據應用隊列調度進行承載質量差異化保證，在工業互聯網場景下需要對各類工業應用涉及的業務流特性進行定義建模，作為制定調度機制與優先級的依據。目前，工業網絡中的流量類型眾多，并沒有統一的分類方法。圖6為一種分類方法的示例：T”TypiicillporicdSynchron-izedtonetworkD-atadrliiierygnarantpoToleran匚eto[nterference"SMEDMuULIg」u-QLTypicilaipplcationdata<tineCriticalityIsochronOLisPsriodit<2ffl5YesDeadirt0NoneHxed:3D-100B/tssHighneriQCkidiomsNDLatenoflatency1-4FramesFixed:53-1?QQ0yie$UghEvantiSpondicn.a.NoLatencyn.a_YesVariable:100-150#Bytes啣hNetworkCcmrolPeriodic5<1T5-15NqBandwidthYesTfeV^riaole：50*5006/teshighConfig￡lDiagnosticsSpondKn.a.NaBandwidth血?Vanule:$00-1505bytesMtdiiuniBestEffortSporadicn.a.NdNonen.a.istriable:90-LSOOBytesLOWVideoPtricidicFrurneHaleNoLjt已呵n.i_VttMt：lMC-lSMBfteS3Audo/Voic*P^-iddicSamplingMsLMm邙n.a_tangle：iooo-isna/t?s0訓圖6工業自動化網絡中的典型流量以同步實時流(Isochronousreal-timetraffic)為例,此類流量常用于運動控制(Motioncontrol),對時延的要求最高。其特點包括：周期性發包，一般其周期小于2ms；每周期內發送的數據長度相對穩定,一般不超過100Bytes；端到端傳輸具有deadline要求,即數據需要在一個特定的絕對時間之前抵達對端總體上,時間敏感網絡的流量調度可分為兩大類方案：一是基于時隙化調度的方案,一是基于QoS的調度方案。前者需要全網進行時間同步。TSN的數據轉發技術可以為時間敏感的業務流的傳輸提供有界時延,亦即時延上界。網絡管理IEEE802.1Qcc中定義的時間敏感網絡的配置模型分為全集中式配置模型、混合式配置模型以及全分布式配置模型三種：全集中式配置模型使用集中式網絡配置控制器(CNC,CentralizedNetworkConfigurationcontroller)與集中式用戶配置控制器(CUC，CentralizedUserConfigurationcontroller)。混合式配置模型使用集中式網絡配置控制器(CNC,CentralizedNetworkConfigurationcontroller）與分布式用戶配置控制器（CUC，CentralizedUserConfigurationcontroller）。全分布式配置模型使用分布式網絡配置控制器(CNC，CentralizedNetworkConfigurationcontroller)與分布式用戶配置控制器(CUC，CentralizedUserConfigurationcontroller)。考慮在工業互聯網絡網絡場景下的部署架構需要融合SDN體系結構，建議選擇采用CNC集中控制模型，如圖7所示：*冃戶網洛援匚用戶奩置——**冃戶網洛援匚用戶奩置——*散據面業務廬CNC*BridgeBridgeTalker*Listener圖8TSN集中式配置模型圖中Talker、Listener分別是數據流的發送方和接收方，即工業設備或者應用系統；Bridge可以是不同形態的二層橋接設備，如工業交換機、具有二層交換網口的工業設備；集中式網絡配置控制器(CNC)與集中式用戶配置控制器(CUC)可作為軟件功能模塊融合部署于專用服務器上，也可以采用嵌入式系統部署于時間敏感網絡其他設備上。集中式配置模型的控制面工作流程如下：新增數據流時，CUC代表Talker、Listener將用戶需求信息告知CNC，即圖7中黑色實線（代表用戶網絡接口）；CNC根據獲得的信息，進行相應的運算，并將得到的網絡配置參數下分別下發給網絡中相關的各個Bridge，即圖7中紅色實線（代表網絡配置》Bridge根據收到的配置信息，即P可在轉發數據幀時使用相應的策略。圖7中的灰色虛線代表CUC收集用戶信息、接收用戶對網絡的資源申請，并對用戶進行配置的過程，一般認為該過程不屬于TSN技術的范疇。集中式配置模型和混合式配置模型的主要差異在于用戶網絡接口不同，以及該接口的用戶側是CUC還是Talker/Listener。三、與其他新技術的融合創新（一）TSN+OPCUA目前業內有呼聲希望自動化模型向“自主型金字塔”模型演進，如圖圖9TSN集中式配置模型其描述的工業自動化將是一個無縫連接的完整系統，并具有如下趨勢：1）小型、靜態和獨立的控制環路發展為大型、動態和開放的控制環路通訊，即“信息物理系統”（CPS），實現軟件和實體組件深度融合。2）曾經閉環于單一自動系統中的數據將可以在同一基礎平臺上互相通訊，從而產生新的雙向數據通訊流，實現智能溝通。3）所有商業資產，包括設備、材料和工作人員，均在

統一的基礎設施中智能互聯，在“正確的時間點”，通過端到端的“自主”通訊、合作、反應、匹配和優化，滿足客戶的多樣化需求。可以看出，未來工業自動化和控制系統將基于標準化技術和可擴展結構，并致力于融合信息和互聯網技術，不斷滿足升級高可用性和實時通訊的需求，同時在實現成本和收益最佳平衡的基礎上，支持新產品和創新解決方案的研發。更確切地說，未來統一的網絡基礎設施要具備確定性通訊能力，保證性能和服務質量與導致當前自動化孤島現象的專有協議水平相當，甚至優于專有協議。令人欣喜的是，標準組織和獨立供應商均已認識到工業4.0的潛在益處，正攜手為工業網絡開發全新的統一基礎一一TSN+OPCUA。網絡層物理層TCP/IP大備為專有gjl1jl■.?■.■?■.?.&&■*■■??&a物理屈優￡以皮網僅網絡層物理層TCP/IP大備為專有gjl1jl■.?■.■?■.?.&&■*■■??&a物理屈優￡以皮網僅100Mtps數據鏈踣層應用層VcdbcsFROrihElPscrtXMP叩匚RL1NKE^heiCAT圖10TSN+OPCUA協議層對應示意TSN+OPCUA組合提供了一個實時、高確定性并真正獨立于設備廠商的通信網絡，前者基于以太網提供了一套數據鏈路層層的協議標準，解決的是網絡通訊中數據傳輸及獲取的可靠性和確定性的問題；后者則提供一套通用的數據解析機制，解決系統互操作的復雜性問題。在工廠數據采集、傳輸與生產運營中，都會需要對現場的機器狀態、生產能耗、質量相關、生產相關參數進行采集，TSN+OPCUA在整體上使得在工廠的各個環節的橫向與縱向數據實現了透明交互，并且配置效率更高，程序與應用模塊化更強。（二）TSN+邊緣計算在工業互聯網中，工業視覺、遠程控制、機器協同等工業應用，需要將建模以及模型訓練的高速海量計算過程保留在云端，將模型匹配、數據預處理，策略生成等過程放在邊緣計算節點進行，借助“云邊端”協同，同時兼顧業務體驗的準確性和實時性。工業互聯網中的邊緣計算通常部署工業設備或數據源頭的網絡邊緣側，為工業現場就近提供邊緣智能服務，滿足工業數字化在敏捷聯接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求，即通過基礎的連接、數據的傳輸存儲、分析與優化，從而進行制造業現場的規劃以及策略性問題的全局處理，達到提高生產制程的效率、降低運營成本、提升產品品質的目的。邊緣計算所處的網絡位置決定了其所聯接物理對象和應用場景都具有多樣性的特點，需要邊緣計算節點具備豐富的異構接入和靈活聯接的能力，需要充分借助包括時間敏感網絡在內的各類網絡先進技術和研究成果，解決實時性數據傳輸和多業務共網傳輸的問題。可以通過網絡設備融合邊緣計算能力（如在網絡中部署具備TSN能力的邊緣計算網關設備或者部署具備邊緣計算能力的TSN設備），時間敏感網絡技術可以為工業設備、傳感器到邊緣計算節點、云端的連接構建確定性、大帶寬的標準化算力網絡，為實現源協同、數據協同、智能協同、應用管理協同、業務管理協同、服務協同提供網絡支撐，大大提升邊

緣計算業務性能并增加邊緣計算架構部署的靈活性。HH~n疋X機雖人緣計算業務性能并增加邊緣計算架構部署的靈活性。HH~n疋X機雖人傳礙主產韓邊靈計直節點:L屋L"I時呵卿乘茶■J!壓力表霆厘測気圖11時間敏感網絡支撐邊緣計算實時傳輸另一方面，時間敏感網絡的智能運維在一定程度上需要助力邊緣計算，企業在規模部署時間敏感網絡后，往往需要網絡控制器具備實時的網絡資源數據計算分析、網絡及流量模型建立和策略生成等能力，以保證相關網絡優化，故障恢復的實時性，又會促使部署邊緣計算以滿足智能化的網絡運維管理的需要，通過在時間敏感網絡部署方案中融合邊緣計算能力（如在網絡邊緣側部署具備邊緣計算能力的服務器或控制器），可以提升時間敏感網絡CNC設備的能力性能。T|HME3T|HME3|■:1-屯塩云圖12邊緣計算支撐時間敏感網絡智慧運維可見，在以智能化為目標的工業互聯網時代，網絡和計算作為基礎資源，邊緣計算和TSN的相互結合，在本質上是相互依賴、相輔相承的，隨著工業互聯網的進一步發展，網絡與計算作為兩大基礎能力必將彼此支撐，相得益彰。（三）TSN+5G5G商用正處于工業互聯網逐漸興起的關鍵節點，5G的大帶寬，千億級別設備的接入能力，以及工業級可靠性和實時性都可以成為支撐工業互聯網順利實施的技術關鍵。無論是在智能工廠內部的海量設備連接、定位，還是基于機器視覺的故障診斷，再到高精度的云化機器人的運動控制，甚至是工程機械的遠程控制，5G無疑都將成為支撐上述應用場景最為關鍵的網絡技術。工業互聯網是5G的典型應用。圖9是3GPP標準組織關于5G技術演進及其應用生態系統擴展的路線圖。目前商用的5G系統基于Rel-15版本，主要采用非獨立組網技術，而未來蛛el-16版本主要針對工業物聯網、5G私有網絡以及車聯網C-V2X等擴展的生態系統應用，主要采用5GNR獨立組網技術。圖133GPP組織內5G演進路線與生態系統擴展在工業互聯網中，uRLLc是5G最為關鍵的需求之一。按照3GPPR1622.261《Servicerequirementsforthe5Gsyste》m中描述，進一步增強5G系統以支持工業場景下時間敏感網絡應用的要求，并預測在此場景下最嚴格的工業應用可能需要網絡具備1毫秒時延，1微妙抖動和99.9999的網絡傳輸質量。而時間敏感網絡（TSN）的技術機制正是決定了其可以提供高可靠確定有界低時延的傳送服務，時間敏感網絡（TSN）技術與5G網絡融合部署將為構建靈活、高效、柔性、可靠及安全的工業互聯網網絡奠定基礎。目前，如何在工業互聯網領域進行5G網絡與TSN技術的融合部署是目前產業界與學術界的研究熱點之一。已經有眾多研究機構開展TSN與5G融合部署相關的研究工作，如高通公司研究組提出了面向工業互聯網的利用5G實現具備TSN特性橋接功能的思想和原型系統，以實現與有線TSN網絡的互聯互通。英特爾公司研究組闡述了將TSN技術能力應用至無線網絡面臨的技術挑戰，以及如何擴展現有無線網絡包括WiFi與5G的可靠性與低時延能力的相關技術，并討論了無線TSN與有線TSN網絡融合面臨的挑戰。德國應用科學大學聯合諾基亞貝爾實驗室提出了融合5G與工業以太網的方案并對相應的融合應用場景進行了分析，對融合網絡的配置管理技術進行了討論。從業界的研究內容可以看出，目前時間敏感網絡與5G融合部署的研究可分為5G網絡與TSN技術無縫拼接以及5G網絡與TSN深度集成兩個方向。一方面可以利用5G將工業設備以無線方式接入到有線網絡5G本身的技術優勢可以為TSN網絡提供不受電纜限制的、可靠的設備接入。TSN網塔5G承載網5G的設備接入。TSN網塔5G承載網5G核心網:1話冋椿AAUDU/CU圖145G與TSN無縫拼接示意另一個方面，則要將TSN相關技術原理深度集成進5G,致力于保證數據在5G網絡的端到端確定上限時延傳輸。目前3GPP已經開展與TSN相對應的時間同步、流量調度等相關特性與5G空口、前傳網絡在物理層、數據鏈路層映射的相關研究。目標是通過對以太網時間敏感網絡技術的集成，進一步增強5G的可靠性，實現更為靈活的上行鏈路流量調度和更為快速的高精度時間同步。T5NR^5巧承裁網5GT5NR^5巧承裁網5G核心網Detnet二追一站回傳EKVCU圖155G與TSN深度集成示意從當前的研究進展及成果分析可以看出TSN與5G融合具有如下技術挑戰需要應對：第一，TSN與5G融合的時間同步機制存在挑戰，有線TSN與無線5G實現時間同步是面向工業應用場景的關鍵能力需求之一。有線TSN采用gPTP協議實現時間同步，如何在5G網絡中實現無線gPTP機制并與有線TSN實現聯合部署與協調同步是關鍵技術挑戰之一。第二，TSN與5G融合的協同流量調度機制存在挑戰，5G技術面向工業互聯網應用，需要提供確定性低時延流調度能力，如有線TSN的802.1Qbv標準提供的流調度能力。如何在5G無線網絡環境中實現類似于802.1Qbv的流調度能力，并與有線TSN技術實現流調度的協同機制成為關鍵技術挑戰之一。第三，TSN與5G融合的高可靠橋接技術存在挑戰，5G技術是連接有線TSN網絡與工業以太網或工業總線的候選技術之一。如何使5G技術實現類似于TSN交換機的高可靠橋接功能是實現TSN與5G融合的關鍵技術挑戰之一。因此，TSN與5G融合不可能一蹴而就，將會隨著關鍵技術的突破以及應用場景的需求變化而不斷向前演進，為未來工業互聯網的逐步部署奠定技術基礎。四、應用場景（一）TSN在制造業工業網絡中的應用隨著制造業的生產經營系統數字化、信息化、智能化進程不斷深化升級。需要網絡同時具備良好的互通性、實時性、互操作性和可靠性，時間敏感網絡成為制造業工廠內部網絡的建設的主要技術選擇就順理成章了。時間敏感網絡初步主要滿足工廠OT網絡設備的互聯互通以及OT網絡和IT網絡互聯需求。在0T內部，根據網絡架構和交換機在網絡中的位置，可以分為工廠級、車間級、現場級應用。下圖為TSN在制造工業場景中典型網絡部署舉例，云平:邊界匯聚層OTFireWall工"工廠躱現疑飯RoboticHMI人枇界面接口云平:邊界匯聚層OTFireWall工"工廠躱現疑飯RoboticHMI人枇界面接口CP一—T酣工業交換機SCADA瞬采集與監控控制卩胡-專-?卩^Jca?ra圖16TSN制造工業場景網絡拓撲圖TSN時間敏感網絡能夠保持控制類、實時運維類等時間敏感數據的優先傳輸，從而實現實時性和確定性。同時其大帶寬高精度調度又可以保證各類業務流量共網混合傳輸，可以更好地將工廠內部現場存量工業以太網，物聯網及新型工業應用連接起來，根據業務需要實現各種流量模型下的高質量承載和互聯互通。同時TSN基于SDN的管理架構將極大提升工廠網絡的智能化靈活組網的能力，以滿足工業互聯網時代的多業務海量數據共網傳輸的要求。（二）TSN在車載以太網絡中的應用傳統的車載網絡中多種總線技術共存，典型的如CAN、LIN、FlexRay等，“專線專用”是一大特點。雖然當前的部分車載網各中以點到點連接的以太網是為主，并非交換式以太網，其在車載網絡中所扮演的角色，與其它總線技術類似。由于各種總線技術各有特色，可復用性差，故當前汽車業界絕大多數廠商需要在一輛車上使用5-14種總線技術。繁多的總線類型大大增加了線纜的總長度與總重量，也增加了布線的難度和人工成本。圖16所示為車載網絡架構演進方向的一種可能的示意，從傳統的各類總線相互隔離的網絡架構，到目前部分功能集中到域控制器，各類系統通過以太網與域控制器實現互通，再到未來的以太網一網到底，各類系統靈活互通，可以看到，以太網絡將成為車載網絡的主流技術。在未來的架構中，高帶寬的以太骨干鏈路可以支持軟件驅動的架構定義，進行集中式的處理，同時大大降低了對總線類型數量上的需求，提升網絡傳輸性能。n*I二°-c:IIraditi-oriBlGrehrt^ctureIndcivQlcpnnontn*I二°-c:IIraditi-oriBlGrehrt^ctureIndcivQlcpnnont：Domainarchit&ct'ur?Tomorrow:Centralizeda