TSN技术白皮书 2025介绍

本文中的内容为通用性技术信息，某些信息可能不适用i 11.1产生背景 1.2TSN的历史 1.3技术优势 21.4TSN技术体系结构 1.4.1TSN技术全景 1.4.2H3C支持的TSN技术 42.1概念介绍 42.1.1频率同步 42.1.2相位同步 42.2技术对比 2.2.1时间同步方案 2.2.2PTP协议对比 2.2.3H3C时间同步方案 2.3PTP（IEEE802.1AS）相位同步运行机制 2.3.1频率同步 2.3.2相位同步 2.4SyncE频率同步运行机制 2.4.1时钟源类型 2.4.2时钟源选择 2.4.3频率同步 113.1单个流过滤和管理技术（IEEE802.1Qci） 3.1.1应用场景 3.1.2基本概念 3.1.3原理机制 3.1.4IEEE802.1Qci流量整形和QoS技术比较 3.2时间感知整形技术（IEEE802.1Qbv） 3.2.1简介 3.2.2应用场景 3.2.3基本概念 3.2.4运行机制 203.3帧抢占技术（IEEE802.1Qbu） 223.3.1IEEE802.1Qbu简介 223.3.2技术价值 223.3.3应用场景 223.3.4技术原理 23 234.1.1IEEE802.1CB简介 234.1.2技术优势 234.1.3应用场景 244.1.4技术原理 24 255.1概念介绍 255.2配置模型 255.2.1纯分布式配置模型 255.2.2集中式网络/分布式用户配置模型 265.2.3纯集中式配置模型 265.3运行机制 275.3.2网络资源管理 285.3.3拓扑管理 315.3.4全局流管理 315.3.5路径计算 325.3.6流量调度 33 346.1SDN+TSN工业互联网典型组网 34 351技术）的融合使制造业充分发挥数字化变革带来的等各层级的应用及对边缘计算服务的部署，可以实现智能制造。但是在实际推动工业物联网和工业4.0的过程中，IT与OT的融合存在着诸多的障碍，•总线的复杂性这对于依靠规模效应来运营的IT而言就缺乏经济性，因此，长期以来，IT•数据周期性与非周期性传输•实时性的差异由于实时性的需求不同，也使得IT与OT网络有在这样的背景下，TSN（TimeSens2Layer5-7PayloadPayloadPayloadLayer4TCPHeaderUDPHeaderLayer3IPHeaderLayer2Ethernet+TSNLayer1IEEE802.3•通过单一网络来解决复杂性问题，与OPCUA（OPCUnifiedArc•支持周期性数据与非周期性数据在同一网络中传输。•能够平衡实时性与大负载数据传输需求。音频/视频传输无人驾驶/智能驾驶机器控制/智能工厂应用需求•大带宽•音频与视频同步••••激光雷达音频与视频同步安全车联网交互••••IoT数据交互高动态响应需求安全车联网交互标准IEEE802.1Q••IEEE802.1AVBIEEE802.1AS•••••IEEE802.1AS-Rev（IEEE802.1AS的修订版本）IEEE802.1QbvIEEE802.1QbuIEEE802.1CBIEEE802.1Qcc3Time-SensitiveApplicati时间敏感应用的定EnhancementsforScforTime-SensitiveStrea针对时间敏感流的用于可靠性的帧复Time-SensitiveNetwo适用于前向回传的SRP增强功能和性当前H3C已经实现的TSN技术如图3所示。4时钟同步IEEE802.1AS（时间敏感应用的定时和同步）低时延（流量调度和整形） IEEE802.1Qbv（时间感知整形技术）IEEE802.1Qci（每流过滤和管制技术）IEEE802.1Qbu（帧抢占技术）高可靠性IEEE802.1CB（帧复制与消除）配置管理IEEE802.1Qcc（系统配置技术）频率同步也称为时钟同步。频率同步指两个信号的相位同步是指信号之间的频率和相位都保持一致，即信号之间相位差恒定为零。如图5所示，两个表每时每刻的时间都保持一致。相位同步的前提是频率同步，所以相位同步也称为时间同步。5通过电磁波携带频率和相位信息，实现时间同步。目前，可替代”不支持时间通过NTP报文传输相位信号，实现相位同步，但不能满足亚微秒级甚通过PTP报文传输频率和相位信息，和硬件配合一同实现高精度的时间同步。随着软硬件技术的进步，PTP的精度6适用性广，对网络环境无强制要求，可根据不同的应用•••对1588v2在桥接局域网中的实现进行了细化，支持点对点全双工以太网链路、IEEE802.11链路和IEEE••••更可靠：时间信号丢失时，SyncE仍能工作，各设备仍能保2.3PTP（IEEE802.1AS）相在基于BMC算法确认了最优时钟以及时钟节点之间的主从关系之后，主时钟和从时钟之间交换且从时钟的频率和主时钟是同步的，那么在相同的该是相同的，如图6所示，T(n＋1)－Tn＝T(•T(n＋1)－Tn>T(n＋1)'－Tn'，说明从时钟的时间比主时钟慢，频率比主时钟快，则需要调慢•T(n＋1)－Tn<T(n＋1)'－Tn'，说明从时钟的时间比主时钟快，频率比主时钟慢，则需要调快7MasterclockSlaveclockSyncFollow_UpSyncFollow_UpTn'TnT(n+1)'T(n+1)SyncFollow_UpSyncFollow_UpTn'TnT(n+1)'T(n+1)TimestampsknownbyslaveTnTn,Tn'T(n+1)T(n+1),T(n+1)'确认了最优时钟以及时钟节点之间的主从关系之后，输延时，为了提高时间同步的精度，时间偏差的测量和计算过程包括以下两个阶段：是单向链路延时（meanPathDelay）。如果网络延时不对称且通过其他方式获发送Sync报文，并记录它的发送时间Tn'。从时钟接收到Sync报文时立刻把当前时刻Tn记8MasterclockSlaveclock{{{Tn'链路延时测量阶段时间偏差测量阶段SyncFollow_UpmeanPathDelayTnmeanPathDelaySyncFollow_UpmeanPathDelayTnmeanPathDelayTimestampsknownbyslaveTnTn,Tn'为设备提供时钟信号的设备叫做时钟源。根据时钟信号的•BITS（Build•本地时钟源：本设备内部的晶体震荡器产生的38.88MHz时钟信号，通常本地时钟源精度最时钟源质量等级（QL，QualityLevel）的一组状态信息。SyncE也使用SSM级别来表示时钟源的9线路时钟源配置优先级，该优先级本地有效，不会传递给缺省情况下，时钟源的优先级为255，不能参与最优时钟的选举。如果要的选举，则需要为其指定优先级。时钟源的优如图8所示，SyncE按照以下原则为设备自动选(4)如果时钟源的类型也相同，继续比较时钟信选举出最优时钟后，设备会通过ESMC报文将最优时钟的SSM级别传递给下游设认为最优时钟丢失或不可用，将自动按照上述原则选举最优时钟选举最优时钟否是否有外接时钟源否是否有外接时钟源是SSM级别是否参与选源SSM级别是否参与选源是比较SSM比较SSM级别相等比较优先级高比较优先级相等高比较时钟类型：高比较时钟类型：BITSBITS时钟源线路时钟源PTP时钟源相同比较入接口编号比较入接口编号相同外接时钟源丢失使用本地时钟任意选取一个时钟源使用本地时钟最优时钟最优时钟1或者4个0的连续码流，可有效地包含时钟信息接口上使用高精度的时钟发送数据，在接收端恢(3)PHY芯片将这个高精度的时钟信息添加在以太网线路的串行码流里发送出去，向下游设备(2)时钟扣板将接口接收的线路时钟信号、外接时钟源2输入的时钟信号、本地晶Device1Device2ReceivePHYReceivePHY同步时钟业务模块高精度时钟PHY业务模块高精度时钟线线路时钟系统时钟时钟扣板PLL外接时钟Ethernet外接时钟源2外接时钟源外接时钟源2Device1Device2要的视频会议，双向视频流对网络时延和时延抖监控网点Flow1监控网点Flow1的攻击报文Flow1TSNEndpoint2EndpointEndpoint2Device3Device2DeviceDevice2分支机构B分支机构分支机构BDevice4Endpoint3FlowEndpoint3Endpoint4流门控下可以配置802.1Qci控制链表、循环时间、基准时间等会循环调度802.1Qci控制链表，通过控制链表来控制TSN流的转发。在工业自动化环境中，业务流量的速率是固定的。如果实际收到的业务流量超出了这个速率范围，正常转发；当业务流速率超出配置的范围时，Me报文正常处理，范围外的报文丢弃，避免影响其它业务流。•阻断：一旦Meter发现业务流速率超出配置的范围，直接丢弃该阻断控制比限速控制更直接更安全，它能隔绝异常流量，最大程度地保障数据的完整性和可靠性，4.流过滤器（Filter）分片，让关键业务通过，非关键业务不允许通过，从而控制链表由一系列连续的节点组成。每个节点控制着流节点是一个逻辑概念，每个节点定义了三个属性，通过这三个属性完成一次节点的执行操作：允许TSN流通过，持续时间为t1、t3；节点2和4，流门控状态为关，不允许TS下一个周期t4t3t2t1TSNflowCycleTimet1+t2+t3+t4=CycleTimeCycleTimet1+t2+t3+t4=CycleTimeNo.GatestateInterval(ns)11No.GatestateInterval(ns)20t2No.GatestateInterval(ns)31t3No.GatestateInterval(ns)40t4●表示用户自定义的节点802.1Qci周期执行控制链表，循环时间是系统执行一次控制链个节点时，开始计时，按顺序执行控制链表。当循如节点5）始终无法执行，如图13所示。No.GatestateInterval(ns)11Interval(ns)No.Interval(ns)No.20t2Interval(ns)No.Interval(ns)No.31t3Interval(ns)No.Interval(ns)No.40t4Interval(ns)No.Interval(ns)No.51t5●表示用户自定义的节点T=t1+t2+t3+t4CycleTimet=CycleTime-TNo.GatestateInterval(ns)11Interval(ns)No.Interval(ns)No.20t2Interval(ns)No.Interval(ns)No.31t3Interval(ns)No.Interval(ns)No.40t4No.AdmingatestateInterval(ns)1t表示用户自定义的节点(1)在设备上完成802.1Qci配置后，设备会监控所有接口入方向的报文，根(2)根据配置，TSN流进入对应的流过滤器，流过滤器将Flow1Flow2FlownFlowID1Priority3GateID1FlowID2Priority2GateID2MeterID5FilterIDnPriority*GateID1MeterID5FiltersGateID2control-listGateID2control-listbase-timeT2cycle-timet2control-listbase-base-timeT1cycle-timet1carcarMeterscarForwarding），境基于流类别或优先级队列，使用令牌桶、基于TSN组网需要，提供必需配置，简化了配需要配置流分类、流行为，最后应用QoS依赖于多种协议和标准，如DiffServ、控制设备对于时间敏感流、非时间敏感流以及不同时间敏时间要求，这一过程称之为流量整形。TSN网络中的举行重要的视频会议，双向视频流均对网络时延和署802.1Qbv功能，能够使得关键业务流从发送者到达接收者时控制中心TSNEndpoint1Device3Device1分支机构B分支机构ADevice4Device2TSNEndpoint1Device3Device1分支机构B分支机构ADevice4Device2Endpoint3Endpoint4配置802.1Qbv功能的接口单向关键业务流双向关键业务流监控网点监控网点Endpoint2•门状态：如图17所示，接口转发队列的门状态用一个8比特的二进制字符串（XXXXXXXX）0/10/10/10/10/10/10/10/1队列7队列6队列5队列4队列3队列2队列1队列00：表示关闭，不允许该队列发送报文1：表示开启，允许该队列发送报文如图18所示，用户自定义了门操作编号为2No.GatestateInterval(ns)1200GuardGuardbandNo.GatestateInterval(ns)No.GatestateInterval(ns)3200No.GatestateInterval(ns)4No.GatestateInterval(ns)5300表示采用缺省值的门操作表示用户自定义的门操作如图18所示，802.1Qbv保护带是TS保护带用于确保设备在进行802.1Qbv转发队列调度时，能完整当接口正在转发802.1Qbv特征流，某个数据帧被发送了一半•如果802.1Qbv保护带功能处于关闭状态，则802.1Qbv会立即执行下一个门操作，当前正在GuardbandCycletimeT•如果802.1Qbv保护带功能处于开启状态，则802.1Qbv会将这个数据帧的剩余部分发送完毕GuardbandCycletimeT•设备在出厂时已经为每个接口定义了缺省的保护带时长，不支持通过命802.1Qbv周期执行门控列表，循环时间是系统执行一次门控列表的时长。接口从执行第一个802.1Qbv门操作时开始计时，并按照门操作编号从小到大的顺序依次执行所有门操作。当循环时如图19所示，门控列表中所有门操作执行一轮所需的时间（T）=t+Guardband+t1+Guard●表示采用缺省值的门操作No.GatestateInterval(ns)1tInterval(ns)No.Interval(ns)No.2Interval(ns)No.Interval(ns)No.3tNo.GatestateInterval(ns)4t2Interval(ns)No.Interval(ns)No.5t3●表示用户自定义的门操作基准时间是接口开始执行802.1Qbv转发队列调度策略的时间，用来计算设备何时执行调度算法。如图20所示，数据流进入TSN交换机后，设备根据流特征将时间定义。802.1Qbv功能周期执行门控列表，对队列中报文的转发进行调度，能够保障那些对传输时>>>在整网时间同步的前提下，网络的流量转发可以做如图21所示，每个接口上有一张门控列表，一张门控列表控制8个转发队列。门控列表是门操作NetworkConfiguration，集中式网出方向转发队列队列0队列1队列2.......队列7TASTASTASTASTASTAS...TASTAS数据调度数据调度门门控列表门操作编号门状态状态时长10101010121010101030101010100110011期内最多支持16个门操作，每个门操作的门状态持续时长最小为8ns，最多为256us。4.基于门控列表的数据调度制允许在标准以太网传输过程中中断低优先级帧的传先级帧的传输后，系统会恢复中断的低优先级帧•工业控制系统：适用于需要高敏捷性的自动化工厂，保障控制指令的及时传输。•音视频流传输：确保实时数据的无缝传输，提升用户体验。•自动驾驶车辆：支持关键决策数据的快速传输，确保实时性和安全性。帧传输完成后继续传输。这保证了关键流量可以帧抢占实现流程如图22所示：(1)当高优先级的时间敏感帧抵达网络节点时，(2)若此时正在传输的是低优先级帧，该帧将被划分成较小的可(3)高优先级帧插入传输队列，优先传输完毕后，低优先级帧继续其剩余的低优先级的帧高优先级的帧高优先级的帧未应用802.1Qbu，如果出队列在发送低优先级帧时，有高优先级的帧到达队列，也需要等待低优先级的帧轮询机制来发送高优先级的帧应用802.1Qbu后出队列低优先级的帧减小的延迟低优先级的帧高优先级的帧高优先级的帧应用802.1Qbu后，出队列在发送低优先级帧时，有高优先级的帧到达队列，则先发送高优先级的帧，再继续发送低优先级的帧敏感网络（TSN）技术框架中的另一关键技术。可靠性和确定性，从而增强网络的容错能力，确保•增强的容错能力：提供自动处理传输路径故障的机制，提高网络服务连续性和稳定性。•灵活性与可扩展性：可以在多种网络架构中实施，适应不同的规模及需求。（IEEE802.1Qbv）等相结合，提供从数据源到接收工业自动化：IEEE802.1CB在工厂自动化系汽车电子与自动驾驶：它提升汽车网络系统的传输专业音视频传输：在音视频传输系统中，通过多帧复制路径多样性帧消除43244324去重和重排序1去重和重排序复制查表转发链路查表转发链路查表转发链路WAN复制包转发链路复制包转发链路1接收端发送端接收端原始业务帧复制帧网络传输过程中丢失的帧•每个数据流通过流分类器进行识别，确保处理正确的数据包。•复制的帧由网络入口生成，并在不同的路径上发送，以防单点故障影响•每个复制的帧被打上唯一标记，以便在终点进行精确消除。•规划独立路径，使每个帧通过不同路由到达目的地，路径的物理或逻辑隔离充当安全保障。•动态路径选择和资源优化，确保输送过程中延迟和抖动的最低化。•在多个路径上并行传输帧以显著降低某条路径失效对整体网络的影响。功能描述：在接收端或汇聚节点上消除冗余的•接收节点使用帧头中的标记或序列号识别重复帧，确保数据正确性。•保留最早到达的完整帧，将其传递给上层应用，其余被安全丢弃。•通过监控序列号连续性，进一步增进故障恢复能力和数据传输的可靠性。网络中各节点进行TSN配置，合理分配网络路径上的资源，以确保CNCUNIUNIUNIUNI远程远程管理远程管理远程管理UNIUNIListenersBridge1Bridge2Bridge3Talkers用户需求收集，并作为代理将用户需求发送给CNC，•TSN网络配置：CUC通过远程管理协在纯集中式配置模型中，CUC（CentralizedUsersConfiguration，集中式用户配置）用于发现CUCUNICNC远程管理远程管理远程管理远程管理远程管理ListenersBridge1Bridge2Bridge3Talkers•用户需求收集：CNC通过与CUC交互TSNUNI协议，获取用户需求，交互过程如上图实线•TSN网络配置：CUC通过远程管理协如图27所示，H3CTSN控制器采用纯集中式配置模型，支持CUC与CNC功能，以组件的形式部•CNC负责网络资源的集中式fTSN控制器组件CUCU-CenterCNCNetconfNetconfNetconfNetconfListenersBridge1