时间敏感网络技术及其在工业互联网中的应用

徐骁麟 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

1 引言

时间敏感网络是一系列技术的总称，这些技术用来在传统以太网基础上构建具备时间敏感特性的新型网络，提供具有确定性时延的数据传输能力。传统以太网之所以缺乏确定性，主要原因在于其本质上是一个共享传输介质，当来自不同数据源的流量在同一个交换设备或路由设备上汇聚转发时，必须在目标端口对应的队列中进行排队，等待时长决定于队列长度，而队列长度又决定于网络中流量的变化。如果网络中流量过大，则会出现拥塞，排队时间便无法预测，确定性也就无法保证。

网络具有确定性传输时延这一特征具有强大的吸引力。对于一些对时间因素特别敏感的应用来说，例如控制信号传输，确定性意味着整个系统的可行与可靠，也决定了系统的安全可控。时间敏感网络通过集成多项关键技术，对传统以太网协议进行适当修改，试图基于传统以太网实现时间敏感数据传输，同时保证对非时间敏感数据传输的兼容。这些机制涉及时间同步、流量控制、路径控制、管理机制等多个方面，可以说在不同层面上保证了数据在网络中传输的确定性时延。

近年来，时间敏感网络技术的发展逐步引起工业界的广泛关注，多个国际标准化组织都在加速推动时间敏感网络相关标准的制定，诸多工业企业也对在工厂内部引入时间敏感网络技术表现出极大的兴趣，一些大型企业已先行进行了时间敏感网络实验床的建设，开展对关键技术的试验论证工作。

2 时间敏感网络内涵及主要特性

时间敏感网络的诞生源于实时以太网概念的提出。在实时以太网概念范围内，许多应用场景都将确定性时延作为基本需求，例如车辆的驾驶系统、工厂的控制系统等。在这些领域内，时间敏感数据流传输时延的可接受范围远低于1ms。为了达到这个传输要求，以EtherCAT、Profinet等为代表的一些实时通信技术已经逐步应用于各个领域。这些技术都基于传统以太网，但同时又具有一些专有机制，使得相互之间并不能兼容运行，也就制约了实时以太网的进一步发展。在这种背景下，IEEE802工作组提出了时间敏感网络的概念，意图构建一个统一的物理层和数据链路层协议，通过标准化使其在各个领域都能够同构运行，提供实时的数据传输。这为实时以太网的发展打开了一扇崭新的大门。

时间敏感网络到底是指什么呢？简单来说，时间敏感网络是在传统以太网上提供确定性信息传输的标准化技术。时间敏感网络技术是中心化管控的，通过时间感知的调度机制为实时应用提供数据传输保障。具体来说，时间敏感网络是一种二层网络技术。作为一个以太网标准化技术，时间敏感网络的数据转发依靠以太网数据帧的包头信息，其数据帧负载可以是任何信息，而不受限于上层网络协议。这意味着，时间敏感网络可以被应用在任意采用以太网技术的环境中和应用里。

正如其名所指，时间敏感网络关注的主要方面就是“时间”。其最根本的目标就是要提供一种方法来确保信息在一个确定的、可预测的时间范围内从源节点传输到目的节点。IEEE802工作组对时间敏感网络的描述是：能够提供具有有界低延时、低抖动、极低数据丢失率的数据传输能力。其主要特性包括：

●时间同步：在运行应用和控制应用的设备上维持端到端的同步时间（最坏情况在±500ns范围内）。时间同步是时间敏感网络的基础。

●有界低延时：通过多种调度和管理机制提供有界低延时，最终达到0拥塞丢失率。

●低抖动：通过时间同步和数据流调度机制减少数据传输过程的抖动。

●高可用：通过数据帧复制、主从时间源等机制提供网络的高可用性。

●汇聚网络：时间敏感网络支持需求迥异的多种负载的同时传输。

●兼容性：通过标准化技术的应用，兼容不同应用场景和既有协议。

在上述特性支持下，时间敏感网络能够确保：

●交换网络中的数据传输时延得到保证。

●关键负载（时间敏感数据流）和非关键负载（非时间敏感数据流）能够在同一个网络中混合传输，非关键负载的并行传输不会影响到关键负载的传输时延。

●多个上层协议的实时负载能够在网络中同时传输。

●网络错误能够被快速分析和修复。

3 时间敏感网络关键机制与技术

时间敏感网络在以太网基础上提供了确定性传输能力，其面向的不只是个别应用，而是面向不同场景下的多种类型应用，也就是要同时解决特征迥异的多类应用的确定性传输问题。因此，时间敏感网络不是只由一种独立的技术来支撑，而是由一系列相关联的技术共同构成。近几年，在学术界和产业界共同推动下，时间敏感网络的核心机制已基本成型，本文将对其中最重要的关键机制进行简要讨论。

3.1 优先级时间感知调度

当前，还没有一种基于服务类优先级的调度机制能够有效保证时间敏感数据负载的有界端到端延时。由于排队的影响，如果一个具有低优先级的以太网帧已经在传输过程中，那么它将会推迟其他以太网帧的传输，即使这些以太网帧具有最高优先级。而这种情况在传输路径的每一次交换或路由时都可能发生。针对此问题，时间敏感网络提出了一个重要组件，即时间感知调度器。通过对测算传输时间来优化以太网帧的传输优先级，并以此来保证数据在有效时间内转发和送达。

时间感知调度的基本思想是，利用时分复用技术将传输时间划分成相同长度的时间片，每个时间片称为一个周期。一个周期又可划分为多个时间槽，在每个周期内允许为具有实时需求的数据包提供独立的时间槽。在时间感知调度器作用下，一个以“Best-effort”模式传输的传统以太网负载可以被暂时中断，并在预留时间槽内转发具有高优先级的时间敏感数据负载。因此，时间感知调度就赋予了周期性实时数据的优先权，使其能够在非实时数据负载中穿插传输。

3.2 保护带与帧抢占

传统的“Best-effort”传输模式具有非常差的可预测能力，它很难预见到一个“Best-effort”数据包会在什么时候进行传输，这样就会导致潜在的传输冲突。例如，一个传统数据包在一个时间片内过晚地进行传输，即使有时间感知调度机制，它也会占用下一个时间片内用于传输时间敏感数据的第一个时间槽，从而使原定将在这个时间槽内传输的时间敏感数据不得不向后推迟，导致违背了端到端延迟的有界性。

为了避免这种潜在冲突，时间敏感调度器引入了一个称为“保护带”的机制，在时间片划分基础上，提供进一步的传输隔离。这些保护带设置在一个非时间敏感时间槽的尾部，占用一部分该槽的时间，保护带长度是该网络中最大尺寸以太网帧的转发时长。这样就给传统以太网帧的传输区间设置了一个限制，阻止了可能侵入下一个时间敏感时间槽的数据帧的传输。简单来说，如果一个传统数据帧的计划传输时间在保护带区间内，那么这个帧的传输将被推迟。

保护带在一定程度上解决了数据帧传输冲突问题，但是也引入了无效时间的新问题，这些保护带占用的时间将不会传输任何数据，造成网络利用率的下降。为了解决这个新问题，“帧抢占”的机制被引入到时间敏感网络中。帧抢占机制将数据帧划分成多个固定长度的数据帧片，从而允许在一个传统数据帧传输过程中对其进行中断，在传输完时间敏感数据帧后再继续传输被抢占数据帧的剩余帧片。这样保护带的长度就不用设置为网络中最大尺寸以太网帧的转发时长了，而可以缩短为一个固定长度帧片的转发时长，从而大幅提高了网络利用率。由于帧抢占机制对传统以太网的数据帧传输流程进行了较大改变，因此只有在网络链路两端的设备同时支持该机制时，机制才能生效。

3.3 同步传输周期与时间同步

在数据传输过程中，时间感知调度器只利用本地配置来制定调度决策，这些配置信息包括周期长度和时间槽等。因此，需要全局范围内各个设备之间能够更加密切的协作，使得数据帧能够在从一个交换设备转发出后能到达下一个交换设备的正确时间槽。只有这样，才能保证数据流在网络路径上各个设备间畅通传输，在限定的时间内抵达目的地而不需要排队等待。这就意味着，时间敏感网络中的所有设备必须对时间有一致的理解，所有设备必须知道一个周期从何时开始，亦或一个周期内的哪个时间槽正处于活跃状态。显然，为了达到这个目的，需要在时间敏感网络内引入时间同步协议。

常见的时间同步协议，例如IEEE 1588或IEEE 802.1AS等，都可以用于时间敏感网络。这些协议允许在网络中分布的各个时钟精确同步到误差在1μs以内，基于硬件的实现可以将同步误差进一步缩小到几个纳秒的范围。与IT领域的NTP协议不同，时间敏感网络中的时间同步机制不是与外部原子钟进行广域同步，而是将网络中所有时钟与一个选定的时钟源进行精确同步。换句话说，在时间敏感网络内，重要的是保证网络中所有时钟之间的时间同步，而不是保证网络中所有时钟与自然界的时间同步。需要注意的是，虽然时间敏感网络不限定具体使用的时间同步协议，但是要求时间同步的质量必须足够高，以保证网络中所有设备都能在正确的时间点开始和结束时间周期和时间槽。

3.4 流量整形

在一些诸如流程自动化等常见应用场景中，常常使用周期控制流程来完成自动化工作。这些流程会产生大量基于事件的数据传输，例如状态转换的告知、预定义界限的超越等。相应的，在这些场景下，往往很难保持对数据传输时间的精确预测。但是即便如此，时间敏感网络仍然要满足传输的有界延迟，以保证在接收到事件信息后能够及时完成控制流程。但是，上述提到的时间感知调度器依赖于精确的传输时间，因此，并不完全适合处理这种类型的负载。为了解决这个问题，时间敏感网络在时间感知调度器基础上引入了另外的优先权机制，称为流量整形。

流量整形机制的作用原理是，首先在一个预定义的观察时间窗口内为时间敏感数据传输预留一部分带宽，接着待传输的数据负载由流量整形器进行整形，被调整为能够满足时间敏感数据传输延迟限制的形式和形状，最后将这种新形式的数据流转发出去。换句话说，经过流量整形器的调整后，由事件引起的突发数据负载将变成波动较小的稳定负载，以一种更为平滑的方式在网络上传输。与时间感知调度机制相比，流量整形机制在面对低精确性和高波动场景下的负载传输方面具有较高的灵活性。

当前已经发布和正在研发的流量整形器包括基于信用的整形、循环队列和转发整形、异步整形等，这些整形器都可以根据具体情况灵活采用，时间敏感网络并没有对流量整形器的应用做强制规定。

3.5 冗余路径机制

在一个通信网络中，经常会出现错误配置或故障的网络组件，这些设备或线缆可能干扰正常的数据传输，破坏时间敏感网络数据传输的确定性。为了防止这种情况下的数据丢失，IEEE正在开发一种冗余协议，利用与HSR或PRP协议类似的无缝冗余机制，在时间敏感网络中引入了静态冗余流程，通过始终处于激活状态的冗余传输路径来确保在一条传输路径出现故障时实时切换到另一条可行路径上。

为了实现这种无缝冗余机制，需要传输的以太网帧会在冗余传输路径开始的节点进行复制，然后通过多条路径同时传输。一般地，帧复制的动作会直接在发送端设备上执行，但如果终端设备不支持冗余网络的连接，那么帧复制会在传输路径上的第一个网络设备上执行。当数据抵达目标节点时，第一份抵达的冗余数据的包会被转发至应用层，而在第一个冗余包之后接收到的同一份数据的冗余包会被识别出来并简单丢弃，这样就保证了冗余数据传输机制对上层协议栈的透明。

冗余路径机制并不受限于对于同一个数据流只能有两条冗余路径，它能够支持多条冗余路径的同时传输。在这种情况下，必须保证每一条路径都满足应用需求的有界延迟。由于该机制使得路径变得更加复杂，因此也需要一个相对便捷的网络管理机制对时间敏感网络内的设备和网络配置进行有效管理。

4 时间敏感网络标准研究进展

当前，时间敏感网络的国际标准研制工作正在IEEE802.1工作组的推动下快速推进，已经发布多项时间敏感网络技术标准，若干标准草案也在不断更新。

4.1 基础标准

基础标准是由IEEE802.1工作组早期发布的一些标准，与时间敏感网络有一定的关联，时间敏感网络技术标准可能会依赖于这些标准，相关技术的应用也可能需要这些标准支撑。包括802.1Q-2014、802.1AB-2016、802.1AS-2011、802.1AX-2014、802.1BA-2011等。

4.2 已发布标准

IEEE802.1工作组已经发布了时间敏感网络相关的6项技术标准。包括802.1Qbu-2016、802.1Qbv-2015、802.1Qca-2015、802.1Qch-2017、802.1Qci-2017、802.1CB-2017等，涉及帧抢占及流量整形等技术。

4.3 研制中标准

正在研制中的标准数量较多，基本覆盖了前文所述的几个关键技术，包括P802.1AS_Rev、P802.1AXRev、P802.1QCC、P802.1Qcj、P802.1Qcp、P802.1Qcr、P802.1Qcw、 P802.1Qcx、 P802.1ABcu、 P802.1CM、P802.1CS等，随着标准研制工作的进展，可以预见标准草案数量将会进一步增长。

5 时间敏感网络在工业互联网的应用

工业互联网的快速发展对通信网络提出了越来越高的要求，制造工艺的提升、控制流程的精细化都需要一个能够快速实时通信的网络来支撑，传统以太网难以满足多种工业场景的需求，而时间敏感网络将会在工业互联网中大有用武之地。

5.1 工厂自动化

在一个离散的工业工厂中，每条生产线上都可能有多个机器人在操作，时间敏感网络能够极大地提高这种操作的灵活性。当前，这些机器人是由本地控制，相互之间只具有有限的同步，来自工厂层以外的数据访问也受到限制。每当需要进行互联互通，要么通过专有网络进行通信，要么通过工业网关进行转发。可想而知，如果移除本地控制功能，或者在通信网络中混入非关键负载，那么就会损害关键负载通信的质量。

时间敏感网络的引入能够避免上述问题的发生。将这些机器人通过时间敏感网络连通，同时同步到一个全局时钟上，即使有非关键负载混入网络，也能够保证控制信号等关键负载的通信质量。这也就意味着，可以将控制网络与数据网络进行集成，也可以将在机器人中散布的诸多控制功能集中到一个具有更强大计算能力的控制云中。更重要的是，从机器人采集的海量数据将不再需要通过网关设备而直接被上层网络感知到，既增强了服务能力，又降低了基建支出。

5.2 电力行业

时间敏感网络能够给电力行业带来更精确的优化、更便宜的发电以及更低的维护成本。发电站的规模十分庞大，构成也非常复杂，不时会有新的应用加入到发电站基础设施中。这些多种不同类型的系统必须共同协作，才能高效发电。然而，系统与系统之间往往具有差异较大的通信平台，这些平台只会进一步增加系统的复杂性。在有实时通信需求的地方，这些系统就要特别保持与上层网络的隔离。

当把时间敏感网络应用到发电厂后，将其作为不同系统的一个标准通信平台，发电厂的架构就能得到大幅简化。通过时间敏感网络，对于需要确定性实时通信的系统来说，可以将这些系统集成到一起，统一调度它们的时间敏感负载，而对于其他高层的管理和安全协议等，则可以在同一个网络中同时传输，相互之间不会发生冲突。同时，时间敏感网络还具备一个优势，即网络故障可以被快速准确定位，并在组件级进行修复。可见，各个系统的更紧密集成能够更高效地提高生产效率。

6 结束语

时间敏感网络是在传统以太网上提供确定性信息传输的标准化技术。当前，时间敏感网络技术还处在发展初期，相关标准的研究也在逐步推进。我们应密切关注国际标准的研制工作，适时推动国内标准的制定。同时，加强与各工业企业的交流，共同探讨时间敏感网络在工业领域的应用与发展，建设时间敏感网络测试床及试验验证环境，为相关技术的研发、标准的制定提供有利的条件。