时间敏感网络及其在轨道交通领域的应用探讨

董 衡，王 婵

（湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410005）

0 引言

当前，时间敏感网络（time sensitive network,TSN）被普遍认为是下一代网络的演进方向。目前TSN协议簇已经基本趋于完备，技术趋于成熟[1]。相较于传统网络的“尽力而为”传输，TSN可为网络中的业务传输提供确定性的时延。轨道交通信号系统需要传输的业务种类较多，且各业务传输性能指标要求差别较大。面对这种情况，目前轨道交通信号系统实际项目中通常采用划分多个虚拟局域网(virtual local area network，VLAN)方式来传输不同的业务，但是这种方法不能满足一些业务对时延确定性的要求；若直接采用多张物理网络方式分开进行传输各类不同业务，又会造成项目成本的大幅增加。如果将TSN引入到轨道交通数据通信网络中，以解决各类业务统一传输的问题，则不仅能保证各类业务传输性能，还将大大降低组网成本。

1 TSN技术简介

通用以太网是一种共享介质类型的网络。在传统以太网中，不同来源的业务流量被传输并共享相同的网络设备，网络中的任何设备均可随时发送数据，而广播数据或视频等大规模数据的传输会造成数据在传输时间方面既不精准也不确定，严重时会引起网络负载的增加甚至导致网络瘫痪。可见，通用以太网技术的共享网络基础设施和数据连接方式无法满足网络传输的实时性和可靠性要求。

TSN是一种在传统以太网上提供确定性信息传输的标准化技术，其最根本的目标在于提供一种方法来确保信息在一个确定、可预测的时间范围内从源节点传输到目的节点。标准IEEE 802工作组对TSN的描述是能够提供具有有界低延时、低抖动、极低数据丢包率的数据传输能力，因此其主要特性包括[2]：

（1）在运行应用和控制应用的设备上维持端到端的时间同步；

（2）通过多种调度和管理机制提供有界低延时，以达到零丢包率目的；

（3）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；

（4）通过数据帧复制、主从时间源等机制提供网络的高可用性，同时TSN支持需求迥异的多种负载的同时传输；

（5）通过标准化技术的应用，能兼容不同应用场景和既有协议。

TSN技术不是一个协议标准，而是由一簇工作在介质访问控制(medium access control, MAC)层的协议组成。在这些协议的支持下，一方面TSN能够确保交换网络中的数据传输时延，另一方面时间敏感数据流和非时间敏感数据流能够在同一网络中混合传输，非关键负载的并行传输不会影响到关键负载的传输时延。值得一提的是，TSN使得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。在以太网音视频桥接技术(audio video bridging, AVB)标准的基础上，IEEE随后研究并发布了一系列TSN协议标准，具体如表1所示。

表1 TSN相关标准Tab.1 Protocols of TSN

虽然TSN的协议标准众多，但是其核心机制主要由时钟同步协议（IEEE 802.1AS）、基于时间唤醒机制队列和转发协议（IEEE 802.1Qbv）、帧抢占策略（IEEE 802.1Qbu/IEEE 802.3br）和网络配置（IEEE 802.1 Qcc）构成[3]。

2 TSN在相关行业的应用

TSN不仅可为信息传输提供确定的时延，而且可保证各种总线之间的兼容性和互操作性，因此能很好地实现各种设备之间实时、确定且可靠的数据传输。最初，人们为了满足音视频的传输需求，对以太网进行了协议扩充，形成了AVB技术，为音视频传输提供保障；如今，在AVB的基础上发展而来的TSN技术，可以满足工业制造、汽车行业等领域对多设备之间数据可靠传输的要求。

目前TSN协议簇已基本完备，技术趋于成熟，主流网络设备厂商纷纷进入产品或者方案研发阶段[4]。通信设备制造商，如华为公司、思科公司等，对TSN极为关注，均投入了力量并研发出了TSN交换机和相应的TSN测试床[5]。另外，网络设备的应用厂家也极为关注TSN技术，如在汽车行业，广汽集团正在研发基于TSN的车内网络；在制造领域，三菱工厂与摩莎公司合作，开发了工厂生产线的TSN试验线；在网络测试领域，思博伦通信公司已有支持TSN测试的成熟设备；在芯片领域，美国博通公司已有对TSN支持的芯片，国内相关厂家也在对TSN芯片进行研发。可以预见，TSN将成为未来网络发展的趋势之一。

在工业控制领域，在有机器人操作的工厂生产线上，TSN的应用能够极大地提升操作的灵活性。华为公司TSN产品已被应用于机器视觉系统智能制造TSN模拟示范产线，其通过视觉系统与两个机器手臂间的高速协同进行充电宝产品的装配。可见，采用TSN技术的高速协同自动化可为制造企业实现智能化生产和检测提供可靠的技术方案，以帮助企业提质增效，缓解用工难的问题。另一方面，在2018年的德国汉诺威工业博览会上，由Avnu联盟、工业互联网产业联盟AII、边缘计算产业联盟ECC、华为公司、施耐德电气公司、国家仪器公司、贝加莱公司、TTTech公司等20余家知名组织和厂商发布了TSN+OPC UA的智能制造测试床[6]。测试床融合了TSN和OPC UA技术，提高了工业设备的通用性。

在汽车车载网络领域，近年来智能交通逐渐走进人们的视线，车上部署的摄像头和传感器等设备的数量越来越多，CAN和Flexray等[7]传统总线方式已无法满足日益增加的带宽需求。而TSN技术凭借其高灵活性和强拓展性已逐渐成为一个新的技术解决方案。将TSN作为通用的车内网络，不仅可以简化车内网络架构，同时还可保证时延和带宽。目前支持TSN的车载设备逐渐上市，如Marvell公司推出了一款8端口、高安全性车载千兆网络交换芯片，命名型号为88Q5050，它支持TSN协议簇中的IEEE 802.1Qav和IEEE 802.1Qbv功能；博通公司也发布了支持IEEE 802.1AS, IEEE 802.1Qbv, IEEE 802.1Qav和IEEE 802.1Qci等协议的BMC 5316x系列交换芯片，其目标市场是无人车、无人机和L3级的无人驾驶系统[8]。

3 TSN在轨道交通领域的应用探讨

随着城市化发展进程的加快，轨道交通在交通运输领域中的地位日益提升。城市轨道交通通信系统控制着具有运营指挥、传递信息和服务乘客等功能的信息网络平台，需要具有可靠性、平稳性和传递内容的多样性[9]。因此合理地规划设计轨道交通通信系统，不仅能够满足正常运营需求，还可以降低投入成本。

3.1 轨道交通数据通信系统概述

城市轨道交通基于通信的列车自动控制系统(communication based train control，CBTC)，其网络部分被称为数据通信子系统(data communication subsystem，DCS)[10]，包括地面有线网和车地无线通信网络（图1）。DCS网络采用冗余双网（A网和B网）设计，两张网络完全独立，互不影响[11]。DCS网络系统需要承载综合业务，其中CBTC信息、紧急文本信息及视频监控信息等直接影响城市轨道交通运营安全，因此对传输的可靠性和实时性有很高的要求，且视频监控信息还要求满足一定的传输带宽[12]。

图1 DCS网络综合承载结构Fig.1 Synthetic carrying structure of DCS network

针对CBTC网络系统中传输业务种类较多且各业务对网络传输性能要求不同的问题，目前业界普遍采用A/B双网冗余架构，其中A网单独用于CBTC业务的承载，B网用于CBTC业务的备份并传输语音、CCTV等其他业务。DCS系统传输的业务及需求如表2所示[13]。可以看出，DCS系统需要传输的信息种类较多。为了保证信息传输的效果，各类信息不在同一张网络中传输，因而网络建造成本较高。

表2 轨道交通通信需求Tab.2 Communication demand of rail transit

3.2 轨道交通网络架构构想

TSN最关键的目的在于“同一”网络的数据传输，即周期性地控制通信需求和使非周期的数据在同一个网络中传输。网络所承载业务中的CBTC信息、紧急文本信息、视频监控等业务的优先级和所需的带宽各不相同，因此可以在有线网中采用TSN，给网络中各个业务规划固定的传输时隙。具体而言，基于时分多址的思想，在循环周期内根据各业务带宽划分指定时隙给对应的业务（图2），其中t1～t4的大小根据业务带宽而指定。如此规划后，不仅各个业务的传输互不被干扰且时延可控，同时可将各业务集中在同一物理网络上传输，从而有效降低成本。

图2 DCS有线网络时隙划分Fig.2 Time slot division of DCS wired network

当然，要实现这些性能的前提是网络中的交换机和终端设备均支持TSN协议。图3示出一个TSN网络的简单示意，其中设备经支持TSN协议的终端（TSN EP）被连接至TSN交换机，构建成了一个较为完整的网络。

图3 构建TSN网络示意Fig.3 Schematic diagram of building TSN network

相较于普通网络，在TSN网络的支持下，系统可确保关键数据或者是控制信息的实时和准确传输，有线网的传输可以达到时延可估计、传输性能稳定的效果；同时可简化网络结构，节省建设网络成本。考虑到TSN极有可能成为未来网络标准，所部署的TSN网络也将可能成为未来网络的基础设施。

3.3 关键问题

TSN技术的特点是为传输提供确定性时延和对各种总线之间的兼容性和互操作性，因此其可以很好地实现各种设备之间的实时、确定而可靠的数据传输，能够满足众多行业的应用需求。然而，现阶段TSN仍然没有得到广泛的应用，主要原因在于：一方面，TSN的标准协议簇中部分协议依旧处于修订、更新和评审状态；另一方面，TSN属于新技术，需要进行市场培育和广泛宣传才能逐渐得到推广。

从网络交换端的角度来看，目前市面上的TSN交换机普遍是原理验证样机或者是基于FPGA而开发的，成熟度较低且成本较高。要研发出成熟的工业级TSN交换芯片及交换机仍然需要一定的研发周期。从网络终端节点的角度来看，要做到对整个网络的统一调度，网络中需要有支持TSN各项协议的终端器件，因为只有整个网络系统中的各个节点均支持TSN相关协议，整个网络系统才能达到时钟同步效果，网络中各个节点之间才能互相约定数据的发送和接收，做到流量的时延和抖动可控。然而目前各个厂家主要精力均集中在对交换芯片和交换机的研发，对支持TSN的终端芯片关注较少，导致目前组网中终端器件难以支持TSN，进而也难以实现对整个网络的统一调度。从应用的角度来说，需要将TSN网络的搭建和配置做到简单友好，普通用户能够很快入手，才能较为顺利地推广至传统行业用户。

4 结语

TSN是开放式系统互联通信参考模型（OSI）数据链路层中MAC层的一簇协议，能很好地兼容现有网络，同时能够给网络传输提供确定的时延和低抖动，很好地实现各种设备之间的实时、确定和可靠数据传输，满足未来多个行业的多设备之间数据可靠传输。然而目前TSN尚未得到广泛应用，在很多方面需要继续改进甚至是创新，也需要学术界和产业界的深入合作。随着各方面技术的成熟及行业迫切应用需求的增加，相信未来TSN技术将会在轨道交通领域得到广泛的应用。