时间敏感网络技术及其应用探析

周春云 杨锐

【摘  要】 时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）指的是处在OSI参考模型数据链路层之中的协议标准，表现为将传统以太网作为基础，向时间敏感型数据提供确定性的传输协议，能够确保数据传输的有效性与实时性。所以，TSN技术在工业、汽车控制、航空控制、武器控制系统等相关行业拥有十分广泛的应用前景。

【关键词】 时间敏感技术；以太网；数据传输

一、TSN概述

TSN技术是在 IEEE 802.1 框架范围内创建的标准技术基础，以保证服务质量（QoS）和以太网日益增长的需求，它扩展了AVB（音视频桥接）技术，成为基于以太网的新一代网络标准，具有时间同步、延时保证等实时性功能。TSN主要应用于汽车控制、工业控制、航空控制、武器控制系统等领域，为这些领域提供确定性、鲁棒性、可靠性的网络连接。TSN技术包括多个独立的标准，这些标准属于OSI通信的第2层，意味着使用TSN技术，用户接口将保持不变。TSN技术可以为用户提供预留带宽、服务质量（QoS）机制、低传输延迟和多协议（包括实时协议）的并行传输等功能。TSN技术的主要目标是实现IT与OT流量的统一承载，并保证数据包的延迟、抖动、丢包等问题在限定范围内。在工业自动化领域，TSN技术的应用前景尤为广阔，可以实现工厂设备和系统之间的高效、实时通信，以提高控制系统的响应速度和精度，实现工业物联网连接，确保机器人之间的精确同步和协作并提供安全可靠的网络环境。

二、TSN 关键技术分析

时间敏感网络（TSN）是一种针对实时性、可靠性要求较高的网络技术。在工业自动化、航空控制、视频监控等领域具有广泛应用。TSN 的关键技术主要包括时钟同步、流量调度和网络配置。

（一）时钟同步技术

时钟同步是TSN中的核心技术，其保证了网络中各个设备的时间一致性。高精度时钟同步协议（如 IEEE 802.1AS）提供了时间敏感网络中的精準定时和同步机制。时钟同步技术主要包括以下三种，一是GPS/北斗同步。通过全球定位系统（GPS）或北斗导航系统获取标准时间信息，实现高精度时钟同步。这种同步方式具有较高的精确度和稳定性，但受限于信号遮挡和卫星系统故障。二是NTP/SNTP协议。通过网络时间协议（NTP）或简单网络时间协议（SNTP）在网络中传递时间信息，实现时钟同步。NTP协议可以实现亚毫秒级别的时钟同步，适用于局域网和广域网。SNTP协议适用于更简单的网络环境和较低的同步精度要求。三是卫星授时同步。在卫星网络中，采用卫星授时同步的方式实现星间、星内的时钟同步。这种同步方式具有较高的精确度和可靠性，但部署成本较高。

（二）流量调度技术

流量调度是TSN中确保数据传输实时性和可靠性的关键手段。TSN采用确定性调度机制对事件进行响应，从而实现低延迟、超高可靠性的数据传输。流量调度技术主要包括三项，1. 优先级调度。根据数据包的优先级进行调度，确保高优先级数包优先传输。优先级可以通过业务类型、数据包标签等方法进行设定。2. 时分复用。将不同数据流的传输时间进行划分，使各数据流在规定的时间片内传输。时分复用（TDM）技术在TSN网络中保证了时间敏感业务的优先级和可靠性。3. 级联调度。通过级联调度算法，实现多个时间敏感应用程序之间的公平调度。级联调度可以在保证实时性的同时，实现网络资源的有效利用。

（三）网络配置技术

网络配置技术影响了TSN的性能和稳定性，合理配置网络参数可以提高网络资源利用率，降低网络延迟，确保时间敏感业务的正常运行。网络配置技术主要包括三项，一是路由算法。根据网络状况和业务需求，选择合适的路由算法，实现数据包的快速传输。例如，短路径优先（SPF）算法、距离向量路由（DV）算法等。二是拥塞控制。通过拥塞控制策略，避免网络拥塞，确保数据包的可靠传输。常见的拥塞控制方法有速率限制、拥塞窗口调整、自适应拥塞控制等。三是网络优化。针对特定应用场景，对网络参数进行优化，提高网络性能。例如，负载均衡、缓存策略、链路捆绑等。

三、时间敏感网络技术的应用分析

（一）在航空控制方面的应用

时间敏感网络（TSN）技术是近年来备受关注的一种网络技术，其通过提供精确的定时和同步功能，显著提高了网络通信的确定性和可靠性。在航空领域，这种技术的应用前景尤为广阔，主要包含以下几方面。一是航空通信网络。在航空通信网络中，TSN技术为构建高效、稳定的通信架构提供了可能。无论是机载通信系统还是地面控制系统之间的数据传输，都需要高度的实时性和可靠性。TSN不仅能实现更低的数据传输延迟，还能确保数据在传输过程中的完整性，这对飞行中的实时决策和地面指挥中心的策略调整都具有决定性的意义。二是飞行器控制系统。该系统是一个数据处理和传输的密集区域。飞行数据、传感器信息、导航数据等都需要在极短的时间内得到处理并传输到相应的控制单元，通过对TSN技术的运用能够确保这些数据流在各个组件之间实现同步传输，让数据能够在正确的时间点到达，从而提高飞行控制的精度和飞机的整体响应速度。三是机载传感器融合。现代飞机都装备了多种传感器，如雷达、激光雷达和摄像头等，用于实时感知飞行环境和导航。这些传感器产生的数据量巨大，而且需要高度同步才能实现有效的数据融合。在TSN技术的作用下，可以确保这些数据流实现精确的同步，从而为飞行提供更为准确的环境感知信息，进一步增强飞机的自动驾驶和飞行辅助系统的性能；无人机编队飞行。TSN技术能够为无人机编队飞行提供了有力的技术支持，保证各个无人机在飞行过程中实现高度的协同和同步。四是卫星通信。卫星与地面站以及卫星与卫星之间的通信需要高度的可靠性和实时性，TSN技术可以确保卫星通信系统实现高效、稳定的数据传输，从而提高航空导航、气象预报和远程通信等应用的服务质量。五是空中交通管制。TSN技术可以确保空中交通管制系统实现信息的实时、准确传输，从而提高空中交通管制的效率和准确性，为航空安全提供更为可靠的保障。

（二）在工业自动化中的应用

时间敏感网络（TSN）技术在工业自动化中的应用已经越来越广泛，主要涉及以下几个方面。

首先，实时通信与控制。在现代工厂中，设备和系统之间需要高效、实时地交换信息，以确保生产过程的顺利进行。TSN技术通过提供精确的定时和同步功能，能够确保控制指令的实时传输和执行。意味着无论是设备状态更新、故障预警还是生产调整，都可以在短时间内得到响应和处理。通过TSN，工业自动化系统能够在复杂、多变的生产环境中实现精确的同步和协作，从而提高生产效率，优化生产流程，并确保产品质量。

其次，工业物联网连接。随着工业4.0的推进，越来越多的智能设备和传感器被部署在工厂中，它们产生的数据对企业的决策和优化至关重要。TSN技术与工业物联网的结合，可以实现这些设备之间的高精度时间同步和数据传输。意味着无论是设备状态、生产数据还是环境参数，都可以被实时、准确地采集和传输。利用这些数据，企业不仅可以实时监控生产过程，还可以进行历史数据分析，发现生产中的瓶颈和问题，从而进行针对性地优化和改进。

再次，机器人与生产线协同。在自动化程度越来越高的工厂中，机器人扮演着越来越重要的角色，TSN技术可以确保机器人之间实现精确的同步和协作，诸如协同完成任务、避免碰撞、优化工作流程等，这意味着生产线上的各个环节可以被更加紧密的连接在一起，实现高效、靈活的生产模式。此外，通过TSN技术，还可以实现机器人与人类的安全交互，进一步提高生产的安全性和效率。

最后，安全可靠的环境。对任何企业而言，保障生产过程的安全性和可靠性都是至关重要的。TSN技术通过提供加密、认证和确定性通信机制，可以确保数据传输的安全性和工厂的可靠性。意味着无论是内部通信还是与外部系统的连接，都可以得到充分的保护，防止未经授权的访问和攻击。此外，TSN技术还可以提供故障预警和恢复机制，确保在发生故障时能够迅速响应并恢复正常生产。

由此可见，时间敏感网络（TSN）技术在工业自动化中的应用具有多方面的优势和价值。无论是提高生产效率、优化生产流程还是保障生产安全，TSN技术都可以发挥重要作用。随着技术的不断进步和应用场景的拓展，相信TSN技术将在工业自动化领域发挥越来越重要的作用。

四、TSN的典型应用场景分析

本文将典型的武器操控系统为例，根据其内部组网特定需求，立足于分系统与总系统层面，探究怎样运用TSN提高控制系统所具备的智能化以及自动化水平。图1表现为TSN技术在武器控制系统分系统方面的潜在方案。对火控系统而言，其包含若干个功能模块，不同模块在以太网交换机的作用下，实现数据传输交互。在协同分布式组件数据采集、传输、处理以及控制的过程中，传统方式为运用硬件专线连接功能模块和时钟源，对时钟脉冲进行周期性发送的方式达到同步。

但硬实时系统带外硬线连接涉及诸多不足之处，一方面接线复杂，若再增加冗余容错会导致时钟同步设计的复杂程度上升，不利于维护和管理。另一方面，单个组件如果丢失同步，无法第一时间发现。而运用TSN的gPTP技术，能够带内方式实现软同步，让时钟同步和数据信息等，能够基于交换网络达到统一承载的效果，进而简化系统组件互连结构，并提高诊断同步性。在gPTP的作用下，可以达到亚微秒级时间同步，除此之外，IEEE 802.1AS-2020还能够支持许多不同类型的冗余容错机制，对火控系统可靠性、同步性以及实时性需求进行满足。

将TSN技术作为基础的业务融合方案，除了能够有效支持网络子系统集成之外，还有利于集成子系统功能业务计算。此TSN组网方案主要将集中计算单位作为重点，例如供电与推进系统的信息处理中心，建立并行传输骨干网络，达到冗余容错的效果，供电与推进子系统终端结合部署需求，秉承就近接入原则，将TSN交换设备接入，关键数据信息通过两条并行路径，往信息处理中心进行传送，以此达到冗余容错的效果，非关键和关键信息主要采取共网传输的方式，此方式不会对关键信息传输服务质量造成影响。在该方案的作用下，让多子系统网络构建与管理涉及的复杂性增大，让各类终端组件能够灵活地接入网络系统，方便集成计算功能，进而通过软件定义的方法实现对全网的监控管理以及维护升级。