目前的工业趋势，如工业4.0和工业物联网(IIoT)，导致更多的通信在不断增长的融合网络。这种网络需要灵活性和可伸缩性，以支持从小型设备到机器和生产线控制设备以及大数据服务器系统的一切。他们还需要为时间关键的实时通信确保有限的延迟。时间敏感网络(TSN)由以太网标准化组织IEEE定义。它旨在涵盖所有这些要求，以便在融合网络中同时使用确定性和非确定性通信。
在详细介绍TSN的特性之前，首先应该澄清TSN不是一个协议。相反，TSN是一组共同支持标准化确定性以太网的特性的通用术语。如果没有这些特性，标准以太网就无法实现实时。注:下面描述的TSN特性是根据IEC/IEEE 60802工业自动化联合概要选择的。
这幅插图描述了网络流量是如何进入的
在时间敏感的网络中留下了桥梁。
TSN特性的基础是以太网中两个建立已久的原则:时间同步和优先级。首先，如果每个发送方和接收方的内部时钟与网络上的其他时钟同步，TSN的工作效果最好。其次，通过网络从发送方到接收方的数据称为流，并被分配优先级。IEC/IEEE 60802规定了4个优先级类。出于我们的目的，让我们将这些简化为三个类:high、low和best-effort。如果我们以道路上的车辆为例，优先排序就类似于高速公路上的HOV车道。
除了发送器和接收器，任何网络中的另一个关键硬件是以太网交换机，或者用TSN的说法，桥接器。桥梁的特征也可以用道路和车辆的类比来解释。桥梁最好被认为是交通圈。车辆进入旋转(桥)，根据需要穿过环形，并在适当的道路上退出。类似地，以太网帧到达网桥后被定向到正确的端口而不会造成拥塞损失。这种防止桥梁堵塞损失的方法是TSN的关键部分之一。
这个插图展示了在具有和不具有保护带和抢占的时间敏感网络中如何处理高帧、低帧和最佳帧。
把发送者想象成一个轮班结束的工厂。所有的工人都想在同一时间开车离开。为了避免网桥上的拥塞损失(并保持有限的延迟)，发送方根据优先级调度传输帧的顺序。
一旦到达桥梁，排序本身并不是决定哪些车辆可以在他们想要的点离开的唯一方法。在内部，网桥可以建立类似优先级帧的队列。然后，算法将确定每个队列要发送的下一个帧。这意味着可能永远不会发送低优先级的队列。取而代之的是，优先级队列被一个重复的时隙周期所取代，以确保所有优先级的帧都可以被发送。这被称为时间感知形状器(TAS)，类似于城市公共汽车时刻表。每个时间段都从高优先级帧开始。
接下来是低优先级帧。最后，槽中的剩余时间被不依赖于时间意识的最佳努力框架填充。通过这种方式，所有优先级都被传输，同时保持高优先级流量的确定性。
此示例演示了如何将来自TSN域之外的流量与时间敏感的流量穿插在一起，以实现融合网络。
在每个时间段结束时，TAS创建一个称为保护带的短时间窗口。它的目的是确保最好的帧的传输不会溢出到下一个插槽的高优先级帧，从而延迟高优先级帧。通常，最佳努力框架是相对较大的。在这种情况下，保护带必须与潜在的最大帧的传输时间一样大。
在这种情况下，TAS的带宽效率很低。相反，具有时间意识的桥可以计算这些大型最佳帧的传输时间，然后决定它们是否可以在槽位结束时完成传输。如果不是，这些帧被分割成片段，分别传输，并在下一个网桥上重新组合。这个过程被称为抢占。它最小化了保护带的大小，消除了延迟和拥塞损失，并最大化了时隙利用率(即，最大努力的流量吞吐量)。
本插图描述了网络管理引擎的操作，处理TSN网络的配置。
在融合网络中，TSN域很可能连接到非TSN能力的设备，甚至连接到另一个TSN域。桥上连接TSN域外设备的端口称为边界端口。为了保护域内的网络资源，边界端口调用一个称为入口速率限制器的函数。
如果我们回到道路上的车辆类比，进入速率限制器的工作原理就像高速公路匝道红绿灯。该灯根据高速公路上的交通密度来调节车辆进入高速公路的通道。
然而，这些TSN边界比典型的红绿灯更智能。他们可以单独分配优先级，有效地允许车辆直接加入HOV车道。用技术术语来说，这是优先级和VLAN分配的重新映射。
网络管理引擎
如果所有这些听起来都非常复杂，那是因为事实就是如此!即使是今天的以太网，如果您熟悉它的内部工作原理，它也是相当复杂的。然而，以太网非常容易使用。这同样适用于这些复杂的TSN特性。根据IEC/IEEE 60802，启用和处理这些机制的软件是TSN域管理实体(TDME)。在Profinet中，我们称之为网络管理引擎(NME)。NME负责所有的计算、规划、配置和资源分配，使TSN网络的管理变得容易——如果不是对用户不可见的话。
你可能会问自己:为什么要做这一切?在某些工业以太网协议(如Profinet)中不已经存在类似的特性吗?
答案是肯定的，但我们不是为了功能，而是为了它们带来的好处。例如，由于IEEE标准化，由于有现成的支持tsn的以太网芯片，可以使用各种各样的硬件。这对自动化组件供应商是有利的，因为它降低了成本，并推动了技术供应商之间的竞争。
对于终端用户来说，好处是显而易见的:基于TSN的融合网络支持即插即用制造。这种技术使新的机器和网络概念成为可能。
