TSN不是单个协议,是IEEE 802.1工作组定义的一组二层以太网扩展标准,核心目标:在标准以太网之上实现时间同步、确定性低时延、流量调度、冗余可靠、资源预留,主要用于工业自动化、车载、核电、轨道交通、5G前传等场景。
整体分为5大类:时间同步、流量调度/整形、资源预留与网络配置、可靠性冗余、行业应用行规(Profile)
一、时间同步(基础前提)
IEEE 802.1AS(gPTP,广义精确时间协议)
TSN最核心时钟同步标准,基于IEEE1588 PTP裁剪优化,二层时间同步,全网节点统一时间基准,是所有时间感知调度的基础;提供纳秒级同步精度。
二、流量调度与整形(时延保障核心)
1. IEEE 802.1Qbv 时间感知调度(Time-Aware Shaper, TAS) 时间门控调度,交换机按时间切片划分时隙,关键实时流在专属时隙独占发送窗口,隔离普通流量,实现确定性时延。工业TSN最常用。
2. IEEE 802.1Qav 信用整形(Credit-Based Shaper, CBS) AVB继承过来,基于信用值控制突发流量,保护音视频/软实时流,控制抖动。
3. IEEE 802.1Qch 循环排队转发(CQF) 循环队列,双缓冲机制,简单低开销,适合周期性控制流,也叫“peristaltic shaper蠕动整形器”。
4. IEEE 802.1Qbu + IEEE 802.3br 帧抢占(Frame Preemption) 允许高优先级帧打断正在传输的低优先级帧,减少关键帧等待时延;802.1Qbu定义控制逻辑,802.3br定义MAC层分段机制。
5. IEEE 802.1Qci 每流过滤与监管(Per-Stream Filtering and Policing) 对每条流做单独流量限速、过滤,防止某条流突发拥塞占用带宽,保护其他实时流。
三、资源预留与网络配置
1. IEEE 802.1Qat 流预留协议 SRP 终端向网络申请预留带宽与资源,交换机沿路径做资源检查,建立端到端流预留,是AVB时代的核心预留协议。
2. IEEE 802.1Qcc SRP增强与集中式网络配置 扩展SRP,新增集中式/分布式混合网络配置模型,支持YANG模型,可网管,现代工业TSN主流配置方案。
3. IEEE 802.1Qca 路径控制与预留(PCR) 显式指定转发路径,沿路径预留资源,支持静态路由,用于硬确定性场景。
4. IEEE 802.1Qcp / 802.1Qcw YANG数据模型 定义TSN交换机、门控列表、抢占、流监管的标准化配置模型,支持自动化网络配置。
四、可靠性冗余
1. IEEE 802.1CB FRER 帧复制与消除 发送端复制一份帧走独立冗余链路;接收端收到重复帧丢弃,链路故障时无丢包,实现无缝冗余,工业高可靠场景必备。
2. IEEE 802.1CS LRP 链路本地注册协议 链路级本地注册,辅助FRER、流标识管理。
五、行业应用行规(Profile,组合规范)
行规不是新协议,而是选定TSN协议子集、参数默认值,保证不同厂商设备互通:
• IEC/IEEE 60802:工业自动化TSN行规
• IEEE 802.1DG:车载以太网TSN行规
• IEEE 802.1CM:5G承载前传TSN行规
• IEEE 802.1DP:航空机载TSN行规
补充基础底座
IEEE 802.1Q:VLAN与桥接基础标准,TSN所有扩展都建立在802.1Q桥框架之上。
最简记忆组合(工业场景常用)
802.1AS(时钟)+802.1Qbv(门控调度)+802.1Qci(流监管)+802.1CB(FRER冗余)+802.1Qcc(配置)
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