前言
隨着工業物聯網（IIoT）的興起和工業4.0的提出，越來越多的設計師、工程師和最終用戶關注時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking，下簡稱為TSN）。TSN為以太網提供確定性性能，本質上是一個傳統以太網的擴展集。
TSN歷史
TSN是一項從音視頻領域延伸至工業、汽車、移動通信領域的技術，最初來源於音視頻領域的應用需求，當時該技術被稱為AVB，由於針對音視頻網絡需要較高的帶寬和最大限度的實時，借助AVB能較好地傳輸高質量音視頻數據。
2005年，IEEE802.1工作組成立AVB音視頻橋任務組，並在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網絡中數據實時同步傳輸的問題。這一點立刻受到來自汽車和工業等領域人士的關注。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍，並同時將任務組名稱改為現在的TSN任務組。
不論是AVB和TSN，都主要定位於數據鏈路層（如圖1所示）；物理層方面，IEEE也做了新標准：IEEE 802.3bp和IEEE 802.3bw。
圖1 傳統以太網7層模型結構
傳統以太網
以太網的概念是1973年提出的，使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問和沖突檢測）技術，通常使用雙絞線（UTP線纜）進行組網。包含標准以太網（10Mbit/s）、快速以太網（100Mbit/s）、千兆網（1Gbit/s）和10G以太網（10Gbit/s）。它們符合IEEE802.3。
圖2 傳統以太網數據幀傳輸隨時間分布圖
以太網采用串行方式傳輸數據，但是帶寬由多個設備共享，這也是以太網的優勢所在。但是所有的發送端沒有基於時間的流量控制，采用盡力而為（BestEffort）的轉發機制，即這些發送端永遠只是盡最大可能發送數據幀（如圖2所示）。如果來自不同設備的數據流在時間上產生重疊，就會發生沖突。由於所有數據流重疊/沖突的部分會遵循QoS優先機制進行轉發，這就會造成在網絡負載提升以后部分數據包被延遲很久轉發甚至被丟棄。在IT行業里有個不成文的規定：當某個交換機的帶寬占用率超過40%后就必須要擴容，目的是通過提高帶寬來避免擁堵產生。
以太網在發明之時並未考慮實時信息的傳輸問題。盡管我們可能熟知的廣泛應用於視頻會議系統、IP電話產業的實時流媒體協議（RTP）能夠在一定程度上保證實時數據的傳輸，但由於網絡傳輸路徑的不確定性和設備處理的並發機制導致不能按順序傳送數據包來提供可靠的傳輸機制。如若需要排序，就需要設置緩沖區來處理數據。但是一旦采用緩沖機制就會引入新的問題—延遲。即當數據包在以太網中傳輸的時候從不考慮延時、排序和可靠交付。其最大的缺點是不確定性或稱之為非實時性。這種不確定性導致傳統以太網並不能滿足准確定時通信的實時性要求，一直被視為“非確定性”的網絡。
盡管傳統二層網絡已經引入了優先級（Priority）機制，三層網絡也已內置了服務質量（QoS）機制，仍然無法滿足實時性數據的傳輸。此外，在傳統以太網中，只有當現有的包都處理完后才會處理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要幾百微秒甚至更多的延遲，滿足不了車內應用的需求。更何況目前是Mbit/s的速率，延遲最多可能達上百毫秒，這肯定是無法接受的。傳統以太網采用的是事件觸發傳輸模式，在該模式下端系統可以隨時訪問網絡，對於端系統的服務也是先到先服務。事件觸發模式的一個明顯的缺點是當幾個端系統需要在同一傳輸媒介上同時進行數據通訊時，所產生的傳輸時延和時間抖動會累積。
AVB起因和發展
傳統的音視頻（AV）設備配置曾是單用途的點對點單向連接。這種專用的連接模式使得使用者在應用中需要大量的布線，導致難以管理和操作。解決這一問題有多種經認可的機制，但是所有這些機制都會存在以下一項或多項問題：不標准、難以操作和配置、不靈活、價格昂貴，遷移到以太網是公認的解決專業AV設備需求的方法。
AVB的出現源於市場上包括Dante、CobraNet、EtherSound在內的通信協議，這些協議都是各個廠家獨立建立的協議標准，並不是真正的國際通用標准，這對通用性和兼容性存在一定障礙。在此情況下，電氣與電子工程師學會（IEEE）802.1委員會組建了專門的工作組提出並出台了AVB技術標准。
AVB的目標是在傳統以太網的基礎上，通過保障帶寬、限制延遲和精確時間同步三個方面來提供服務質量，統一整合實時音視頻媒體流和常規異步以太網數據流，以支持各種基於音視頻的網絡多媒體應用。憑借AVB，管理人員能夠采用混合數據網絡來管理整個網絡，相較於並行獨立系統更省時、成本更低、效率更高。
AVB既是IEEE標准，在音頻上又有着Dante般的強大優勢，同時還能傳輸視頻和控制信號，此外還有AVnu Alliance的強力推進（AVnu Alliance是思科、英特爾、三星、博通、Harman International、賽靈思聯手在2009年創立了一個行業聯盟，其使命是推廣 AVB 標准的使用和認證，並確保AVB 設備之間的兼容性。近些年不少的音響制造商們也紛紛加入這個行列，以確保他們的研發工作都能夠嚴格地遵循這些標准），還沒有專利費用，這使得業內想不關注AVB都難。一時間人們紛紛對此給予厚望，認為AVB 的出現必將創造音視頻行業的新時代，各公司的私家協議如昨日黃花不日將被淘汰，這些年各大專業展會論壇，AVB總是熱門話題，相關產品和方案也是層出不窮。不過只要稍加注意就會發現，在熱熱鬧鬧的背后，AVB的實際工程案例確是少之又少，而Dante雖然相對低調，但案例確實越來越多，這是為何呢？
有專家認為： 在AVB發展前期，能夠確定和使用的只有音頻標准，視頻標准遲遲未能確定，音視頻同步本是AVB的最大特色，少了視頻的AVB就如缺了一條腿，優勢大減。此外AVB交換機的端口固定，不如Dante方便，Dante端口可以任意設定、即插即用零配置；同時AVB還需要硬件方面的投資，AVB技術的最重要的核心就在於AVB交換機，但它與現有的以太網交換機不同且不能兼容，這對於用戶來說是一筆不小的開銷。
AVB的優勢就在於大型多通路項目的應用，此類項目涉及金額較大，項目方設備選擇謹慎，多會選擇成熟產品方案。而AVB相對較新，且支持項目不夠靈活，不能兼容現有設備，加之視頻標准遲遲未定，投資比市場其他協議設備也要高出不少，因此很少被采用。
TSN誘因
2011年，美國汽車工程師學會（SAE）以TTEthernet【下簡稱為TTE】為核心跨界推出了AS6802標准，為了和TTE有所區別，稱之為Deterministic Ethernet或 Time-Triggered Ethernet。它是飛機航天領域內的以太網應用標准，也可在汽車上使用。它將時間觸發傳輸的實時性、確定性、容錯能力與傳統以太網“盡最大努力”傳輸的靈活性、動態性等特點相結合，可支持不同類型的應用業務。
AS6802是一個非強制性標准，其支持者包括洛克希德馬丁、龐巴迪、巴西航空工業、通用動力、西科斯基飛機、霍尼韋爾、BAE、Ultra電子、GE Fanuc和TTTech。
TSN發展
IEEE受到了在2011年AS6802標准的推出的刺激，之后於2012年將AVB任務組改名為TSN，其目標不僅在車載領域，還包括專業音視頻領域、工業自動化領域、移動通信領域。TSN的主要支持者包括思科、英特爾、瑞薩、德國工業機器人巨頭KUKA、三星哈曼、寶馬、通用汽車、現代汽車、博世、博通、德州儀器、恩智浦、三菱電機、LG、Marvell、通用電氣等。
TSN是一系列標准，非常龐大，也非常靈活，可以按需求選擇，不過對技術的要求較高，不易抉擇。它從四個方面（時間同步、延遲、可靠性、資源管理）考慮擴展傳統以太網標准，以滿足不同系統在時效性方面的需求。
后記
TSN已不再只是一個理想化項目，而是已成為被行業組織認證的廣泛使用的標准。從2019年年初的漢諾威工博會可略見TSN對於工業領域的重要性。其主題為“融合的工業——工業智能”，作為“工業智能”的基石，智能化技術和網絡化技術自然成為本屆工業展的重中之重，涉及的內容包含工業人工智能、協作機器人、數字孿生、工業互聯網平台、數字物流等范疇。
在這個通信領域大軍浩浩已臨5G元年城下的年度，工業4.0與5G + TSN的融合是近幾年的重點。TSN時間敏感網絡作為在工業領域融合信息技術（Information Technology,簡稱為IT）和運營技術（OperationTechnology，簡稱為OT）的重要橋梁，由其掀起的改造工業互聯網IIoT底層架構的浪潮持續演進，相關進展尤為值得關注。
車載網絡架構演變和TSN
隨着汽車自動駕駛的發展，軟件功能虛擬化和硬件簡化的重要意義將進一步提升，而這可能以幾種形式成為現實。
- 一是將硬件整合到針對不同時延性和可靠性要求的堆棧中；
- 二是一個冗余的“超級計算機”將取代ECU的地位；
- 三是徹底放棄控制單元的概念，轉而采用智能節點計算網絡。
另一方面從安全的角度出發，在今后的2到3代汽車產品上，整車企業將會安裝多個具備相似功能的傳感器來確保車輛具備充足的安全冗余。
長期看來，行業將開發更完善的傳感器解決方案來減少傳感器數量和成本。而且可能傳感器會變得更加智能，傳感器融合和3D定位等高級功能將在中心化運算平台上進行，預處理、篩選和快速反應則很可能直接在傳感器內完成。對於對可靠性要求較高的安全類關鍵應用，將利用冗余來完成所有對安全行駛至關重要的工作，如數據傳輸和電力供應等。
從長遠的發展來看車載網絡架構將在不同階段呈現出不同的模式來滿足需求。
傳統車載網絡架構
這是過去及現在車載網絡的主流架構，車內ECU透過內聯網及中央網關連接來在不同子網間傳輸數據。其中中央網關的角色至關重要，但功能較單一，主要作為信息傳送、數據轉換的通道，很少做數據處理。
在研架構（Domain Architecture）
隨着汽車在智能駕駛領域的發展，功能越來越復雜， OEM更傾向於將車輛按照不同的功能划分不同的域，整合域中部分功能相近ECU的功能在域控制器下來管理。例如：ADAS、車載娛樂、車身控制、動力傳動等域。
未來架構（Zone Architecture）
未來邁向高度自動駕駛時代，車用計算機設計將朝向集中式、具備更強大功能等方向發展，或有人稱之為AI超級計算機。超級計算機負責車輛所有管理和決策工作，即前述提及的域控制器的功能弱化，並強化車用主計算機的功能；另外所有數據不需要預先處理，直接匯集至超級計算機做大數據分析、判斷和決策。
在此結構下，中央計算機需要處理的數據相較域的架構更多，時效性要求會更高。
車載以太網中的TSN
在早期的傳統車載網絡架構中，最典型的應用是后座娛樂系統，這種系統無需考慮延遲，而且有相對更低成本的方式來傳輸音視頻媒體流數據，所以當時的AVB一直很少應用。
隨着車載網絡架構的演變，各種需求的不斷變化，都將帶來更多的以下問題：
- 數據量的提升
據估算，一輛自動駕駛汽車每小時產生的數據量將達到4TB。
- 數據時效性
在類似自動駕駛的需求中要對傳感器數據快速處理，且執行機構要快速響應處理后的指令。
- 高度自動駕駛的冗余要求
在自動駕駛在安全等級達到一定程度后，從可靠性角度出發必須考慮的問題。
- 互聯環境下的安全保障
網絡攻擊和單點功能失效造成的流量過載等威脅整車正常功能。
TSN標准的推出，為人們解決上述問題，對已期許良久的先進性未來汽車（Domain架構 和 Zone 架構）提供了有力保障，設想其將具備高速IP網絡連接、智能自動駕駛員輔助/制動系統、信息娛樂門戶、簡化的內部線束及更輕的總重量。
根據汽車網絡架構中各節點的網絡特性、傳輸的數據類型以及應用數據對網絡的要求，在電子電器架構設計之初就已經基本確定，具有靜態特性。
TSN現狀
從2012年TSN工作組創立后到現在，TSN中各部分協議日漸完善，根據IETF 106會議（2019年11月）的內容和官方給出的協議從四個方面（時間同步、延遲、可靠性、資源管理）分類匯總如下所示：
由於TSN的靈活性，出現了各種針對不同行業的Profile來規范使用：
參考文獻:
[1] http://www.ieee802.org/1/files/public/docs2019/dg-zinner-automotive-architecture-evolution-0319-v02.pdf
[2] https://datatracker.ietf.org/meeting/106/materials/slides-106-detnet-sessb-tsn-update-01