TSN的來源和應用

TSN(Time-Sensitive Networking,時間敏感網絡)爲以太網提供確定性性能,本質上是一個確定性以太網擴展集,同時也是音頻視頻橋接 (AVB) 的後繼者。

TSN的來源

傳統以太網時延往往波動較大並具有不確定性,最初以太網傳輸使用CSMA/CD原理,當偵測到鏈路有空閒的時候,你纔可以進行數據的接收和發送。雖然以太網交換機進行了一些迭代,但基本原理相差不大。隨着以太網應用的推廣,音視頻應用首先對以太網傳輸提出了確定性時效的需求。

想象在一個廣闊的球場上東西兩側各有一個以太網連接的揚聲器,揚聲器中間可能經過多個交換機設備,當主持人講話時,我們希望兩個揚聲器能夠同時發聲,而不會出現一前一後疊音的情況;進一步的,即使同個網絡拓撲中還有其他應用在使用流量,我們也希望兩個揚聲器的效果是穩定的。

TSN是一項從視頻音頻數據領域延伸至工業領域、汽車領域的技術。TSN最初來源於音視頻領域的應用需求,當時該技術被稱爲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,藉助AVB能較好的傳輸高質量音視頻。

2006 年,IEEE802.1 工作組成立 AVB 音頻視頻橋接任務組,並在隨後的幾年裏成功解決了音頻視頻網絡中數據實時同步傳輸的問題。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範圍,並同時將任務組名稱改爲現在的:TSN任務組。TSN是以以太網爲基礎的新一代網絡標準,具有時間同步、延時保證等確保實時性的功能。

TSN的應用

TSN使用標準以太網提供分佈式時間同步和確定性通信。因此,任何需要分佈式測量或控制的應用都可以從TSN中受益。客戶可使用TSN進行簡單的分佈式同步測量、下一代計算機數控加工的改進、新型半導體加工機器以及未來的電網研究等。在其他行業的應用包括:

視頻 / 音頻傳輸

如前所述,TSN最初來源於視頻領域的應用需求。傳輸音頻和視頻信息的網絡需要遵守嚴格的時序規則。如果音頻或視頻分組不能按指定的時序規則到達目的地,則接收設備(例如視頻屏幕或揚聲器)可能會發生視頻幀被丟棄、音頻僞像的情況。此外,這種網絡還需要可預測的延遲,保證視頻和相關音頻流之間的同步。另一方面,足球賽事的實況轉播有很多高清的數據要通過網絡傳輸到處理中心,對帶寬的需求極大。而且爲了最大限度的提供實時性,這些圖像、音頻必須實現高實時的傳輸與處理,可以想象其對帶寬和實時性的需求。

音視頻橋接

 

汽車駕駛

目前大多數的汽車控制系統非常複雜。比如說:剎車、引擎、懸掛等採用CAN總線。而燈光、車門、遙控等採用LIN系統。實際上,所有上述系統都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統一管理。可以降低給汽車和專業的A/V設備增加網絡功能的成本及複雜性。

典型的汽車A / V系統

在車輛中,實時功能對於某些應用至關重要。 爲確保這些實時功能可用,必須在以太網控制器中設置具有直接訪問硬件資源的機制。TSN使構建可擴展的以太網網絡成爲可能。爲此,不同的消息按照其可用性分爲了不同的等級,並對其延遲和優先級進行了分類,每個消息類被分配到一個固定的帶寬。此外,TSN 還支持冗餘以太網系統,並且,爲確保穩定的數據交換,定義了安全標準。

以太網AVB如何在汽車流媒體應用中發揮核心作用

IEEE音頻 / 視頻橋接工作組定義了相關機制和協議,以確保低延遲數據正常交換、並在時間上同步應用。音頻 / 視頻橋接(AVB)主要應用在娛樂系統。如今駕駛員輔助系統的廣泛引入,要求在發送和接收行爲方面有更嚴格的規範。因此,IEEE TSN工作組延續了AVB的工作,該工作組的重點是研究確定性數據傳輸機制,進一步減少以太網網絡中的延遲,更加穩定和安全地傳輸數據。

工業物聯網

工業物聯網是未來TSN最廣泛的一個應用,所有需要實時監控或是實時反饋的工業領域都需要TSN網絡。比如:機器人工業、深海石油鑽井以及銀行業等等。

標準以太網的本質是一種非確定性網,但在工業領域必須要求確定性,一組數據包裹必須完整、實時、確定性的到達目的地,因此較新的TSN標準增加了中心控制、所有網絡設備的時間同步以及更低的延遲等特性。爲了達到儘可能低的絕對延遲,IEEE 802.1Qbv 定義了一個時間感知整形器,它可以無視定時流量門的存在。TSN消除了標準以太網由於交通 “擁堵” 導致的非確定性。

TSN除了解決以太網的不確定性問題,還正在解決工業領域總線的複雜性問題。如今工業中每種總線有着不同的物理接口、傳輸機制、對象字典,每種不同的技術背後都有不同的廠商在支持,難以統一。而且即使是採用了以太網來標準各個總線,仍然會在互操作層出現問題,這使得對於IT應用,如大數據分析、訂單排產、能源優化等應用遇到了障礙。

TSN還可以用於支持大數據的服務器之間的數據傳輸。全球的工業已經入了物聯網 (Internet of Things,IoT) 的時代,毫無疑問TSN是改善物聯網的互聯效率的最佳途徑。

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