一讀就懂的TSN (Time-Sensitive Networking) 應用與架構

在IIoT(Industrial Internet of Things工業物聯網)、工業4.0與5G應用普及化的情況下，高頻寬、低延遲、可靠性、時間同步等規格相對要求在網路通訊上實現，在有線的通訊網路下TSN(Time-Sensitive Networking時間敏感網路)實現了高頻寬、低延遲、可靠性、時間同步等特性落實在IIoT、工業4.0、5G等相關應用場域。

要了解TSN之前我們需要知道TSN的前身是IEEE 802.1 Audio Video Bridging(AVB) Task Group所制定的標準，主要應用於影音設備和汽車音響等，但是IEEE802.1 AVB無法完全符合工業4.0相關規格及應用，所以重新定義為IEEE 802.1 Time Sensitive Networking TG。 TSN是由早期的工業乙太網路(Industrial Ethernet)所衍伸而來，而Industrial Ethernet則是由標準乙太網路(Standard Ethernet)所衍伸而來。

1. Standard Ethernet是一個俗稱，遵照IEEE802.3規範。
2. Standard Ethernet是工作在OSI model的第一層(Physical Layer)與第二層(Data Link Layer) 。
3. Standard Ethernet是在定義實體傳輸媒介的種類，如Coaxial、twisted-pair、fiber。
4. Standard Ethernet的傳輸頻寬介於10Mbps ~ 1Tbps。

Standard Ethernet的使用已經非常普遍的在我們現在的各種應用領域之中，包含自動化設備、汽車、企業設備、伺服器、交換機等等。

1. 高速的傳輸介面，傳輸頻寬介於10Mbps ~ 1Tbps。
2. 開放式的協定不需要授權費。
3. 後期維護成本低，隨插即用。
4. 有眾多的方案提供商，壓低方案成本。

Standard Ethernet在做資料傳輸時，各個Device ( 裝置 ) 與Device之間都是平等的，代表各個Device隨時都可以發送封包，當A Device與B Device 與C Device都在同一個時間發送封包時，這時候就會發生所謂的碰撞問題而造成Packet loss，如果串接的Device數量越多，那麼碰撞問題就會越嚴重，為了解決這個碰撞問題，Standard Ethernet使用了一個協議叫做CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection多重載波碰撞偵測) 來解決碰撞問題，透過 CSMA / CD 機制Device有資料要傳送前會先偵聽匯流排上面是否有其它Device正在傳送資料，如果有就會先等待一段時間再進行偵測，直到沒有其它Device在傳送資料時再進行資料傳送，但如果這是一條很忙碌的匯流排網路還是會發生在空檔時有多個Device同時傳送資料而發生碰撞，CSMA/CD機制會通知發生碰撞的Device重新發送，發生碰撞的Device會各自隨機等待一段時間後再進行偵測跟資料傳送，這樣可以大幅地降低碰撞的問題，但如果碰撞次數超過16次就會把這筆資料給捨棄掉，所以不確定性相對高。

如果Device端的資料是很緊急的必須是立即讓對方知道的，但因為上述的碰撞問題，所以無法保證Device送出來的資料對方何時可以收的到，所以不可靠性相對高。

工業乙太網是指在工業環境的自動化控制及程序控制中應用標準乙太網的相關元件及技術。工業乙太網會採用TCP/IP協定，和IEEE 802.3標準相容，但在應用層會加入各自特有的協定。

• 以IT(Information Technology資訊科技)領域來說，要求的延遲時間只要低於100ms即可符合。
• 以OT(Operation Technology營運科技)領域來說，要求的延遲時間要低於10ms即可符合。
• 以Motion Control(運動控制)領域來說，要求的延遲時間則要低於1ms才可符合，甚至要低於us等級，所以Industrial Ethernet是很講究低延遲的控制模式。

• l  EtherCAT
• l  EtherNet/IP
• l  PROFINET
• l  Powerlink
• l  Modbus-TCP
• l  SERCOS Ⅲ

上述的是比較常見的Industrial Ethernet Protocol，主要都是在解決乙太網路低延遲與時間同步的問題。

1.  改善了Standard Ethernet的一些缺點來符合應用上的需求。
2.  解決低延遲與時間同步的問題。

1.  在應用上來說Industrial Ethernet是與Standard Ethernet不相容的。
2.  不同的Protocol有各自不同的組織在支持，彼此之間是不相容的。
3.  傳輸速度不夠高，傳輸頻寬介於100Mbps ~ 1Gbps。

1.  TSN相容於Standards Ethernet IEEE802.1規範，可以與非TSN乙太網路一起使用的區域網路，TSN支援更高頻寬的傳輸速度 (Gbit/s以上)
2.  TSN工作在Layer 2 technology of OSI model
3.  在Standards Ethernet的區域網路中可以做到：
    高頻寬、低延遲、保障頻寬(Priority)、時間同步等功能
4. 透過IEEE 802.1AS (協議簡稱精確時鐘協議Precision Timing Protocol - PTP) 實現TSN裝置之間共享時間戳記 (Time Stamping) 的設備。

Industrial Ethernet改善了低延遲與時間同步的問題，但是在High speed、Priority、Reliability、Redundancy的部分則是要靠TSN技術來做改善。TSN主要功能是時間同步 (Time Sync)、優先權 (Priority)、可靠性 (Reliability)、資源管理 (Resource Management)。時間同步 (Time Sync) 是透過802.1AS標準，在傳送跟接收的封包上加上時間戳記 (Time Stamping)，在區域網路之中可以將設備之間的訊號同步在微秒 (us) 範圍

優先權 (Priority) 是透過802.1Qbu & 802.1Qbv標準，允許將正在傳輸的資料中斷讓優先等級較高的資料進行傳送，等優先等級較高的資料傳送完成後再回到先前被中斷的資料繼續傳輸，確保優先等級較高的資料有最大的傳輸頻寬跟最低的傳輸延遲時間。

可靠性 (Reliability) 是透過802.1CB標準，將原本要傳送的封包複製成多個不同封包，每一個不同的封包會透過不同的路徑來做傳送，最後在接收端會自動消除其它的冗餘 (Redundancy) 封包，使其接收端只會收到一筆封包資料，即使在傳輸路經之中出現了單點的故障情況 (如設備損壞或是電纜線斷開等)，都可以確保目的端可以接收到正確且完整的資料。

資源管理(Resource Management) 是透過802.1Qcc標準，將TSN配置分成三種模式：

1. 完全分散模式(Fully Distributed Model)
2. 完全集中模式(Fully Centralized Model)
3. 集中&分散混合模式(Centralized & Distributed Model)

假設今天發生了嚴重的車禍事件，TSN協議標準透過802.1Qcc將災難控制中心配置成完全集中模式(Fully Centralized Model)來做統一調度，透過802.1AS控制道路上的紅綠燈號，使其救護車行駛至事發現場前可以一路綠燈到底，為了避免道路上車多雍塞阻礙了救護車的行駛，透過802.1Qbu與802.1Qbv開闢了一條固定的救護車專用道僅供救護車快速行駛，另外，為了避免救護車於路上發生意外而無法於最短時間內到達車禍現場，透過802.1CB同時派出2輛以上救護車各自從不同路徑出發前往車禍現場，在第一輛救護車抵達事故現場後便會自動取消由其它路徑出發的救護車任務，如此透過TSN協議標準以確保災難控制中心可以在最短時間、最快速度並且保證救護車抵達車禍現場處理救災任務。

[1] https://www.2cm.com.tw/2cm/zh-tw/tech/B21085DE9EEB46BBABE022AB9476A5BB

[2] https://ictjournal.itri.org.tw/xcdoc/cont?xsmsid=0M236556470056558161&sid=0M257367995727938284

[3] www.Microchip.com