TSN解决方案白皮书工业互联网产业联盟（AII）2023年6月 —2—声明本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887邮箱：aii@caict.ac.cn —2—前言随着时间敏感网络（TSN）从理论研究阶段逐渐延展到实体产业应用，TSN解决方案在工业界的关注度显著上升。一方面，全球工业界迫切需要新的技术变革来为网络化智能化提供新的动力，这促进了TSN解决方案的落地；另一方面，工业互联网的兴起为工业现场带来了指数级增长的连接设备、更高的带宽、多线程业务流处理、数据跨域连通等需求，网络变革技术TSN理所当然的受到重视。加之中国网络自主可控的重要性程度上升，TSN可控的优势得到凸显。然而，受限于TSN与工业场景业务流的融合应用少、无线场景下TSN确定性网络的研究应用薄弱、端到端TSN解决方案厂商生态较为稀缺等方面因素，工业企业要享受到TSN解决方案带来的益处仍然有一些任务要进行，包括先行者的TSN解决方案标杆打造、TSN上下游生态互通等。本白皮书旨在加快TSN解决方案落地产业，助力工业企业达成提质增效降本；同时为TSN产业上下游的有效协同给出指引，让工业界能更快速的利用TSN网络技术实现未来网络变革。因编者水平所限，难免存在错误和不足，欢迎业界专家和读者批评指正，后续我们将持续扩大应用、适时修订发布。本文档由工业互联网产业联盟多家成员单位参加编写完成。主编单位有：中国信通院、深圳市三旺通信股份有限公司、网络通信与安全紫金山实验室、鹏城实验室。牵头编写单位：中国信通院深圳市三旺通信股份有限公司网络通信与安全紫金山实验室鹏城实验室参与编写单位：清华大学北京邮电大学国防科技大学南方科技大学重庆大学CC-LINK协会华为技术有限公司高通无线通信技术（中国）有限公司飞腾信息技术有限公司中国联通物联网研究院联通物联网有限责任公司南京未来网络产业创新有限公司北京智芯微电子科技有限公司中车株洲电力机车研究所有限公司中车青岛四方车辆研究所有限公司中车南京浦镇车辆有限公司毫末智行科技有限公司上海山源电子科技股份有限公司安徽链昇科技有限公司中兴通讯股份有限公司工业互联网产业联盟公众号 编写组成员（排名不分先后）：张恒升、朱瑾瑜、徐启宸、熊伟、邓顺义、高一颠、徐龙、刘茂明、葛鹏、张华宇、李庆、严园园、詹双平、成剑、冯景斌、汪漪、万海、朱海龙、全巍、王瑾璠、王向荣、蔡岳平、杨凯、陈李昊、高涛、张印熙、许昌龙、杨娈霞、李元芳、朱大勇、李研、谢仁艿、何非、闵爱佳、白钰、王银河、钱锐、邵静兴、刘勇、殷建华、李鲲鹏、彭文静、田学文、黄涛、吕红强、田向伟、肖瑞、刘碧波、乔梁、王庆东、余智、耿兴元、马恒、胡浩 —4—目录一、TSN发展现状...................................................................................1（一）TSN技术发展现状.............................................................1（二）TSN解决方案发展现状.....................................................6二、TSN通用解决方案.........................................................................7（一）通用解决方案概述.............................................................7（二）技术应用路线.....................................................................9（三）TSN相关产品...................................................................12（四）TSN融合技术解决方案...................................................18三、TSN行业解决方案.......................................................................20（一）轨道交通............................................................................20（二）智能制造............................................................................24（三）汽车车载............................................................................29（四）煤矿....................................................................................33（五）钢铁....................................................................................36（六）电力....................................................................................38（七）装备制造............................................................................43（八）港口....................................................................................46四、TSN解决方案展望.......................................................................48（一）端到端的技术成熟度催化...............................................48（二）更具象的应用层面指导标准...........................................49（三）树立通用领域的明星典型标杆项目...............................50（四）生态互通，保证端到端一致性.......................................50五、缩略语对照表................................................................................51 —1—一、TSN发展现状（一）TSN技术发展现状1.TSN标准发展现状TSN标准协议由电气与电子工程师协会（IEEE）的TSN任务组定义，是基于标准以太网技术提供确定性服务的解决方案，最大的特点就是通过精确的时间调度、确定的时延完成数据包的传输，从而满足工业等领域严苛的传输要求。如下图所示，TSN协议族包含定时与同步、时延控制、可靠性、资源管理四个类别的子协议，同时还定义了不同场景下的应用行规。类别协议定时与同步IEEE802.1AS，IEEE802.1AS-REV时延控制IEEE802.1Qav，IEEE802.1Qbv，IEEE802.1Qbu,IEEE802.1Qch，IEEE802.1Qcr可靠性IEEE802.1CB，IEEE802.1Qca，IEEE802.1Qci资源管理IEEE802.1Qat，IEEE802.1Qcc，IEEE802.1Qcp应用行规IEEE802.1BA，IEEE802.1CM，IEC/IEEEP60802,IEEEP802.1DF，IEEEP802.1DG，IEEEP802.1DP图1TSN协议族分类情况①定时与同步TSN采用IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-REV实现时间同步。IEEE802.1AS在IEEE1588的基础上对其进行了删减调整，形成了更具针对性的时间同步机制。IEEE802.1AS又被称为gPTP广义时钟同步协议，嵌入在MAC层硬件中。该协议工作于链路层，在数据帧中插入时间信息， —2—并传输至每个网络节点，在最大7跳的网络环境中，能够保证时钟同步误差在1us以内。②时延控制TSN不仅要保证时间敏感数据流的可靠到达，同时也要保证这些数据流有界的确定性的时延传输。TSN时延控制通过流量整形机制实现，流量整形通过为高优先级流量提供确定的传输时隙确保传输带宽和传输时间，从而保证关键业务的可靠性和时延确定性。流量整形涉及的协议包括：IEEE802.1Qav：一种基于信用的整形器，可以实现毫秒级的时延上限保证；IEEE802.1Qbv：基于队列的时间感知整形器实现类似时间触发的通信，可保证微秒级的延迟上限及亚微秒级的抖动；IEEE802.1Qch：一种循环队列转发的整形机制，旨在构建具有固定延迟上限和抖动的传输环境；IEEE802.1Qbu：帧抢占功能可以进一步减小关键流量的时延，配合TAS和CQF等门控机制一起使用可以提高网络带宽利用率；IEEE802.1Qcr：TSN交换机和端系统的异步整形机制，避免了同步依赖。③可靠性对数据传输实时性要求高的应用也需要高可靠的数据传输机制以便应对Bridge节点失效、线路断路和外部攻击等带来的各种问题，来确保功能安全和网络安全。TSN传输可靠性保证协议包括：IEEE802.1CB：通过冗余消息以及在网络中设置冗余链路进行并行传输来提高可靠性，减少链路和节点失效对网络造成的影响； —3—IEEE802.1Qca：提供显式转发路径控制所需要的协议，如预定义的保护路径、带宽预留、数据流冗余、流同步和流控制信息中控制参数的分配等；IEEE802.1Qci：TSN协议簇中的PSFP协议类似于防火墙的机制。它工作于交换机的入口，通过各种约束来监管每个流的输入，将故障隔离到网络中的特定区域，以防止出站队列被非法帧淹没。④资源管理在TSN网络中，每一种实时应用都有特定的网络性能需求。使能TSN网络的某个特性是对可用的网络资源进行配置和管理的过程，该操作允许在同一网络中通过配置一系列TSN子协议，来合理分配网络路径上的资源，以确保它们能够按照预期正常运行。⑤应用行规除了TSN功能相关的标准外，TSN任务组还定义了TSN在不同场景的应用规范，包括IEEE802.1BA音视频桥接网络、IEEE802.1CM移动前传网络、IEC/IEEE60802工业自动化、IEEEP802.1DG车载网络和IEEEP802.1DP/SAEAS6675航空航天等，其中前两个应用规范已正式发布，后面三个还处在草案讨论阶段，尚未发布正式标准。2.TSN技术研究发展现状近年来TSN技术研究主要集中在控制架构、调度算法以及与其他技术融合等方面。（1）TSN控制架构IEEE802.1Qcc协议定义了TSN控制平面的架构模型，包括全分布式、分布式用户/集中式网络、全集中式等3种控制架构模型。全分布式架构模型中没有集中的网络控制器，终端通过资源预留协 —4—议携