（报告出品方/作者：招商证券，董瑞斌，余俊，李哲瀚）
一、TSN：新一代网络技术
1、具有确定性时延以及多协议传输能力
时间敏感网络(TimeSensitiveNetworking，TSN)，是基于标准以太网架构演进的新一代网络技术，它以传统以太网为网络基础，通过时钟同步、数据调度、网络配置等机制，提供确定性数据传输能力的数据链路层协议规范。与传统以太网相比，TSN能够微秒级确定性服务，降低整个通信网络复杂度，实现信息技术(IT)与运营技术(OT)融合，其具有精准的时钟同步能力，确定性流量调度能力，以及智能开放的运维管理架构，可以保证多种业务流量的共网高质量传输，兼具性能及成本优势，是未来网络的发展趋势。
TSN的出现主要解决了五大问题1）流量传输不确定性：传统以太网采用“尽力而为”的传输方式，导致其在传输数据的延时波动较大，且具有极高的不确定性，与商业互联网领域对网络拥堵的态度不同，工业、汽车医疗等领域一旦出现严重网络问题则有可能导致致命后果或巨大经济损失，因此上述等领域对网络卡顿、延时容忍度极低，TSN的出现为解决上述领域的应用问题提供了可行的解决方案，并衍生出了多种协议，为工业、车载等领域提供了多样的选择。
2）时间同步：具有精准的时钟同步能力在对时间敏感的领域有广阔的应用空间。3）通信协议不统一：在网络架构中通常不同的设备会使用不同的通信协议，而不同的通信协议之间难以实现直接的互联互通，TSN旨在提升以太网的性能，使其更具备确定性、鲁棒性、可靠性，通过IEEE网络保证数据包的延迟、抖动、丢包，实现不同设备产生的数据流量的统一承载。
4）网络的动态配置：大多数网络的配置需要在网络停止运行期间进行，这对于工业控制等应用来说难以实现。TSN通过IEEE.1Qcc引入集中网络控制器（centralizednetworkconfiguration，CNC）和集中用户控制器（centralizeduserconfiguration，CUC）来实现网络的动态配置，在网络运行时灵活地配置新的设备和数据流。5）安全：TSN利用IEEE.1Qci对输入交换机的数据进行筛选和管控，对不符合规范的数据帧进行阻拦，能及时隔断外来入侵数据，实时保护网络的安全，也能与其他安全协议协同使用，进一步提升网络的安全性能。
2、TSN发展历史：不断提高确定性
时间敏感网络（TSN），工业、车载互联等领域实现低延时、高确定性的信息传输方法之一。TSN技术发展主要经历了三个阶段：1）传统以太网阶段。以太网最早于上世纪80年代开始被逐渐引入办公领域，并由于10Mbps的高吞吐量而迅速实现普及。以太网使用串行方式传输数据，带宽有多个设备共享，采用“BestEffort”的转发机制也使得在以太网在处理数据转发工作时采用尽可能发送更多的数据而并不考虑数据的优先级，在大量数据需要转发时会导致网络拥堵，从本质上缺乏确定性和实时性，虽然传统二层网络已经引入了优先级机制，三层网络也已内置了服务质量（qualityofservice，QoS）机制，但实时流量和传统TCP流量的资源竞争导致时延和抖动过多，致使传统的以太网不能满足实时数据的传输需求。
2）AVB阶段。与传统以太网相比，AVB拥有确定性延时的优势。AVB全称音视频桥接技术，一般用于汽车多媒体设备之间的信息传输。AVB工作组致力于解决音频视频数据在以太网介质上传输时的时延较高、抖动较大、传输不确定等问题。由于多媒体应用场景下视频与音频、字幕等信息有较高的时间同步要求，因此传统的以太网较难满足在音视频应用场景下有较高的不确定性。AVB在以太网的基础上通过引入传输时间策略，保证了各项数据上的时间上的同步。
3）TSN阶段。工业与汽车领域对实时以太网的需求快速增长刺激TSN技术的发展。美国汽车工程师协会以TTEthernet为基础推出了AS6标准，该标准将传统以太网“BestEffort”传输方式所具备的灵活性与时间敏感的实时性、确定性等特点相结合，具有支持不同类型的应用的能力。IEEE受到AS6标准推出的刺激，在年正式将AVB任务组改名为TSN工作组，在原AVB技术的基础上继续针对车载、专业音频、工业自动化以及移动通信等领域进行了实时通信、时钟同步、低延时、高质量的信息传输进行了一系列的开发。
详细来讲，TSN具有以下目标：针对交换网络的报文时延得到保障；时间敏感数据流和非时间敏感数据流可以混合传输，并且非时间敏感数据流的传输不会影响时间敏感数据流的传输时延；多种高层协议可以共享网络基础设施，即多种协议的负载可以同时在网络中传输；网络错误可以通过在源头获得精确的信息，从而快速地确诊和修复。
当前TSN已逐渐发展成为了被行业组织认证的广泛使用的标准。当前国内外已经有众多组织以及企业在积极推动TSN的发展，包括ABB、BR、BoschRexroth、CISCO、GE、NI、KUKA、Parker、Phoenix、Schneider、SEW、TTTech等主流的自动化与IT厂商以及EPSG、CC-Link等协会也在积极参与TSN网络的发展。
3、TSN技术：位于OSI模型第二层，已具备多种协议供下游选择适配
TSN是IEEE.1工作组开发的一套协议标准，位于OSI七层模型中的第二层（数据链路层），它为以太网协议的MAC层增加了一套通用的时间敏感机制，在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时，也为不同协议网络提供了统一的链路架构。
（1）TSN与以太网。TSN兼容以太网，是对传统以太网的一次重要技术变革。TSN是符合IEEE.1Q标准的VLAN，在标准的以太帧中插入4个字节长度的VLANtag。TSN通过VLANtag中的PCP（PriorityCodePoint）和VID（VLANID）定义流的不同优先级。现有以太网链路层的设备需要做改变来支持TSN特性，涉及到的主要设备是：网卡、网桥、交换机。TSN除了时钟特性设置外，其它功能与VLAN的网络配置类似，通过不同维度的帧流量划分，来实现帧的优先级和冗余路径，因此，要构建一个TSN网络，需要满足以下条件：1）使用支持TSN特性的计算机终端网卡、网桥或交换机设备；2）配置TSN网络参数。
（2）TSN协议族：各有利弊。TSN协议族围绕时间同步、低延迟、可靠性（安全性）、资源管理四个角度解决时间相关的问题。TSN基于高精度时间同步协议（PTP），在网络设备之间创建和分发一个时间计划表，将计划内的帧优先传输，主要是通过时间感知整形（流量调度）、抢占帧、预留带宽、多链路冗余帧等多种机制完成，并产生了不同的协议种类。时间敏感网络使用需求促进着其技术的飞速发展，IEEE.1工作组下的TSN任务组以及其他组织在不断推进着有关草案和标准的制定与发布。
（1）时间同步（Timesynchronization）代表性协议：IEEE.1AS。IEEE.1AS标准是IEEEstd精准时间协议（precisiontimeprotocol，PTP）的特定配置文件，定义了广义精准时间协议（generalizedPTP，gPTP），并拥有更简洁易操作的选项和功能。IEEE.1AS通过在gPTP域的时间感知系统之间传递相关时间事件消息来完成网络设备间的同步。gPTP与PTP的同步机制类似，利用最佳主时钟算法（bestmasterclockalgorithm，BCMA）在网络中选择主时钟并建立同步时钟树，然后利用对等路径时延测量机制计算主从时钟端口间的时间误差来进行同步。最新版本的IEEE.1AS的无缝切换功能能够实现在主时钟出现问题的情况下能够快速切换到冗余时钟，达到无缝切换冗余时钟的效果。
（2）低延时代表性协议：IEEE.1Qva/IEEE.1Qch。Qva在网络复杂的时候很难解决延时等问题。Qva是早期在AVB中被经常采用的协议，主要功能在于能够实现在突发的很大量的数据出现时能够做平衡的处理，实现稳速输出音视频的数据，达到比较顺畅的播放效果。但Qva在网络变的非常复杂的情况下会难以解决时间延时的问题。
Qch的推出解决了Qva在复杂网络下对延时控制效果不佳的问题。IEEE用Qch自行设定周期保证每一跳之间最大的延时，随着网络复杂程度的增加，通过计算每一跳的最大延时就能计算出整个网络系统的最大时延，保证了时延的确定性。但Qch也存在一定的问题，数据经过交换机的时候整帧数据没有发送完成的时候会一直占用这个端口，发送完成后其他数据才允许发送，所以如果一帧数据通过交换机设定时间过短的话很有可能会被网络本身设定的干扰帧干扰到，Qch设定的发送周期可能不足，从而违背设计初衷。
（3）IEEE.1Qbv/Qbu：周期性数据传输解决方案。Qbv适用于周期性数据流的发送和控制。Qbv是时间感知整形的一种数据发送方式，其通过阀门（Gate）开关来控制流量的流入流出，并将每一个数据包都根据时间进行标记，实现在特定的时间让特定的数据包通过并阻止其他数据包的传输以防止传输通道被占用，防止了网络堵塞的可能，因此保证了周期性数据传输的时效性。
Qbv仍然存在被干扰帧影响传输效果的可能性，需要引入保护区（GuardBand）机制。如果干扰帧在发送期间同时到了需要发送周期性数据则会导致周期性数据的发送失败，导致相应数据无法在预定的时间内传输，因此需要设置一个与干扰帧大小相同的GuardBand。GuardBand会保证期间进入的一个数据帧发送完成，在该数据帧发送完成之后GuardBand会禁止后续的除关键数据以外的数据帧发送，这样就保证了关键数据发送的时效性。
Qbu分片将干扰帧分成小块，既满足了传输的时效性要求，也能较好的提高带宽利用率。Qbv虽然能保护关键流量免受其他网络流量的干扰，但不一定带来最佳的带宽利用率和最小的通信时延。在支持Qbu帧抢占的链路上，允许中断非关键的标准以太网帧或者巨型帧的传输，并优先传输时间关键帧，然后在不丢弃先前传输的非关键帧片段的情况下恢复传输中断的数据，一个非关键的数据帧可以被多次抢占。在应用保护带机制时，帧抢占能有效减小保护带的最大长度，缩短信道空闲时间。帧抢占机制在保证关键型数据确定性低时延的同时，也提供了更细粒度的服务质量，提高了带宽利用率。Qch也可以与Qbv相结合，引入GuardBand以及干扰帧分片机制，解决关键数据卡顿以及网络带宽资源利用率低的问题。
（4）IEEE.1CB：冗余链路发送方式。.1CB是通过设置冗余链路发送冗余帧，通过两条不同的链路发送关键数据帧，在某一节点进行消除。类似于将重要文件复制多份，然后通过A、B、C三条路径同时运送，三条路径中一旦有一条路径按时成功达到即可视为传输任务完成，达到可靠性比较高的需求，同时销毁其他复制文件，也可与IEEE.1Qcc等协议结合，实现网络的无缝冗余和快速恢复。
（5）IEEE.1Qca路径控制和预留。IEEE.1Qca的路径控制和预留（pathcontrolandreservation，PCR）机制基于中间系统到中间系统（intermediatesystemtointermediatesystem，IS-IS）的扩展承载时间同步和调度控制信息，为数据流提供显式路径转发控制，并允许使用非最短路径。PCR提前为每个流预定义受保护路径的设置、带宽预留和冗余（保护或恢复），为数据流提供弹性的控制机制。
IEEE.1Qca标准基于最短路径桥接（shortestpathbridging，SPB）协议并结合软件定义网络（software-definednetwork，SDN）来完成路径控制和预留。位于数据平面的IS-IS协议用于发现网络拓扑和计算基本路径等，位于控制平面中的路径计算元件（path
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