天生可靠 | 看TSN如何打造超快超稳的实时网络通信|tsn|主时钟|多域|报文|数据流|网络通信

IEEE 802.1 AS标准

TSN，全称Time-SensitiveNetworking，中文名称为时间敏感型网络，它是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术，也是下一代网络技术的核心。

TSN 通过TAS、CQF等确定性传输机制，确保关键数据流在混合流量环境中的高质量端到端传输，实现IT网络和OT网络的融合，而高精度的时钟同步机制是实现端到端确定性调度的基础，尤其是为了达成微秒级别的流量调度，TSN需要确保时钟同步的精度达到纳秒级别。为此802.1 TSN工作组在IEEE 1588标准的基础上制定了IEEE 802.1AS标准，不同时钟同步协议的主要差异如表1所示。

TSN采用了IEEE 802.1AS标准中的广义精确时间同步协议（gPTP）来实现全网时间感知节点的时钟同步。gPTP在L2层运作，减少由协议栈不对称带来的误差，同时使用高精度的硬件时间戳感应机制来获取时间信息，通过周期性地交互PTP同步报文，各从时钟节点与最佳主时钟完成相位同步和频率同步，最终达到纳秒级的时钟同步精度。

时间戳表示报文进入或离开时间感知系统的时间点。在网络设备中，生成时间戳的位置有三种不同的方式，如图1所示。通常情况下，时间戳生成的位置越接近底层硬件，则其受到的影响越小，精度也越高。为了满足IEEE 802.1AS标准要求的六个时间敏感设备间的时间偏差不超过1微秒，gPTP协议推荐使用硬件时间戳以确保必要的精度。

（1）如非实时性的Linux操作系统中，上层协议栈感应软件时间戳会受到协议栈不对称和进程占用处理器资源引起的时间不确定影响，从而导致感应到的软件时间戳的准确度降低。

（2）通过网卡驱动在MAC层感应硬件时间戳的方式可以避免上述诸多不确定因素的影响，但由于MAC层本身处理时间戳时仍可能存在一定的波动，因此时间戳的准确度依然会有一定误差。

（3）最高准确度的时间戳生成方式发生在物理层。理想状态下，时间戳应在接收到的第一个字节和发送的最后一个字节时生成，从而完全规避系统延迟的影响。不过，这种方法需要专业定制的PHY芯片或FPGA来实现，对硬件配置有很高的要求。

IEEE 802.1AS标准定义的时钟同步机制分为两个阶段。首先，在初始化阶段，各时间感知节点相互发送携带各自时钟信息的Announce报文，在本地系统使用最佳主时钟算法比较时钟信息后，选出系统内时钟属性最优的节点作为最佳主时钟节点，并以此为根建立最小同步生成树路径用于传输同步信息。

接着，在时钟校正阶段，从时钟节点接受同步报文完成与最佳主时钟的校正对齐。时间感知节点通过发送Pdelay类型报文测量邻近节点间的链路延迟，并利用Sync和Follow_Up报文传送最佳主时钟的时间信息。从时钟节点根据收到的同步报文进行必要的时钟校正，以实现与最佳主时钟的对时同步。IEEE 802.1AS时钟同步机制校正过程如图2 所示。

基于gPTP的多域时钟同步技术

IEEE 802.1AS-2020采用硬件时间戳技术，保证了时间信息获取的准确性和可靠性。然而，在极端条件下，比如太空中的粒子辐射可能会导致航天设备的节点故障。针对这类情况，IEEE 802.1AS-2020 引入了多域时钟同步的概念，虽然该标准定义了相关的基本术语，但并未详细规定具体的操作流程。

为了改善在高风险环境下的时钟同步系统可用性，P802.1ASdm 工作组正在拟定基于热备份冗余主时钟的标准草案，如图3所示。该草案将通过部署多个主时钟及多条同步路径来增强系统的容错能力，保证当系统出现部分故障后，时钟同步系统仍可以稳定运行。预计这一新标准将在2025年正式推出。

跨网融合同步技术

TSN确保了多协议流量混合传输环境中关键数据流的确定性传输，因此它适合作为骨干网络来集成不同网络协议，实现共网传输，而不同网络设备之间时钟的精确同步是确保网络间数据有序传输的关键。

在由无线网络和有线网络构成的异构网络中，数据传输方式包括无线网络接入TSN骨干网和TSN网络间跨越无线网传输两种方式。当多个TSN网络通过无线网络进行跨网通信时，除将无线网络与TSN网络完成时钟同步外，还可以将无线网络作为TSN网络的透明传输桥接设备，此时无线时钟域不参与与TSN时钟域的同步校正计算。

无线时钟域相对于整个系统可看做边界时钟和透明时钟。对于边界时钟同步方案，无线网络侧的跨网边界桥接设备能够同时感知两个时钟域的时间消息，并测量两个时钟域之间的偏差。通过将测量偏差补偿到无线设备的时钟信息上，使得无线时钟域的运行时间同步到TSN时钟域的运行时间，如图4所示。这样就确保了两个时钟域具有相同的时间基准，从而为跨网精确调度传输奠定了基础。

透明时钟补偿方案是实现TSN跨网络时间同步的一项关键技术。该方案将无线网络视为TSN网络之间的一个透明网桥，在同步机制中充当透明时钟的角色。当PTP消息进出跨网络边界桥接装置时，会感应并记录相应的时间戳，进而测量这些消息在无线时钟域中的驻留时间，并将该驻留时间插入到同步报文的修正字段中。这种方法简单高效，因为透明时钟仅需处理消息的驻留时间，而不必直接解决时钟间的时间不匹配问题（当然完成频率校正会使同步更加精确），如图5所示。透明时钟补偿方案在实现多个时钟域之间的跨网络同步时，表现出极高的灵活性和可扩展性。