科普一下以太网和TSN的异同点-电子发烧友网

以太网的诞生

行业一般认为以太网是由鲍勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）于1973年提出的。并于1982年（Ethernet V2）投入商业市场运行且很快击败了同期的令牌环、FDDI和ARCNET等网络技术被全球认可。以太网技术从根本上解决了在局域网内的信息互传/共享的问题。然而在创建之初，以太网只考虑了一些非实时的静态信息。例如：文字和图片。即便是共享音频和视频，但只限于下载和互传。

1982年，第一台CD机在日本问世。这标志着音视频从此由纯模拟走入了“数字化”。而1996年由互联网工程任务组(IETF)开发的RTP（Realtime Transport Protocol）则奠定了音视频在网络中传输的基础，也就是说音视频又实现了从“数字化”进化到了“网络化”。之后的VoIP正是借用了RTP技术实现了在全球互联网上的“网络化数字通讯”。

以太网的基本原理

以太网是目前现有局域网中使用的最广泛的通信标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，目前通常使用双绞线（UTP线缆）进行组网。包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆网(1Gbit/s)和10G（10Gbit/s）以太网。它们都符合IEEE802.3。

以千兆网为例：假如说交换机带宽是1Gbps，则说明每秒可传输1000,000,000个二进制的“bit位”。要注意的是以太网中所有的传输都是串行方式传输，就是说在网卡的物理端口会在每一个单位时间内“写入”或是“读取”一个电位值(0或1)。那么这个单位时间对于1Gbps带宽来说就是1÷1000,000,000=1ns。如图一所示：

1个字节(Byte)有8个bit位。多个字节(Byte)可以组成一个数据帧。以太网传输数据是以帧为单位的。以太网规定每一个数据帧的最小字节是64byte，最大字节是1518byte。实际上每个数据帧之间还会有一个12字节的间隔。如图二所示：

网络带宽是什么？

网络带宽是理解“TSN时间敏感网络”的前提。举个例子：如果我们有10个数据流（当然每个数据流中会有成千上万个数据帧），每个数据流的带宽是100Mbps，那么这10个数据流可以通过1Gbps的带宽吗？

首先，这种表示方法是错误的。因为正如我们前文所说，网络是串行的，而上图所表示的方法是并行的。这个例子的正确答案则是“未必”。

如下图所示才是带宽的正确表示方法。在这里，你应该把1G的带宽想象成在理想情况下，可以有包含总数为109二进制位的数据帧在1秒钟通过。通常数据帧都不会占用整个带宽，每一段数据流（包含很多的数据帧）在单位时间内运行，也就是我们所说的每个数据流所占用的带宽。一定要记住，网络中所有的数据帧都是串行通讯。

想通了这个问题，我们假设如果这10个100M的数据流能够头尾相连，严格按时间顺序排列如图五所示，那么答案是：“可以”。也就是说在理想情况下，这10个100M的数据流可以在1Gbps的带宽下顺利传到对端。

但大多数情况下，由于带宽通常是由多个设备共享的，这也是以太网的优势所在。而且所有的发送端没有基于时间的流量控制，那么这些发送端永远是尽最大可能发送数据帧。这样来自不同设备的数据流就会在时间上产生重叠，即我们通常所说的冲突。如图六所示，在这种情况下，答案就是：“不行”。因为所有数据流重叠/冲突的部分会遵循QoS优先机制进行转发，一部分的数据包肯定会被丢弃。

在IT专业里有一个不成文的规定。当某个交换机的带宽占用率超过40%时就必须得扩容，其目的就是通过提高网络带宽来避免拥堵的产生。

什么是AVB？

AVB——以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的传输协议集。它有效地解决了数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。同时又保持了100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。其中包括：

802.1AS：精准时间同步协议（Precision Time Protocol，简称PTP）
802.1Qat：流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP）
802.1Qav：排队及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称Qav）
802.1BA：音视频桥接系统（Audio Video Bridging Systems）
1722：音视频桥接传输协议（Audio/Video Bridging Transport Protocol，简称AVBTP）
1733：实时传输协议(Real-Time Transport Protocol，简称RTP)
1722.1：负责设备搜寻、列举、连接管理、以及基于1722的设备之间的相互控制。

AVB不仅可以传输音频也可以传输视频。用于音频传输时，在1G的网络中，AVB会自动通过带宽预留协议将其中750M的带宽用来传输双向420通道高质量、无压缩的专业音频。而剩下的250M带宽仍然可以传输一些非实时网络数据。用于视频传输时，可以根据具体应用调节预留带宽。比如：750M带宽可以轻松传输高清full HD视觉无损的视频信号。并且可以在AVB网络中任意路由。

AVB中的802.1AS是1588协议在二层架构下一种具体实现。是AVB协议集中最重要的一部分。有关详细内容，我会在后续的文章中详细描述。

TSN和 AVB

很多人听说过AVB，但对于TSN却有些陌生。实际上，IEEE 802.1任务组在2012年11月的时候正式将AVB更名为TSN – Time Sensitive Network时间敏感网络。也就是说，AVB只是TSN中的一个应用。那么TSN究竟有哪些应用呢？

第一个应用就是我们的专业音视频(Pro AV)。在这个应用领域里强调的是主时钟频率。也就是说，所有的音视频网络节点都必须遵循时间同步机制。

第二个应用是在汽车控制领域。目前大多数的汽车控制系统非常复杂。比如说：刹车、引擎、悬挂等采用CAN总线。而灯光、车门、遥控等采用LIN系统。娱乐系统更是五花八门，有FlexRay和MOST等目前的车载网络。实际上，所有上述系统都可以用支持低延时且具有实时传输机制的TSN进行统一管理。可以降低给汽车和专业的A/V设备增加网络功能的成本及复杂性。

第三个应用是商用电子领域。比如说，你坐在家中，可以通过无线WIFI连接到任何家中的电子设备上，实时浏览任何音视频资料。

最后一个应用也是未来最广泛的应用。所有需要实时监控或是实时反馈的工业领域都需要TSN网络。比如：机器人工业、深海石油钻井以及银行业等等。TSN还可以用于支持大数据的服务器之间的数据传输。全球的工业已经入了物联网(Internet of Things，IoT)的时代，毫无疑问TSN是改善物联网的互联效率的最佳途径。