学号：19011210553
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嵌牛导读：时间敏感网络的目标就是实现同一个网络中实时性关键数据流与普通数据流有良好兼容性的共同传输。要实现这两种业务的融合就是要求时间敏感网络中设备对时间表有着精准的把控，实现实时性关键业务所要求的低时延低抖动。此外，如果能将各类设备错综复杂的业务流在同一网络上进行传输，这便意味着专用网络连线的减少，简化系统设备的部署流程，同时又能减少系统设备的体积与花销。
嵌牛鼻子：时间敏感网络 TSN 确定性传输
嵌牛提问：近些年来被提出的时间敏感网络相关问题
嵌牛正文：
一． 问题提出
传统的以太网通常采用的转发模式是“Best Effort”（尽力而为），但是这种转发方式往往缺乏确定性。当数据包到达发送端口后并准备发送时，发送端按照先入先出的原则进行转发，但是当某个发送端口同时有多个数据要进行发送的时候，这些数据就要进行排队，排队等待时长由队列长度，数据发送速度等多个因素决定。如果网络中流量过大，便会出现拥塞或者丢包等情况，排队等待时间也会变得无法预测，确定性也就无法保证，这就会引起流量调度，时间同步，流量监控，容错机制标准化等问题。
在带宽足够的情况下，这种尽力而为的以太网可以适应于目前大多数的情况，但在某些应用领域这种不确定性是不可容忍的，例如远程医疗或者网络辅助的自动驾驶。在这些安全或者生命攸关(Security or Life Critical)的网络应用中，某次信息的传输不确定性可能会带来无法挽回的后果。
这时，建立可靠的传送机制就成了摆在技术人员面前的首要问题。
为了保证某些较为重要的受控物理系统的确定性行为，需要实时网络具有确定且较低的网络延迟和延迟变化（抖动）。传统上，现场总线已经用于此目的，但由于总线的设计，花销，体积，重量等多种因素，时间敏感网络开始被提出。
时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）基于标准以太网。在标准以太网上的通信流量（如音视频流）可以与具有高优先级确定性信息流(如运动控制)等共享物理网络。不同的服务对时延的要求不一样，尤其是在那些需要确定传输的下行服务领域，对时延和抖动要求尤为敏感。
时间敏感网络的目标就是实现同一个网络中实时性关键数据流与普通数据流有良好兼容性的共同传输。要实现这两种业务的融合就是要求时间敏感网络中设备对时间表有着精准的把控，实现实时性关键业务所要求的低时延低抖动。此外，如果能将各类设备错综复杂的业务流在同一网络上进行传输，这便意味着专用网络连线的减少，简化系统设备的部署流程，同时又能减少系统设备的体积与花销。
TSN并非涵盖整个网络，而仅仅是对MAC层的定义，对数据帧进行处理的过程。
二．内容历史
AVB——以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的8021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：
1 8021AS：精准时间同步协议（Precision Time Protocol，简称PTP）
2 8021Qat：流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP）
3 8021Qav：排队及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称Qav）
4 8021BA：音视频桥接系统（Audio Video Bridging Systems）
5 1722：音视频桥接传输协议（Audio/Video Bridging Transport Protocol，简称AVBTP）
6 1733：实时传输协议(Real-Time Transport Protocol，简称RTP)
7 17221：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。
IEEE 8021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。
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。
三 研究现状与热点
TSN正在关键的小型封闭式汽车和工业网络中得到广泛采用，以建立可靠的ULL端到端连接。然而，关键的TSN限制恰恰是关注于封闭网络，例如车载网络和小规模机器人网络。在机器人和车载网络中运行的网络应用程序通常涉及与外部非TSN网络的显着交互。机器人和车载网络应用程序需要通过外部网络与移动性处理程序紧密集成。如果外部网络中没有适当支持高级网络功能（如移动性），那么TSN的好处基本上仅限于小型封闭网络。因此，TSN和不同外部网络之间的平滑互 *** 作性对于异构网络场景中的TSN *** 作是必不可少的。理想情况下，TSN和非TSN网络之间的连接应该能够适应与TSN类似的特性，以确保异构部署中的整体端到端连接要求。
V2X通信：Lee和Park提出了iTSN，这是一种将大型TSN网络互连用于大规模应用的新方法。 iTSN方法利用诸如IEEE 80211p的无线协议用于不同TSN网络之间的互联网。特别地，跨互连网络共享全球定时和同步信息对于建立公共定时平台以支持外部网络中的TSN特性是重要的。 因此，iTSN方法使得例如车载网络能够将安全关键信息发送到控制节点，例如路侧单元（RSU），在异构部署中具有微秒级的延迟。通过采用这种可靠的互连技术，可以在比当前可行的毫秒范围短得多的（微秒）时间跨度内实现车辆制动安全距离。总的来说，TSN和互连技术（如iTSN）可以为安全的自动驾驶系统创建一个通信平台。
网络建模：尽管TSN标准在汽车驾驶网络中得到了很大的重视，但网络部署的一个主要挑战是如何管理网络的复杂性。汽车行业随着技术的进步，对现有的车载网络基础设施提出了更多的要求。随着车载网络中传感器数量的增加，日益增加的连接 在网络规划中，应相应地满足传感器相互之间的连接和带宽要求。然而，车载控制系统网络需求的动态变化可能需要更广泛的网络基础设施，从而导致更高的支出。
硬件和软件设计：支持TSN功能的硬件和软件组件设计，例如TSN节点中的调度，抢占和时间触发事件生成，需要大量的工程和开发工作。硬件实现在计算资源利用率和执行延迟方面非常高效，但导致难以适应新应用程序要求的严格架构。 另一方面，软件实现可以灵活地适应新的应用程序要求，但由于网络功能的软件化，例如时间触发的调度和硬件虚拟化，可能使CPU过载。
总结和吸取的经验教训：迄今为止，大多数关于TSN的研究都集中在独立且与外部网络隔离的车载网络上。 TSN研究领域的另一个限制是缺乏包含大规模异构网络架构的仿真框架。应在基准评估中创建并考虑包括本地和外部网络交互（例如汽车驾驶）的有效用例。目前，大多数TSN研究中的一般用例是支持车载传感器连接和用于信息娱乐的音频/视频传输的车载网络。未来的定制TSN仿真框架应基于支持具有本地化和外部网络交互的下一代应用的网络，例如汽车驾驶。类似地，基于SDN的TSN管理可以利用分层控制器设计来将管理从诸如车辆网络之类的本地化网络扩展到诸如车辆到任何（vehicle-to-any （V2X））网络之类的外部网络。
四． 下一步研究趋势
TSN网络基础设施和协议必须支持有限的端到端延迟和可靠性，以支持与物联网，医药，汽车驾驶和智能家居中的关键应用相关的基本功能。用于满足这些应用要求的基于TSN的解决方案导致支持各种协议的复杂网络基础设施。因此，简化的TSN网络管理机制对于降低复杂性同时满足ULL应用的关键需求至关重要。
因此，多个TSN网络之间的可靠，安全和低延迟通信对于支持广泛的未来应用至关重要。 缺乏与外部TSN和非TSN网络连接和通信的TSN标准阻碍了互 *** 作网络中的研究活动，需要紧急解决。总之，我们确定了TSN研究的以下主要未来设计要求：
① 支持从时间敏感到具有流量调度功能的延迟容忍应用程序的各种应用程序。
② 多个封闭TSN架构之间的连接。
③ 灵活和动态的优先级分配，以确保较低优先级流量的有限端到端延迟。
④ 采用SDN以全球网络视角集中管理TSN功能。
⑤ 通过自我估计和本地时钟偏差校正来实现高效的定时信息共享和精确的时钟设计。
⑥ 计算有效的硬件和软件设计。
1 TSN中低优先级数据的传输
TSN节点抢占正在进行的低优先级帧传输，用于发送进入的高优先级帧以保证高优先级帧的绝对最小TSN节点传输延迟。根据高优先级流量的强度，可以多次抢占低优先级帧。结果，由于抢占事件直接取决于高优先级业务强度，因此不能保证低优先级业务的端到端延迟特性。如果高优先级业务强度明显高于低优先级业务强度，则可以大大增加低优先级业务的端到端延迟。通常，低优先级流量承载延迟敏感数据，这不如高优先级流量数据重要，但仍应在最坏情况下的deadline内传送。在当前的技术水平中，没有研究机制或标准来确保抢占下的低优先级业务的最坏情况端到端延迟。
因此，未来的研究需要开发新的机制，以确保TSN网络中低优先级流量的有界最坏情况延迟
2 无线TSN的发展
为了将工业设备（工业传感器/执行器）以无线方式连接到TSN网络，5G是非常合适的解决方案。与4G相比，5G的新功能，尤其是无线接入网络（RAN），提供了更好的可靠性和传输延迟。而且，新的5G系统架构允许被灵活地部署。因此，5G可以实现不受电缆安装限制的TSN网络。
物联网的缺点是：
1、安全性：物联网系统互联互通，通过网络进行通信。 尽管采取了任何安全措施，系统几乎不提供任何控制，并且可以引发各种网络攻击。
2、隐私：即使没有积极参与用户，物联网系统也能提供最详细的大量个人数据。
3、复杂性：设计，开发，维护和支持大型技术到物联网系统是相当复杂的。
扩展资料
物联网的优点：
1、高效的资源利用：如果了解每个设备的功能和工作方式，会提高资源的有效利用率并监控自然资源。
2、最大限度地减少人力：当物联网设备相互交互并相互通信并完成大量任务时，它们可以最大限度地减少人力。
3、节省时间：因为它减少了人力，所以它绝对节省了时间。 时间是通过物联网平台可以节省的主要因素。
4、增强数据收集：联网并收集相关数据。
5、提高安全性：系统能够将所有这些内容相互连接，那么就可以使系统更安全，更高效。
参考资料来源：百度百科—物联网
物联网设备是指能够进行网络无线连接并且具有数据传输功能的设备。物联网将传统的互联网设备连接扩展到物理设备和物品之间的连接，通过传感器将数据传达给相关用户。物联网设备可以分为三大类：消费类物联网设备、工业类物联网设备和企业类物联网设备。消费类物联网设备包括智能家居、智能电器、智能玩具和智能可穿戴设备等。例如在智能家居中，设备可以感应到人的存在，当一个人回家时，温度调节设备已经调节好室内温度，照明设备自动打开，且达到一个适合的亮度，扫地机器人也可以自动启动进行卫生清洁工作，提高了人们的生活质量。
工业类物联网设备主要用在工厂和其他的工业场所。大部分的工业物联网设备是用来监视生产线和制造过程，传感器将数据传输到监视系统，可以保证生产流程的正常运行，还可以预测更换零部件的时间，保证生产的顺利进行。如果发生故障，系统可以及时通知技术人员故障问题以及解决方案，为生产节约了时间。
企业类物联网设备的种类是多样的，主要用于维护设施和提高企业运营效率。例如智能设备可以帮助企业举行会议，会议室中的智能传感器可以帮助安排会议可用的房间，选择房间的大小和类型，当举行会议时可以自行调节温度和适合的灯光等。
如今安全问题是阻碍物联网设备发展的一大阻力，由于现在的物联网设备都需要接入网络，那么设备就会处在一个开放的环境中，如果受到网络病毒和黑客的攻击，造成数据的损失，可能会造成生命和财产的损失，这让用户对物联网设备的使用产生了顾虑。沐渥 科技 认为在物联网的发展中，我们可以通过加快技术更新力度、进行多重可靠的身份认证、完善的加密措施、网路环境的净化和多层次的防御措施来保护物联网设备的安全。目前最迫切需要解决的问题主要有以下七个方面：
一是物联网概念不统一，需要定义和规范；二是物联网产业发展战略尚不明晰，需要加强顶层设计和战略规划；三是核心技术亟待突破，需要高度重视知识产权和产业标准化； 四是产业链亟待健全和整合，需要培育龙头企业； 五是商业模式尚不明晰，有待积极探索；六是亟需加快国家法律法规和相关配套政策制定；七是网络信息安全问题应引起足够重视。
软件方面：
由于物联网是基于各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描等，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，是与互联网结合形成的一个巨大网络。软件的安全永远不可忽视，所以①国家安全：中国大型企业、政府机构，如果与国外机构进行项目合作，如何确保企业商业机密、国家机密不被泄漏？这不仅是一个技术问题，而且还涉及到国家安全问题，必须引起高度重视。②个人隐私：在物联网中，RFID是一个很重要的技术。在RFID中，标签有可能预先被嵌入任何物品中，比如人们的日常生活物品中，但由于该物品（比如衣物）的拥有者，不一定能够觉察该物品预先已嵌入有电子标签以及自身可能不受控制地被扫描、定位和追踪，这势必会使个人的隐私问题受到侵犯。因此，如何确保标签物的拥有者个人隐私不受侵犯便成为射频识别技术以至物联网推广的关键问题。③不同企业的软件兼容问题，如果互不开放，持有戒心，则很难形成一个真正的大的网络。物联网的发展潜力和市场巨大，但是需要解决一系列问题，主要包括核心技术、标准规范、产品研发、安全保护等技术方面的问题，以及产业规划、体制机制、协调合作、推广应用等管理方面的问题。
第一，行业标准滞后，个行业标准繁杂。标准是物联网规模发展的前提。物联网涉及的标准比较复杂，包括终端、网络通信、中间件、系统架构、业务规范和安全等。以终端为例，国内做M2M终端的厂家，都有各自的硬件接口及通信协议和软件标准，厂家都是定向开发，成本高而规模小。另外，在网络层，物联网中无数个传感器形成M2M互联后就要涉及互联网、无线通信网（3G）等大网的互联互通问题。还有物联网业务的标准规范问题，比如智能电网的规范、移动支付的标准规范、智能家居的规范等。
第二，改造成本高，社会效益显著而盈利性较弱。例如，根据美国的数据统计，市政改造智能路灯，平均每盏灯投入232美元。适合政府的公共事业，如路灯、交通、环境监控等，现阶段物联网应用成本高是制约发展的重要原因之一。第三，我国物联网技术还处于低端水平，特别是在芯片、传感器终端、信息处理和应用软件方面。在传感器方面，我国很多的技术相对来说只是做分装方面的工作，核心的技术如芯片方面还是受制于国外，包括射频识别技术、传感网、智能卡、芯片等很多都是依靠进口。技术能力的薄弱，导致我国成本相对较高，成为规模化应用的重要制约要素之一。在数据处理方面，包括应用开发、业务平台、系统集成、中间件等，各厂商处于生存及发展期，力量薄弱，相对于IBM、SAP、Axeda公司而言在技术实力和专业性方面都有很大差距。为物体智能而开发的嵌入式软件还没有规模化应用。
第四，产业链上下游缺乏清晰共赢的商业模式，也制约着应用的规模化推广。例如，终端未标准化，导致开发成本高，应用开发无法满足用户多样化需求；在系统集成领域，受上游供应商供货时间限制，项目周期长，客户分期付款，需垫付资金，资金压力大。对于运营商而言，物联网收益性较差。
第五，目前的需求主要受政策驱动，来自企业的需求还比较初级。第六，个别企业有垄断产业链的行为。通过资金实力，垄断产业链上的企业，签订排他性协议，禁止与竞争对手合作，极大制约了产业链的健康发展。平凉市农业物联网建设存在的问题如下。
1、面临资源高额投入和粗放式经营的矛盾。
2、面临着资源紧缺与环境因素的约束。
3、在硬件设备方面，仍然处于发展阶段，存在着巨大的障碍。●传感器技术：价格低廉、性能良好的传感器是物联网应用的基石，物联网的发展要求更准确、更智能、更高效以及兼容性更强的传感器技术。智能数据采集技术是传感器技术发展的一个新方向。信息的泛在化对传感器和传感装置提出了更高的要求。具体如，微型化：元器件的微小型化，要求节约资源与能源；智能化：具备自校准、自诊断、自学习、自决策、自适应和自组织等人工智能技术；低功耗与能量获取技术：供电方式为电池、阳光、风、温度、振动等多种方式。
●设备兼容技术：大部分情况下，企业会基于现有的工业系统建造工业物联网，如何实现工业物联网中所用的传感器能够与原有设备已应用的传感器相兼容是工业物联网推广所面临的问题之一。传感器的兼容主要指数据格式的兼容与通信协议的兼容，兼容关键是标准的统一。目前，工业现场总线网络中普遍采用的如Profibus、Modus协议，已经较好地解决了兼容性问题，大多数工业设备生产厂商基于这些协议开发了各类传感器、控制器等。近年来，随着工业无线传感器网络应用日渐普遍，当前工业无线的WirelessHART、ISA100．11a以及wIA—PA3大标准均兼容了IEEE802．15．4无线网络协议，并提供了隧道传输机制兼容现有的通信协议，丰富了工业物联网系统的组成与功能。
●网络技术：网络是构成工业物联网的核心之一，数据在系统不同的层次之间通过网络进行传输。网络分为有线网络与无线网络，有线网络一般应用于数据处理中心的集群服务器、工厂内部的局域网以及部分现场总线控制网络中，能提供高速率高带宽的数据传输通道。工业无线传感器网络则是一种新兴的利用无线技术进行传感器组网以及数据传输的技术，无线网络技术的应用可以使得工业传感器的布线成本大大降低，有利于传感器功能的扩展，因此吸引了国内外众多企业和科研机构的关注。
传统的有线网络技术较为成熟，在众多场合已得到了应用验证。然而，当无线网络技术应用于工业环境时，会面临如下问题：工业现场强电磁干扰、开放的无线环境让工业机器更容易受到攻击威胁、部分控制数据需要实时传输。相对于有线网络，工业无线传感器网络技术则正处在发展阶段，它解决了传统的无线网络技术应用于工业现场环境时的不足，提供了高可靠性、高实时性以及高安全性，主要技术包括：自适应跳频、确实性通信资源调度、无线路由、低开销高精度时间同步、网络分层数据加密、网络异常监视与报警以及设备入网鉴权等。
●信息处理技术：工业信息出现爆炸式增长，工业生产过程中产生的大量数据对于工业物联网来说是一个挑战，如何有效处理、分析、记录这些数据，提炼出对工业生产有指导性建议的结果，是工业物联网的核心所在，也是难点所在。
当前业界大数据处理技术有很多，如SAP的BW系统在一定程度上解决了大数据给企业生产运营带来的问题。数据融合和数据挖掘技术的发展也使海量信息处理变得更为智能、高效。工业物联网泛在感知的特点使得人也成为了被感知的对象，通过对环境数据的分析以及用户行为的建模，可以实现生产设计、制造、管理过程中的人一人、人一机和机一机之间的行为、环境和状态感知，更加真实地反映出工业生产过程中的细节变化，以便得出更准确的分析结果。
●安全技术：工业物联网安全主要涉及数据采集安全、网络传输安全等过程，信息安全对于企业运营起到关键作用，例如在冶金、煤炭、石油等行业采集数据需要长时问的连续运行，如何保证在数据采集以及传输过程中信息的准确无误是工业物联网应用于实际生产的前提。
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