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TSN流量映射機制主要包含兩個核心部分：流適配和隊列映射。

流適配：首先，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)流量適配為帶有指定優(yōu)先級的TSN流量。這一過程確保了傳統(tǒng)應用和服務能夠在TSN網(wǎng)絡中獲得必要的確定性傳輸特性。

隊列映射：接下來，將這些帶有優(yōu)先級的TSN流量映射到交換機的相應優(yōu)先級隊列中。這樣，TSN可以根據(jù)不同數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級進行有效的調度和處理，確保關鍵數(shù)據(jù)流的實時性和可靠性。

TSN流量適配原理

在TSN網(wǎng)絡中，傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)流量應攜帶符合IEEE 802.1Q標準的VLAN標簽。根據(jù)不同類型流量對實時性的需求，VLAN標簽中的優(yōu)先級（PCP）字段將被設置為相應的值。如果終端發(fā)送的是未攜帶VLAN標簽的普通以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，如圖1所示，TSN網(wǎng)絡設備應對其進行適配，為其添加合理的VLAN標簽，通過優(yōu)先級字段為TSN確定性調度機制提供優(yōu)先級隊列映射基礎。

圖1 普通以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式

圖2 攜帶VLAN tag的以太網(wǎng)幀格式

根據(jù)IEEE 802.1Q標準，攜帶VLAN標簽的以太網(wǎng)幀格式如圖2所示。根據(jù)VLAN標簽（或稱虛擬局域網(wǎng)標簽）擴展傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的功能屬性，包含四個控制字段，共4個字節(jié)。VLAN 標簽結構如下：

     (1) 標記協(xié)議標識符（TPID）：VLAN標記的前16位為TPID，固定值為0x8100，表示此數(shù)據(jù)幀已插入VLAN 標簽。

     (2) 優(yōu)先級值（PCP）：PCP字段一共由3個二進制位組成，數(shù)值范圍從0到7，代表八種不同的優(yōu)先級。在TSN網(wǎng)絡中，不同類型的流量應映射相應的PCP值，PCP值越高，優(yōu)先級越高。

     (3) 丟棄優(yōu)先級值（DEI）：DEI字段是一個單比特字段，當設置為1時，允許交換機在網(wǎng)絡擁塞時優(yōu)先丟棄該幀，從而保護關鍵數(shù)據(jù)流的傳輸。

     (4) 虛擬局域網(wǎng)ID值（VID）：VID字段用于標識特定的虛擬局域網(wǎng)，取值范圍為1到4094，其中0和4095是保留值。VID字段用于劃分虛擬局域網(wǎng)并控制廣播域。

工業(yè)以太網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)流的類型可劃分成8種類型，對應VLAN標簽中PCP字段三比特位的8個優(yōu)先級數(shù)值如表1所示（根據(jù)實際情況應做出調整）。

表1 工業(yè)自動化網(wǎng)絡中常見流量類型及適配屬性

在實際的交換機產(chǎn)品中，為數(shù)據(jù)幀適配不同優(yōu)先級可采用以下兩種方式：

    (1) 端口級別的適配：在交換機的特定端口上設置適配規(guī)則，使通過該端口的所有數(shù)據(jù)流都攜帶相同的VLAN標簽和優(yōu)先級。這種方法操作簡便，但缺乏靈活性，無法根據(jù)數(shù)據(jù)流的具體類型進行更細粒度的優(yōu)先級劃分。

     (2) 交換機內部規(guī)則的適配：根據(jù)數(shù)據(jù)幀攜帶的不同屬性字段，交換機按照設定的內部規(guī)則適配/修改指定的VLAN標簽和優(yōu)先級。解析數(shù)據(jù)幀中的以太網(wǎng)類型標識（即EtherType字段）實現(xiàn)適配操作為TSN交換機常采用的方式之一，通過識別出數(shù)據(jù)流的協(xié)議類型，并據(jù)此為其適配相應的VLAN標簽和優(yōu)先級。這種方式能夠實現(xiàn)對不同類型數(shù)據(jù)流的精細化管理，但會增加交換機的處理負擔，導致一定的時延。常見以太網(wǎng)類型標識及其對應的協(xié)議類型如表2所示。

表2 工業(yè)自動化網(wǎng)絡以太網(wǎng)Type標識及協(xié)議類型

TSN隊列映射原理

為避免不同實時性能要求的數(shù)據(jù)流之間的相互干擾，TSN交換機利用了IEEE 802.1Q標準中定義的8個優(yōu)先級隊列。每個隊列用于緩存具有特定優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀，從而確保高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流能夠優(yōu)先處理，確保了關鍵數(shù)據(jù)流的實時性和可靠性。

圖3 交換機TSN流映射隊列過程

在實際的交換機產(chǎn)品中，隊列映射模式通常分為以下兩種：

(1) 優(yōu)先級隊列標準映射

該模式將數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級（PCP）值與優(yōu)先級隊列進行一一對應。具體來說，PCP值為0到7的數(shù)據(jù)幀分別映射到隊列Q0到Q7。這種方式簡單直接，確保了每個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀都被分配到其對應的隊列中進行處理。如圖4所示：

圖4 數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級隊列標準映射方式

(2) 優(yōu)先級隊列自由映射

該模式允許用戶根據(jù)自定義的規(guī)則將特定優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀映射到指定的優(yōu)先級隊列。這種方式提供了更高的靈活性，可以根據(jù)具體的網(wǎng)絡需求和應用要求進行配置。例如，可以將多個不同PCP值的數(shù)據(jù)幀映射到同一個高優(yōu)先級隊列，或者將某些特定類型的數(shù)據(jù)流映射到更高或更低的優(yōu)先級隊列，如圖5所示：

圖5 數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級隊列自由映射方式

TSN的隊列映射通過VLAN標簽中的優(yōu)先級（PCP）字段，按照指定規(guī)則，將具有不同延時要求的各種類型數(shù)據(jù)流映射到相應的優(yōu)先級隊列。這一機制確保了關鍵數(shù)據(jù)流能夠獲得所需的傳輸優(yōu)先級，從而為TSN的確定性傳輸提供了堅實的基礎。

總結

TSN將具有不同延時要求的數(shù)據(jù)流適配不同的優(yōu)先級，映射到相應的優(yōu)先級隊列確保關鍵數(shù)據(jù)流的實時傳輸。這種機制靈活處理不同類型的數(shù)據(jù)流，有效提升網(wǎng)絡的整體性能和可靠性，為TSN流量的確定性傳輸?shù)於嘶A。TSN技術在工業(yè)自動化、汽車通信和音視頻傳輸?shù)榷鄠€領域展現(xiàn)了卓越的性能和可靠性，推動了這些領域的創(chuàng)新和發(fā)展。

隨著TSN技術的不斷進步，它將繼續(xù)在各個行業(yè)中發(fā)揮重要作用，開啟一個更加智能、高效的互聯(lián)時代。

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