Architectural Design of a TSN to SDN Gateway in the Context of Industry 4.0
Martin Böhm, Jannis Ohms, Olaf Gebauer and Diederich Wermser
ResarchGate , May 2018
主要内容：设计了一种TSN网络和SDN网络连接的网关的架构，将实时性的TSN和非确定性的SDN结合起来，同时保证 TSN网络的实时能力。
知识点：
由于时钟同步，TSN受到限制，因为每一跳都会增加与主时钟同步的不准确度[2]。因此，TSN用于本地安装
gateway的主要目的：连接TSN网络和SDN网络，同时保留TSN网络的实时能力
一些公司，如NXP、TTTech 和CICSO已经发布了一些试验性的TSN硬件。这些通常只支持一些标准，如时间同步（IEEE802.1as）、时间感知整形（IEEE802.1qbv）和每流过滤和监管（IEEE802.1qci）。
SDN不能为工业自动化提供实时性，TSN不能连接在不同的位置CPS（因为它的跳数是有限的），TSN能够提供实时性，SDN能够连接不同的CPS（网络物理系统）。TSN和SDN刚好形成互补，这也是为什么把它们结合起来的原因。
Introduction to Time-Sensitive Networking
Norman Finn
IEEE Communications Standards Magazine • June 2018
主要内容：
A. Best effort 包传输服务：
它发送的数据包大部分时间都是按照顺序的。
没有保障
静态执行
B. 恒比特率（CBR）业务通常由时分复用（TDM）设备提供，如同步数字体系（SDH）或光传输网络（OTN）。延迟是固定的，抖动基本上是零。服务提供连接；每个包通过连接端到端流动。包丢失曲线表明，CBR消除了拥塞损失，如果存在适当的缓冲，则几乎为零。
C. TSN的关键特征:
时间同步；
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Contracts between transmitters and the network;可以使用TSN提供一下功能：
a) 时延边界和零拥塞丢包：拥塞丢包主要是输出缓存区溢出，TSN通过分配带宽，资源调度解决
b) 超可靠传输：零拥塞丢包，包复制通过不同的路径传输
TSN流和best-effort流共存
D. 零拥塞丢包实现方法：
输入速率=每个流的输出速率
每个适合TSN的队列算法都定义了自己的数学上可分析的包选择调度。
E. 队列算法（Bridges and Bridged Networks.）：
Credit Based Shaper (CBS)：这个整形器输出数据包的速度，在相对较短的时间内，等于使用该队列分配给TSN流的总带宽。CBS队列可以对最高优先级的best-effort队列(它的优先级总是低于所有CBS队列)施加的最坏情况延迟是可计算的。
Time-Scheduled Queues: 给定端口上的所有队列(不仅仅是TSN队列)都附加到一个旋转调度，该调度又由一个与其他桥同步的时钟控制。网络管理器可以在1-ns粒度上设置队列启动和队列关闭事件，尽管在实践中实现可能不太准确
Transmission Preemption:运行网络管理将输出端口上的一些队列指定为“可抢占队列”，而将其他队列指定为“抢占队列”。如果抢占选择抢占队列进行传输，则已经开始传输的可抢占队列的包可以被中断。当不再选择用于传输的抢占队列时，将从中断中恢复已抢占包的传输。这降低了非TSN包对TSN包传输的干扰程度。
Input Scheduling and Cyclic Queuing and For- warding (CQF): Asynchronous Traffic Shaping (ATS):
Time-Sensitive Networking: An Introduction
John L. Messenger
IEEE Communications Standards Magazine • June 2018
主要内容：
A. TSN提供：时延边界，零丢包（由拥塞导致）
B. 传统以太网：
最原始的设计没有区分流量的优先级，每帧被同等对待，没考虑流是否是紧急或者受保护的。
802.1Q-1998将流分为8个优先级，运行紧急流量在非紧急流量之前传输。
VALNs运行在同一个LAN上将不同的流分离。
缺点：混合多个流会导致额外的延迟（帧从其源到目标所花费的时间）和包延迟变化（PDV，有时称为包抖动）。这使得以太网不能传输时间敏感流量。
C. 为了解决这些时间敏感的流量，以太网行业考虑了四种主要方法：
时分复用（TDM）仿真。
时间同步和基于时间同步的方法。
间隙保护。
基于紧急情况的调度和异步流量形成。
D. TSN时间敏感网络
主要目的：为时间敏感流提供零丢包和延迟边界。
帧抢占：TSN流量可以打断非TSN流量的传输，并进行抢占传输
工业和汽车应用的网络传输时间敏感流，流量依赖于在时间窗口内定期传递更新的控制循环；如果信息延迟或丢失，则反馈循环可能会出现行为错误或失败。通信量具有周期性：有规律的传输周期和恒定的带宽。能够支持同一网络上的其他类型的流量（例如，尽最大努力的流量，或不太敏感的流量）是很有用的。
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Timed Transmission Gates：为了支持规律性的“控制”流量传输，通过使用传输门来调度流量。保护带：一旦一个流开始传输，就不能立即被打断，因此，有必要在时间敏感流的闸门预定打开时间之前建立一个保护带。
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Per-Stream Filtering and Policing：
Cyclic Queuing and Forwarding：
Design Aspects of Low-Latency Services with Time-Sensitive Networking
Csaba Simon, Markosz Maliosz, and Miklós Máté
IEEE Communications Standards Magazine • June 2018
主要内容：
A. 两个场景：工业网络，fronthaul network
工业网络：在工业控制领域，实时应用要求（控制器和被控制的设备之间的）严格的控制循环定时。100 Mb/s
B. 两种成熟的TSN工具：时间门队列，帧抢占
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传输时间门：分离不同的优先级流量，降低时延变化，即抖动（几乎接近零）。
每一个队列有一个相关的传输门，这些门能够单独阻塞每个优先级类的流量。传输门有两种状态：打开，关闭，由输出端口的门控制列表管理。传输门的目的是及时分离属于不同优先级的流量，消除他们之间的干扰。
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帧抢占：使快速通信不受低优先级通信影响，降低时延
8个优先级被分成两组：特快组，可抢占组。
保护带:在快速帧的受保护传输窗口之前有一个时间间隔，称为保护带。
C. 结合传输时间门和帧抢占：Hold/Release mechanism
D. 实验效果，使用TSN机制比不使用延迟更低，抖动更小（时间门机制几乎接近零）
TSimNet: An industrial Time Sensitive Networking simulation framework based on OMNeT++
Peter Heise ∗† , Fabien Geyer ∗ and Roman Obermaisser
主要内容：
提出的TSIMNET是一个OMNET++仿真模型。TSIMNET侧重于TSN机制的非基于时间的组件，因此，它不涉及TSN的重要基于时间的部分。
本文关注没有基于时间同步工业用例。
主要评估了帧抢占机制。实验表明：帧抢占并不总能带来低时延的优势，它高度依靠系统的配置
NeSTiNg: Simulating IEEE Time-sensitive Networking (TSN) in OMNeT++
Jonathan Falk, David Hellmanns, Ben Carabelli, Naresh Nayak, Frank Dürr, Stephan Kehrer, Kurt Rothermel ∗
2019 International Conference on Networked Systems (NetSys)
主要内容：
本文对目前流行的用于网络仿真的OMNeT++/INET框架进行了特定于TSN的扩展，特别是对IEEE Std 802.1Qbv的时间触发调度机制进行了扩展。
主要基于time-triggered flow评估了 三种场景：TAS, 帧抢占，严格优先级。
开源地址：Institute of Parallel and Distributed Systems, University of Stuttgart, “NeSTiNg project repository,” https://gitlab.com/ipvs/nesting
知识点：
时间敏感CPS（网络物理系统）网络的应用领域：工业互联网，自动驾驶系统
通常，CPS是通过通信网络连接传感器、控制器和执行器的分布式系统。
TSN标准的核心使各种各样的调度算法
传统以太网使用FIFO先进先出的队列机制
与（出口）端口相关联的队列中缓冲的数据包只能在该队列的入口打开时由交换机传输。闸门的开启和关闭由一个时间表控制，该时间表可以集中配置，也可以通过分布式机制配置。
Time-aware Shaper 是确保确定性网络时延边界和抖动的一种最重要的方式
对于确定性实时流量，时间感知整形器比CBS(Credit-based Shaper)是更适合
