在 10 Mbps 以太網的時代，早在時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking）成為一種技術之前，最先進的共享網絡需要處理數據包發生沖突的情況。對于當時的原始技術來說，這是非常實用的……優于任何需要仔細管理訪問介質的解決方案。

在“破壞”了彼此的數據后，兩個相互競爭的終端將等待（隨機地浪費更多的時間），然后再嘗試傳輸。這被認為是正常的，因為最小大小的幀是 64 字節（512 位），并且合理估計該幀將消耗線路的時間是基于網絡速度（每秒 1000 萬位意味著每個位需要約 0.1 微秒），因此 512 位至少等于 51.2 微秒。

以太網技術已從 80 年代初的 10 Mbps 發展到今天的 400Gbps ，未來計劃為 800Gbps 和 1.6Tbps。

應該清楚的是，希望你的網絡運行得更快是一個持續的趨勢！因此，任何必須跨這些網絡管理事件的應用程序都需要一種同步良好、一致的、全網絡時間標準，時間分辨率隨著網絡速度的加快而逐漸變窄。

這就是為什么 IEEE 至少自 2008 年以來一直在研究如何支持對時間敏感的網絡應用程序，最初用于音頻和視頻應用程序，但現在用于更豐富、更重要的應用程序。

時間敏感網絡的三個應用場景

對精確和準確定時的要求超出了物理和數據鏈路層，擴展到高度依賴于來自網絡的可預測、可靠服務的某些應用程序。這些新興應用程序利用了對時間的精確、準確和高分辨率理解。

5G 、 6G 及未來

從 3GPP 的 5G 系列協議開始，一些應用程序（如物聯網或 IoT）不一定需要極高的帶寬。它們確實需要嚴格控制對無線介質的訪問，以實現低延遲和低抖動的可預測訪問。這是通過向所有參與站提供精確、準確和高分辨率的時間來實現的。

在時域訪問方式中，每個站點請求并被授予使用介質的權限，然后網絡調度器通知站點他們可以使用介質的時間和持續時間。

5G 和未來網絡向所有參與站點提供準確、精確和高分辨率的時間，以實現這種新的高價值應用。以前，新網絡最理想的屬性是速度。這些新的應用程序實際上需要控制而不是速度。

成功啟用這些應用程序需要參與站對絕對時間具有相同的理解，以便它們不會太早或太遲開始傳輸，或傳輸錯誤的時間量。

如果一個站點的傳輸時間過快或過長，它可能會干擾另一個站點。如果它開始傳輸得太晚，它可能會浪費一些寶貴的機會來使用這種媒介，因為在這種情況下，它可以使用的傳輸時間少于它被允許使用的傳輸時間。

我應該指出，5G 顯然不是以太網，但以太網技術將 5G 無線接入網絡與從城域數據中心延伸出來的 backhaul 網絡連接在一起。網絡的時間關鍵部分從以太網回傳域擴展到數據中心和無線接入網絡。

什么樣的應用程序需要這樣的精度？

遙測等應用需要這種精度。未來的測量可以通過等待下一個讀數隱式地從錯過的讀數中恢復。例如，儀表讀數可能每 30 分鐘生成一次。

對于必須以亞毫秒分辨率理解其位置的機器人呢？丟失一些位置報告可能會損壞機器人，損壞附近或連接的設備，損壞機器人正在處理的材料，甚至導致附近人員死亡。

你可能會認為這與 5G 無關，因為它顯然是一個制造場景。在這種情況下，5G 可能是更好的解決方案，因為精確時間協議（PTP）從一開始就內置在協議堆棧中。

PTP（IEEE 1588-2008）是一套協議和配置文件的基礎，這些協議和配置文件能夠在網絡設備之間以高精度和高分辨率同步高精度的時間。

時間敏感網絡技術使 5G（或后續）網絡能夠服務于數千或上萬個節點。根據連接設備的需求，它提供了高速、可預測延遲或低抖動服務的不斷變化的組合。

是的，這些用戶可能是手機、工業機器人或醫療器械的普通用戶。關鍵是，通過內置時間敏感網絡，只要帶寬（和時間）可用，網絡可以滿足各種應用場景。

包含 NVIDIA Cumulus Linux 5.0 及更高版本的產品中的 PTP 實現定期提供深亞毫秒（甚至亞微秒）精度，支持 5G 應用的各種要求。

媒體和娛樂

電視行業中的大多數視頻內容目前以串行數字接口（SDI）形式存在。然而，該行業正在向互聯網協議（IP）模式過渡。

在媒體和娛樂行業，有幾種場景需要考慮，例如演播室（例如組合多個攝像機反饋和疊加）、視頻制作、視頻廣播（從單點到多個用戶）和多屏幕。

時間同步對于這些類型的活動至關重要。

在媒體和廣播領域，一致的時間同步對于提供最佳觀看體驗和防止幀對齊、唇形同步以及視頻和音頻同步問題至關重要。

在基帶世界中，參考黑色或 同步鎖相 用于保持相機和其他視頻源幀同步，并避免在從一個源切換到另一個源時引入令人討厭的偽影。

但是，隨著 IP 的采用，更具體地說，是 SMPTE-2110（或帶有 AES67 的 SMPTE-2022-6），您需要一種不同的方式來提供計時。隨之而來的是 PTP，也稱為 IEEE 1588 (PTP V2)。

PTP 完全基于網絡，可以在已經用于傳輸和接收現有數據流的相同數據網絡連接上傳輸。各種配置文件，如 SMPTE 2059-2 和 AES67 ，提供了一組標準化的配置和規則，以滿足不同類型分組網絡的要求。

Spectrum 完全支持 SMPTE 2059-2 和其他配置文件下的 PTP 1588。

汽車應用

新一代的車載區域網絡（CAN）已從共享/總線架構發展到 5G 無線接入網絡（RAN）或 IT 環境中的架構：交換拓撲。

當引入交換機時，可能會因爭用或緩沖而導致數據包丟失或延遲變化，從而限制或消除對汽車中各種應用程序可能需要的對網絡的可預測訪問。

自動駕駛汽車必須定期以相當高的頻率處理視頻和其他傳感器輸入，以確定車輛的安全前進路徑。車輛中的引導智能取決于定期訪問其傳感器，因此網絡必須能夠保證對傳感器的訪問足夠頻繁，以支持必須解釋這些傳感器數據的算法的輸入。

例如，方向盤和制動器讀取摩擦力，啟用防抱死和防滑功能，并與摩擦制動相比權衡再生能量捕獲。視頻輸入，可能還有雷達和激光雷達（光探測和測距），不斷掃描前方道路。它們使解釋算法能夠確定是否出現了需要轉向、制動或停車的新障礙。

所有這些都是在車輛導航子系統使用 GPS 接收粗定位數據并將其與地圖對齊時發生的，地圖與攝像機的視覺輸入相結合，以建立隨時間變化的準確定位信息，確定法律允許的最大速度，并將法律限制與當地條件相結合，以確定安全速度。

這些不同的傳感器和相關的獨立子系統必須能夠在可預測的延遲/低抖動的基礎上將其輸入傳送到主處理器及其自驅動算法，同時網絡還支持非延遲關鍵應用程序。整個系統的正確、可預測的運行對乘客（和行人）的生命安全至關重要。

除了支持車輛安全運行的傳感器和軟件外，CAN 上運行的其他應用程序對乘客來說仍然很重要，但顯然不是至關重要的：

操作通風或氣候控制系統以保持每個座椅的理想溫度（包括空氣運動、座椅加熱或冷卻等）

向不同乘客提供多個音頻或視頻內容流

與其他乘客或附近車輛上的乘客玩游戲

重要的日常維護活動，如測量輪胎的充氣壓力、蓄電池充電水平、制動效率（可能表明過度磨損）等

其他低頻但也具有時間關鍵性的傳感器輸入為車輛的自診斷提供了必要的輸入，以確定何時應將其帶回維修站進行維修，或僅為其電池充電。

要求所有這些不同的應用程序共享車輛中的同一物理網絡（在同一 CAN 上運行）是需要 PTP 的原因。

工程師將設計 CAN ，使其具有足夠的瞬時帶寬，以支持所有關鍵設備的最壞情況需求（例如爭用很少或不發生爭用），同時動態允許所有設備請求訪問量和每個請求所需的延遲邊界，這些延遲邊界可以隨時間變化。

在自動駕駛汽車的世界中，PTP 是實現車內技術的關鍵，支持車輛的安全運行，同時提供豐富的娛樂和舒適性。

結論

您已經看到了三個應用場景示例，其中對網絡訪問的控制與基本速度同等重要。在每種情況下，應用程序都定義了精確/準確/高分辨率計時的要求，但網絡使用通用機制來提供所需的服務。

隨著網絡速度的不斷加快，用于區分事件的時間分辨率與帶寬的倒數成線性比例。

強大的 PTP 實現，例如 NVIDIA Cumulus Linux 5.0 設備中的實現，體現了可擴展的協議機制，將適應未來更快的網絡。它們將提供精確定時和精度，以適應這些網絡不斷增長的速度。

未來的應用程序有望繼續得到他們所需的可預測的時間相關服務。即使網絡繼續以更快的速度、更細粒度的時間分辨率支持更多用戶，這也是事實。

審核編輯：湯梓紅