提到時間觸發以太網，不得不提的就是最近大火的TTE和TSN的概念。可能不少同學沒有聽說過這些概念，不過不要緊，先看下面的動圖，這些領域都要用到TTE或者TSN。本文將重點介紹TTE，為了便於區分，大家可以把TTE簡單的理解為密閉空間內使用的TSN即可，也就是說，在某種場景下，TTE和TSN是一回事。
後空翻的機器人
已保存
無人駕駛的汽車
火箭
衛星
飛機
高鐵
風力發電設施
根據上面的動圖，可以設想如下場景，空翻的機器人各個關節的傳感器是如何快速的同步配合肢體動作的？飛馳的無人車在前方遇到障礙後如何快速的將剎車信號傳遞給剎車裝置？飛行中的火箭、衛星和飛機在不同階段是如何快速交換內部所有傳感器信息的？奔馳的高鐵上傳遞控制指令的信息和娛樂信息是否應該區分傳輸......歷史上，從來沒有過像今天網絡和業務能夠如此的緊密結合，為了業務的需求去改變或者重新定義現有的網絡，是現在研究的一個重要的方向。在某種場合下，一定意義上，網絡成為了主宰。而傳統網絡是時間不敏感的，如何改進傳統網絡使其滿足各種業務對實時性越來越高的需求，時間觸發以太網（TTE）或者時間敏感網絡（TSN）就應運而生了。
歷史上任何階段的巨大變革下，都會有大牛出現。無論是社會變革還是技術革命都是如此。本文所介紹的就是實時以太網領域的一個大牛，也是上面提到的TTE或TSN領域的大牛。
一、一個人
提出時間觸發概念的大咖：Herman Kopetz！其代表性著作《Real-Time Systems》。Hermann Kopetz是維也納科技大學的教授，奧地利科學院的院士。 1994年，他因為對容錯實時系統的貢獻而被任命為IEEE院士。他也是TTTech公司的創始人之一。
Herman Kopetz教授
《Real-Time Systems》
Hermann Kopetz於1968在奧地利維也納大學獲得物理博士學位《亞吉普賽斯獎》。1970年後，他在Athens佐治亞大學擔任博士後和助理教授，1972年1978年加入奧地利工業部，擔任林茨沃特斯阿爾卑斯山計算機過程控制部門的經理。1978，他接受了柏林西部技術大學計算機程序控制教授的任命。自1982以來，他是維也納理工大學軟件工程和實時系統的教授。從1990到1992，Kopez是IEEE容錯計算技術委員會主席，1993當選為IEEE研究員。Kopetz博士是從1996到1998的可靠計算和容錯的IFIP WG 10.4的主席。1998，他當選為奧地利科學院的院士。2000年7月，Kopetz博士被奧地利政府提名，成為奧地利政府關於科學政策的八位科學家之一。Kopetz博士出版了一本關於實時系統的廣泛使用的教科書和超過100篇關於嵌入式系統的論文。他在可靠的實時系統領域擁有超過二十項專利。
Kopetz的研究重點是實時系統、容錯系統和分佈式嵌入式系統的交叉。他是時間觸發協議的首席設計師，也是在過去幾十年的研究中演進的時間觸發架構的提出者和倡導者。在他的研究中，他一直認為實時性是一個實際系統裡面的一個基本屬性，因此，必須在可靠的嵌入式系統的規範和設計中發揮核心作用。在他看來，從許多計算理論和模型中去除實時性是一個嚴重的錯誤。計算機科學的許多基本問題，如元穩定性問題（meta-stability problem）、相互排斥問題（the mutual exclusion problem）或分佈式系統中消息的確定性排序問題（deterministic ordering problem of messages）都是由同時性引起的，這是一個時間問題。如果在系統模型中包含適當的實時表示(如稀疏時間)，那麼這些問題的解決方法就會變得更簡單。在過去的幾年裡，Kopetz的想法被更廣泛的學術和工業研究團體所接受，並導致了時間觸發實時系統領域的發展。
Hermann Kopetz教授多次來華訪問，去年（2017年），Hermann Kopetz教授還曾受北航吳際老師的邀請來華交流。吳際教授主導翻譯的《Real-Time Systems》中文版也即將面世。
二、一個公司
TTTech公司，奧地利時間觸發計算機技術股份有限公司（簡稱TTTech）。TTTech公司將Hermann Kopetz教授的理論進行了產業化應用和推廣。如今，TTTech公司的產品已經成功的打入全球範圍的航空航天、工業控制、汽車自動駕駛、工業互聯網等領域。
以下簡單的列舉一些案例。
• 2008年7月，Honeywell先進技術平臺系統在其新一代全權限數字發動機控制系統中首次使用了TTTech公司1Gbps和10Mbit/s的實時以太網技術。其中兩個發動機之間海量數據交換採用高速實時容錯1Gbps TTE網絡，而發動機本地開關量等執行器控制信息採用10Mbps TTE網絡進行通信；
• 2009年4月，TTTech公司與美國航天局（NASA）簽署協議，為太空應用建設高容錯高速可裁剪新一代網絡通信服務，該服務基於IEEE802.3以太網標準開發。隨後美國航天局已經將TTEthernet的一些技術用在了獵戶座載人探索飛行器上(Orion Crew Exploration Vehicle)；
• 2009年，TTTech的自動控制系統及確定性以太網就被應用在了波音787 Dreamliner上
• 2010年7月，TTTech公司已經向美國聯合技術公司（United Technologies Corp）旗下的子公司美國西科斯基飛機公司（Sikorsky Aircraft Corporation）交付了一套基於TTE網絡技術的分佈式IMA（集成模塊化航空電子設備）試驗平臺；
C919上的AFDX系統也屬於TTE中的RC業務
• 2013年，TTTech確定性以太網路技術被用到了NASA的載人航天器Orion MPCV上。
• 2014年1月， TTTech公司在拉斯維加斯舉行的國際消費電子展(CES)上攜手技術合作夥伴奧迪(Audi)聯合推出用於自動駕駛汽車的關鍵使能技術。 TTTech公司的先進駕駛員輔助系統平臺使奧迪能夠將各種創新功能與多個安全臨界水平相整合，如自動泊車或駕駛等。
TTTech就是搭建奧迪自動駕駛“大腦”的主要操刀手之一，其確定性以太網IP解決方案滿足了下一代ADAS應用越來越高的帶寬和軟件集成需求。• 2018年拉斯維加斯CES上，三星電子、英偉達（NVIDIA）推出的自動駕駛方案都使用了TTTech自動駕駛安全軟件框架MotionWise支持。三星斥資3億美元成立汽車產業基金，首筆9000萬美元就投給了TTTech。
• 2018年3月13日，上汽集團與奧地利網絡與安全控制解決方案供應商TTTech Computertechnik AG（以下簡稱“TTTech”）舉行合資合作簽約儀式。上汽集團與TTTech將以50.1:49.9股比成立合資公司，攜手加快推進智能駕駛中央決策控制器（iECU）集成開發，全面提升在智能駕駛領域的核心技術能力。
TTTech與上汽集團的合作打開了國內相關領域與TTTech公司合作的大門，明確了通過合資公司的形式與國內的相關企業展開合作，而TTTech公司，也所有顧慮，並非以全部的內容全面展開合作，僅是針對中央決策控制器（iECU）的集成開發部分合作。只拿關鍵技術的一部分來跟單獨的一家公司合作，這也許是 TTTech在國內發展的戰略決策之一。
TTTech公司時間觸發以太網的應用
此外，TTTech與英特爾合作為工業自動化開發基於FPGA的TSN（ime Sensitive Network，即時間敏感網絡）解決方案。TSN是目前最火爆的概念，也是全世界商界的巨頭們受到了時間觸發概念的啟發後，要重新改變目前落後的以太網標準而發起的一個標準組織。TTTech公司也攜帶著時間同步協議的國際標準強勢加入TSN標準制定者的陣營！國內的華為也是標準陣營裡面的成員之一，這恐怕是目前通信領域最龐大的一個標準化組織了。TSN標準是一個龐大的標準族，裡面的很多子標準還沒有close，但從目前已經公佈的各個自標準來看，TSN和TTE有著太多太多的相似之處。
未來5G的時鐘同步思想也來源於時間觸發以太網裡面的概念。IEEE 802.1AS（-rev）中，就是沿用了IEEE 1588的思想，但只是用到了MAC層，rev版本主要介紹了冗餘的部分。本公眾號前面兩次介紹的1588同步及6802同步都是相關的同步實現。只是TTE中主要用了6802的同步，而TSN或5G裡面用了1588同步。在小編看來，這兩種同步只是實現方法不同而已，1588是有主時鐘的，從設備都向主時鐘進行對錶，結合BMCA（最佳主時鐘選擇算法）算法進行工作；6802是理論上的準確時鐘，所有的設備都會跟這個理論上的準確時鐘對錶。筆者所在實驗室在用FPGA實現兩種同步方案的過程中發現，無論是哪一種同步方案，最後的誤差都轉化為時鐘信號採集時間戳的不確定性帶來的誤差。當然，也可以採用能夠打時間戳的高精度高頻率的PHY芯片（最高頻率有1GHz的支持打時間戳的PHY芯片），目前筆者所在的學校實現最好的時間同步精度是1ns。如果要實現PS量級的同步精度，可能得需要結合移動時鐘相位的技術了。
TSN中部分協議
三、一個想法
這個想法就是TTE，以下部分內容來自互聯網。沒有找到原作者是誰，若原作者看到後請聯繫我。
1.TTE簡介
（1）定義：
TTE=傳統以太網+時鐘同步+時間觸發通信+速率受約傳輸+保證傳輸
TTE 將時間觸發傳輸的實時性、確定性、容錯能力等特點與傳統以太網“盡投遞”的靈活性、動態性等特點相結合，可支持各種不同類型的應用業務。
（2）特點：
A.TTE與IEEE以太網802.3協議完全兼容，能夠使各種不同類型的應用業務在同一個網絡上實現無縫連接，如個人PC機、網站、多媒體系統均使用相同網絡。
B.適用各種帶寬速率網絡。TTE在TDMA機制上採用時間觸發機制和事件觸發機制並存，能充分利用帶寬以提高通信網絡的效率。它能高效的應用於10Mbit/s， 100Mbit/s等各種帶寬網絡。
C.TTE具備容錯機制，可限制個別端系統的錯誤在整個網絡的蔓延並防止黑客對系統資源的非法訪問。
D.TTE具有系統可擴展性，當傳輸網絡因功能需要而擴展時，已有的電子應用無需做出任何改變。
E.TTE 可用於安全優先的載錯運行應用，即系統在有錯誤出現時仍可保持全功能運行。如TTE的時間同步服務，冷啟動服務，團集檢測和恢復服務等。
2.TTE的數據傳輸與交換
2.1時間觸發vs 事件觸發
交通運輸
• 汽車，出租車是事件觸發優點: 靈活，但容易擁堵。（TTE中的BE、RC（ARDX業務）等業務沒有調度表來安排收發時間，跟傳統的以太網區別不大，所以容易造成擁堵。時延及抖動也不確定）
• 火車是時間觸發優點: 可預知。（TTE中的TT業務就是嚴格按照調度表（列車時刻表）來進行數據的收發，不在收發時間窗口內的TT幀會被認為是異常幀丟掉，多個異常幀出現後就會認為時間同步出現了問題，需要重新同步）
1)事件觸發（Events Trigger，ET）系統:事件（發送消息或任務執行）的開始是沒有特殊時序的，且事件可能來自系統內或外部。是一個物理隔離的確定系統，控制信號依照一個安排好的時序依次產生。
2）時間觸發（Time Trigger，TT）系統:事件是按照在分佈式系統內部的某個時序依次發生的。環境的不可預測性將帶來系統的不確定性，其控制信號的產生在時間上不可預測。
2.2 TTE 網絡體系架構
正面的層次結構是協議層次結構，側面的是TTE 服務控制
以太網標準IEEE 802.3
IEEE 802.3標準位於ISO / OSI參考模型的最低層，TTEthernet執行服務在數據鏈路層，不加修改地使用所有IEEE802.3服務
2.3 TTE傳輸的數據流
TTE 提供三種不同的數據幀：
事件觸發time-triggered(TT)traffic：將自己的本地時鐘與網絡中其他時間觸發通信控制器的本地時鐘同步得到全局時間基。
速率受限rate-constrained(RC)traffic：通過建立最大化帶寬利用的週期通信來保證在複雜的網絡中有限的傳輸時延。
盡力投遞best-effort(BE)traffic：傳統以太網的傳輸業務類型。系統不保證其傳輸時延、抖動，甚至不保證幀一定能夠被投遞到接收端。
2.4TTE 網絡構件和拓撲結構
TTE 網絡構件主要包括：時間觸發以太網交換機（CM）、時間觸發以太網控制器終端（SM）和時間觸發以太網客戶終端（SC）及物理鏈路。
CM：時鐘同步的決策者，整合SM 發送的同步幀，並把整合的結果發送給 SM
和SC，建立網絡同步並在同步基礎上進行流量控制。CM 具有整合功能、時鐘同
步功能、餘度容錯功能、流量控制功能。
SM：時鐘同步的發起者，接收CM 整合後的同步幀做時鐘同步，並在同步基礎上進行流量控制。SM 具有時鐘同步功能、餘度容錯功能、流量控制功能。
SC：時鐘同步的參與者，被動接收CM 整合後的同步幀做時鐘同步，並在同步基礎上進行流量控制。SC 具有時鐘同步功能、餘度容錯功能、流量控制功能。
為了提高系統的可靠性，常採用雙冗餘甚至多冗餘的結構，以防止單個網絡中心交換機故障導致的網絡失敗。
前兩天公眾號發文專門介紹了網絡交換實驗室實現了6802同步和1588同步：
基於時間觸發以太網的AS6802時間同步協議的設計與實現
基於以太網MAC IP核的IEEE1588協議的設計與實現
2.5網絡構件餘度容錯機制
（1）沉默故障模型：系統中某個設備出現故障，停止輸出數據。設備正常發送/接收了A、B消息，隨後設備發生沉默故障，導致後面的C、D、E、F幀無法正常發送/接收。使用TTE協議中的同步/異步集群檢測解決，一旦集群檢測成功，就重新開始建立同步。
（2）遺漏故障模型：存在遺漏故障的設備在某個隨機的時刻將無法發送或接收隨機數量的幀。正常發送/接收了A、C、F消息，而B、D、E消息無法正常發送/接收。可以通過多重冗餘機制預防。
（3）隨機故障模型：一個設備發生錯誤，在任意時刻發送隨機信息至網絡中。隨機地在任何時間出現沉默和遺漏故障，以及發送幀的誤傳。比如幀A 的遺漏或誤傳為 X，幀 B 的遺漏或誤傳為 Y，幀 D 的遺漏或誤傳為 K 等。針對隨機故障模型可以使用語義控制予以解決，輔助工具是令牌桶控制。
網絡容錯機制
1）超時監視技術
2）速率限制技術
3）多通道技術
下面動圖是本實驗室實現的雙冗餘組網，隨便插拔一根網線，不影響視頻業務的傳輸。
2.6 TTE 系統的數據交換
通過TTE交換機完成
TTE 交換機功能如下：（為保證TTE 網絡的數據正確、實時交換)
1)對ET 消息和 TT 消息的分類
2)對TT 消息的傳輸引入恆定的時延
3)節省存儲（ Memory Saved） 的 TT 交換路徑
4)支持 TT 消息對 ET 消息的搶佔
5) 對被打斷的 ET 消息的重傳
6) 以以太網標準處理 ET 消息
3.應用
（1）綠色能源、工業控制和TTTech
•除了風能以外，智能電網（尤其是變電站自動化）正越來越引起人們的關注；
• 可再生能源（太陽能，風能等），功率分配及智能電網自動化是TTTech發展的大趨勢。
工業自動化領域中的安全系統和安全保障能力的關鍵流程和基礎設施的集成，如鐵路（SIL4信令）、能源生產（高可用性分佈式控制）、醫療控制（如心室輔助控制系統）、機器人（自治系統的分佈式平臺）中也廣泛的使用了TTP和TTE。
智能製造部分和工業4.0部分推薦文章：
OPC UA TSN對於智能製造的意義與影響
TSN扮演的角色在這個時候就比較突出，它解決了OT週期性數據與IT非週期性數據，OT實時性與IT數據容量大、節點多的問題得到了統一的解決。
TSN-工業通信的未來在這裡？
實時物聯網RT-IoT終於有了自己的專屬通訊網絡TSN！
（2）汽車與TTTech
在汽車工業領域，採用時間觸發傳輸的Flexray總線已經替代低帶寬的CAN總線，被應用在奧迪A8、奧迪Pegasus Concept，翅2e、Delphi Brake-by-Wire Concept等產品和設計之中。而TTEthernet（1000Mbps）擁有遠大於Flexray的帶寬，適應於汽車行業的TTEthernet交換機已經進入市場，寶馬BMW公司已經確定2015年後將採用TTEthernet用於其汽車設計。
Audi A8, A7 and A6:
TTTech 安全軟件平臺–為受到嚴格成本控制的大批量生產提供質量保證。
翅2e
奧迪A8
奧迪飛鳥
• TTEthernet具有高擴展性，高速通信的能力以滿足未來自動駕駛的能力
• TTTEthernet通信中極低延時的優點，使其作為汽車的主幹網絡成為可能
• TTEthernet的高容錯的特點，以及冗餘的架構，為更加智能的汽車提供幾家的安全的保障
• TTEthernet與TI的戰略聯盟為其大規模商業化使用提供支撐
• TTEthernet支持多種通信方式，使其與現存成熟技術有機的結合在一起
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（3）航空航天與TTTech
TTTech已經用於幾個飛機生產方案和航空設計中，如波音787、空客A380、巴西航空龐巴迪C系列、諾克希德•馬丁公司的Ｆ16，而TTEthernet則已經被應用於NASA獵戶座飛船中多功能成員車輛的設計之中。
空客A380
獵戶座
F16戰鬥機
英特爾、博通、Marvell、恩智浦、瑞薩等芯片公司是時間確定性網絡產業的核心和基礎。目前TTTech 公司已經推出了TTE交換機和端系統相應的芯片。有業內大咖預測，五年後將是TTE和TSN的風口期到來的時候。中興事件的影響使得我們更加明白了一件道理，掌握核心技術，擁有自主知識產權是多麼的重要！小編所在的網絡與交換實驗室幾十年來一直從事網絡交換相關方向的研究，以掌握核心技術為己任，下面是本實驗室實現的TTE系統演示視頻，擁有全部自主知識產權，所有軟件和FPGA的源代碼都是自己編寫的，感興趣的朋友可留言聯繫。
自主設計TTE網絡演示環境圖
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