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工厂中使用最广泛的网络类型是有线网络，工业互联网的迅猛发展在不同的协议层上催生了多种有线网络新技术，例如物理层上单对双绞线以太网和工业PON，链路层上的时间敏感网络（time sensitive network，TSN），网络层上的确定性网络（DetNet）等，以满足不同生产制造场景下的需求。
TSN是面向工业智能化生产的一种网络技术，可为工业生产环境提供既支持高速率、大带宽的数据采集，又能够高实时控制信息传输的网络。TSN基于标准以太网，凭借时间同步、数据调度、负载整形等多种优化机制，来保证对时间敏感数据的实时、高效、稳定、安全传输，具有有界传输时延、低传输抖动和极低数据丢失率的高质量实时传输特性。TSN通过全局时钟和连接各网络组件的传输调度器实现网内的确定性实时通信。传输调度器依据相应调度策略来控制时间敏感数据流的实际传输时间和传输路径，避免链路竞争所导致的传输性能下降和不可预测性，以保证时间敏感应用的点对点实时通信。TSN在音视频传输、工业、移动承载、车载网络等多个领域成为下一代工业网络承载技术的重要演进方向之一。
当前制定TSN标准的主要有IEEE、IEC和IETF 3个标准化组织。TSN基础共性标准主要由IEEE 802.1 TSN工作组研究制定，其包括802架构体系中的网间互操作、安全性和整体网络管理等方面的标准制定和应用推荐。2015年开始，IETF成立了确定性网络工作组，关注TSN技术在大规模组网场景下的应用，将其从二层承载扩展到三层网络，即确定性网络，成为一种广义的TSN技术。2017年IEC SC65C/MT9与IEEE 802成立60802工作组研究TSN在工业领域的应用，制定了《用于工业自动化的时间敏感网络（TSN IA）行规》。我国也在同步推进工业互联网TSN系列标准的研制。
TSN处于OSI七层模型的数据链路层，以处理数据调度、以太网数据帧封装与分组任务。发送者的数据传输至接收者需要经过若干跳，其中每个节点都有对应的数据队列和同步时钟，根据分布式时钟进行时间同步计算，通过队列处理数据优先级，包括快速通道方式和抢占机制等。传统的网络时间协议（network time protocol，NTP）作为时间同步手段应用广泛，但精度只能达到微秒级，而工业互联网中所需精度则要达到纳秒级。全球定位系统（global position s ystem，GPS）通过接收多颗卫星发射的时间信息进行时间同步，信号稳定、精度高，但成本高，对使用环境要求苛刻。
TSN使用IEEE 802.1AS广义精准时间同步协议，基于IEEE 1588 V2产生网络测量和控制系统的精密同步时钟，对以太网和分布式网络的各节点的时钟同步，又称为精确时钟协议（PTP）。IEEE 1588 V2完全基于二层网络，采用双向信道，授时精度100ns，其时延响应机制报文收发流程如图2-5所示。
IEEE 802.1AS提供了可靠准确的网络时间同步，严格保证时延敏感的业务在时延固定或对称的传输媒质中的同步传送，包括在网络正常运行或添加、移除或重配置网络组件和网络故障时对时间同步机制的维护。
精确时钟协议（PTP）提供了自动协商网络主时钟的最优主时钟算法（b est master clock algorithm，BMCA），定义了局域网内的主时钟（grandmaster）。所有局域网节点PTP设备将以此主时钟为参考值，整个网络通过BMCA在最短时间内根据主时钟变化确定新的主时钟，确保全网络保持时间同步。PTP消息在进出具备IEEE 802.1AS功能的端口时，触发对本地实时时钟的采样，根据RTC值与相应主时钟值进行比较，进行路径延迟测算和补偿，将其RTC时钟值匹配到PTP域的时间。各网络节点设备间通过周期性PTP同步报文交换精确地实现时钟调整和频率匹配。最终，所有的PTP节点都将同步到相同的主时钟时间。
图2-5 IEEE 1588时延响应机制报文收发流程
TSN流量调度分为两类：基于时隙化调度和基于QoS的调度。前者需要全网进行时间同步。IEEE 802.1Q标准中定义了8个级别的优先级来标记网络流量的重要程度。TSN工作组又在IEEE 802.1Q的基础上提出IEEE 802.1Qbv标准，定义了时间感知调度器，优化以太网帧的传输优先级，将时隙划分为更细的时间槽并分配给若干优先级，形成虚拟通信信道，使特定的实时数据能够在非实时数据负载中穿插传输，减小其他突发或异常的发送请求对实时数据传输的影响。
IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br定义了帧抢占功能。其中，IEEE 802.1Qbu定义了面向传送设备抢占接口及模块级别，IEEE 802.3br定义了帧抢占的切片操作、切片还原以及验证等功能具体流程。在帧抢占中，低速帧正在传输时遇高速帧传输请求需要判断当前状态下是否允许时间切片，若是则在适当的位置中断低速帧的传输，续接一个MPEC（mPacket error checking code）作为校验和，并把该低速帧已经传输的部分作为一个完整的以太网帧。在间隔一个间隔帧间隙（interval frame gap，IFG）后开始传输高速帧，待高速帧传输完成后，被中断的低速帧后半部分会被外加适当的前导码继续传输。
时间敏感流IEEE 802.1Qav转发和排队增强功能使用优先级类别定义流量整形，该优先级类别采用基于信用的公平排队的简单形式。IEEE 802.1Qav旨在减少接收网桥和端点中的缓冲。基于信用的整形器以比特为单位为两个单独的队列定义信用，专用于A类和B类流量。仅当信用为非负数时才允许帧传输，保障传统异步以太网流量对时间敏感流不会产生干扰，通过使用SRP提供的预留带宽和PTP提供的同步时钟服务，时间敏感流采用伪同步模式进行转发。为了避免传统以太网流量的干扰，交换机对时间敏感数据流帧和普通数据流帧进行了分类处理并将时间敏感数据流帧的优先级设置为最高。
IEEE 802.1Qat流预留协议（SRP）是一种分布式对等协议，它根据流的资源要求和可用的网络资源指定准入控制。SRP保留资源并从发送者／来源（说话者）向接收者／目的地（侦听者）广播流；它可以满足每个流的QoS要求，并保证整个流传输路径上有足够的网络资源可用。SRP使用由48位MAC地址（EUI）和16位UniqueID组成的64位StreamID识别并注册流量，以识别来自同一个源的不同流。
SRP使用多重注册协议（MRP）的变体来注册和注销交换机／网桥／设备上的属性值-多重MAC注册协议（MMRP）、多重VLAN注册协议（MVRP）和多重流注册协议。
SRP协议本质上按以下顺序工作：
（1）广告来自说话者的流。
（2）注册沿数据流的路径。
（3）计算最坏情况下的延迟。
（4）创建一个AVB域。
（5）预留带宽。
资源在数据流的端节点和沿数据流路径的传输节点中都进行了分配和配置，并具有端到端信令机制来检测成功／失败。最坏情况的延迟是通过查询每个网桥来计算的。流路径上的所有节点都通过MRP属性声明（MAD）规范，该规范描述了流特征，以便网桥可以分配必要的资源。如果网桥能够保留所需的资源，则它将广告传播到下一个网桥。否则，将引发“通话者失败”消息。当播发消息到达侦听器时，它将以“侦听器准备就绪”消息答复，该消息传播回说话者。
为了能够为新的多样化场景（包括“工业4.0”和工厂自动化）部署5G，5G系统必须与此类行业中使用的通信技术协同工作。为此，3GPP在将5G系统与涵盖时间敏感网络（TSN）的IEEE 802.1工作组规范的集成方面开展了大量工作。
3GPP Release 16中的“Vertical_LAN”工作项介绍了以下3个针对“工业4.0”的全新5G需求要素：
（1）通过无缝集成5G系统作为与IEEE TSN的桥梁，支持对时间敏感的通信。
（2）支持非公共网络。
（3）支持5G-LAN类型的服务。
IEEE TSN规范集被认为是融合技术，它将在未来的工厂中实现确定性和低延迟通信。5G时间敏感通信是一项以高可靠性和可用性支持确定性和／或同步通信的服务，它为数据包传输提供了服务质量（QoS）特性，例如有限的等待时间和可靠性，可以在其中严格同步终端系统和中继/传输节点。
3GPP通过将整个端到端5G系统视为IEEE 802.1AS“时间感知系统”来支持TSN时间同步，其融合架构如图2-6所示 [4] 。只有5G系统边缘的TSN转换器（TT）才需要支持IEEE 802.1AS操作。UE、gNB、UPF、NW-TT和DS-TT与5GGM（即5G内部系统时钟）同步，从而使这些网元保持同步。
图2-6 5G与TSN的融合架构
TSN转换器完成与IEEE 802.1AS相关的所有功能。此外，引入时间敏感通信（TSC）辅助信息向5G RAN提供确定性的流量模式，并促进时间敏感流量的优化调度。
3GPP Release 16规范支持5G系统中工业IoT的关键实现因素。3GPP还通过最近的联络声明（S2-2003508）向IEEE通报了3GPP规范中IEEE TSN集成的成熟度。
3GPP Release 17的工作旨在定义与IEEE TSN集成的进一步增强，包括支持通过5G系统的上行链路同步，支持连接到UE的多个工作时钟域，以及支持将TSN GM连接到UE的时间同步。通过5G系统的UE端。3GPP Release 17也将通过公开网络功能来支持时间敏感通信服务以及针对UE-UE时间敏感通信的优化，从而增强对确定性应用程序的支持（超出IEEE TSN）。此外，3GPP Release 17还旨在支持SNPN的进一步增强，以及与SNPN分离的实体拥有的订阅／凭证，UE启用和配置SNPN以及支持SNPN的语音/IMS紧急服务。