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虹科TSN協議驗證解決方案

蓋世汽車忻文 2022-04-08 18:19

一、TSN方案概要

本方案基于SOCe MTSN套件，驗證100BASE-T、1000BASE-T和TSN協議中的 IEEE802.1 Qav、IEEE802.1 Qbv、IEEE802.1 Qcc、IEEE802.1 As和IEEE802.1 CB等協議。方案包括MTSN相關硬件的介紹、device硬件的連接和TSN部分協議的驗證demo。

時間敏感網絡是IEEE 802.1工作組的時間敏感網絡任務組正在開發的一組標準。這些標準提出了針對IEEE 802.3網絡的增強功能，以便為OT和IT定義基于以太網的獨特解決方案。 TSN的基本基礎是使用時間同步和用于定義網絡中共享的時間表的時間感知整形器在以太網上實現確定性。本方案的TSN在于時間同步，流量整形和網絡配置三個因素。

（1）時間同步

在時間敏感網絡中，所有device都需要有一個公共時間基準，因此需要彼此同步時鐘。使用稱為IEEE 802.1AS-2011的IEEE 1588配置文件，面臨著在組成網絡的TSNdevice之間提供納秒級同步精度的技術挑戰。由于這項技術提供的準確性，確保基于受控的網絡延遲和抖動植入有效的基于時間觸發的以太網解決方案是可行的。

（2）流量整形

使用IEEE 802.1Q中使用的嚴格優先級機制，可以區分更重要的網絡流量和次要的網絡流量，但不能給出端到端交付時間的絕對保證。 TSN通過添加機制來確保按軟硬實時要求及時交付，從而增強了標準以太網通信。

IEEE 802.1Qbv時間感知調度程序允許定義每個重復周期中可用的時隙數量，其持續時間以及允許發送的優先級隊列。由于采用了這種操作方式，計劃流量具有專用的時隙，以確保預期的確定性行為。盡力而為的流量容納在每個循環操作的其余時隙中。

TSN中優先級和帶寬使用優化的一項重要改進是對基于信用整形器的支持，如IEEE 802.1Qav中所定義。此功能允許定義可用于確定隊列的最大帶寬比例。

（3）網絡配置

TSN網絡的配置平面是標準化（IEEE）和工業（IIC TSN測試平臺工作組）組中最活躍的主題之一。 TSN通信基于在Talker和一個或多個偵聽器之間設置的數據流。基于每個流的商定參數，有必要配置TSN網絡的所有元素以根據所選參數切換幀。此操作由集中式網絡配置（CNC）節點執行。該CNC應能夠以標準化的方式與不同供應商的device進行通訊。該領域的早期進展基于IEEE 802.1Qcc標準。

二、TSN方案設計2.1 TSN網絡拓撲圖

本方案中TSN的網絡拓撲如圖1所示

圖1 TSN的網絡拓撲圖

2.2 device介紹

（1）MTSN套件

多端口時間敏感網絡（MTSN）交換機IP是SoCe解決方案，適用于需要一站式解決方案在其device中引入時間敏感網絡的任何客戶。根據應用，可以最佳地實現MTSN交換機IP。可以將其配置為從簡單的2端口TSN適配器到復雜的多端口交換機生成。設計人員可以在其他參數中為FPGA部分中實現的交換機選擇端口數量和存儲器分配。使用Xilinx Vivado工具以圖形方式完成整個配置。MTSN套件不僅設計用于測試MTSN交換機IP，而且還支持高級動手TSN。該套件基于Zynq Ultrascale + MPSoC，它由兩塊可以運行TSN網絡設置的板組成，如圖2所示。

圖2 MTSN套件

（2）TSN交換機（SMARTmpsoc）

SMARTmpsoc Brick為支持1588的HSR/PRP高可用性和確定性以太網網絡提供了開箱即用的設置。它是基于Xilinx Zynq Ultrascale+ MPSoC可重構平臺device，包括SoC-e SMARTmpsoc模塊。它嵌入Linux操作系統和實現自主HSR/PRP、托管以太網、IEEE 1588、TSN和其他SoC-e解決方案所需的SoC-e ip，甚至與用戶邏輯相結合。它是評估SoC-e IP核的一個很好的選擇，因為它只是一個Plug&Play解決方案，不需要客戶進行任何類型的集成工作。硬件以后還可以用作開發平臺，這樣可以縮短開發階段。

SMARTmpsoc 模塊是可插拔的SoM，旨在使以太網工業網絡輕松集成到電氣、運輸和工業自動化領域的device中。這個功能強大的模塊允許實施具有強大網絡功能的定制路由器、交換機或終端device。可以使用特定的IP內核在硬件中實現切換處理。

SoC-e提供了可在SMARTmpsoc 模塊上實現的解決方案，這些解決方案包括：HSR，PRP，MRP，DLR，TSN，RSTP，PTP，低延遲以太網，Profinet和以太網IP。

圖3 SMARTmpsoc

SMARTmpsoc Brick主要參數如下：

l SMARTzynq載體:

4x SFP cage適用于10/100/1000Base-T, 100Base-FX或1000Base-X

10/100/1000Base-T 1x RJ45

UART控制臺(USB)

6V-30V DC(含電源)

2 x PMOD連接器

l 電源供電

l USB B電纜

l 光纖/銅SFP模塊（可選）

（3）SMARTzynq Brick（TSN流量生成器）

SMARTzynq Brick 提供了一個現成的建立1588感知 HSR / PRP高可用性以太網網絡。它基于SoC-e SMART zynq模塊，其中包括Xilinx Zynq-7000可重配置平臺device。它嵌入了Linux OS和實現自主HSR / PRP，托管以太網，IEEE 1588和其他SoC-e解決方案所需的SoC-e IP ，甚至與用戶邏輯結合在一起。

它也是評估SoC-e IP內核的絕佳選擇，因為它是即插即用的解決方案，不需要客戶進行任何形式的集成工作。硬件以后也可以用作開發平臺，從而縮短了開發階段。

SMART zynq Brick 電子部件為工業或汽車級。另外，它允許廣泛的DC電壓輸入和所有必需的保護，以允許在現場使用該板（例如：在工業device或機架內部，CNC機器等內部）。

SMARTzynq Brick的主要參數如下：

l SMART zynq載體：

用于10/100 / 1000Base-T，100Base-FX或1000Base-X的4個SFP接口

1個RJ45 支持10/100 / 1000Base-T協議

UART控制臺（USB）

6V-30V DC（包括電源）

2個PMOD連接器

l 具有參考設計的SD卡

l 電源

l USB B電纜

l 光纖/銅SFP模塊（可選）

（3）流量生成器

流量生成器用于產生各種優先級和帶寬的流量，已對網絡傳輸進行阻塞，從而驗證TSN的一些協議對網絡調度和降低網絡延遲的功能。

圖4 SMARTzynq Brick

2.3 device連接

在圖5中展示了運行TSN演示所需的硬件連接。套件三個硬件板塊，分別為TSN交換機1、TSN交換機2和流量生成器。

TSN交換機1和TSN交換機2出廠時已經預先配置好，在板載ARM處理器的以太交換端口eth0上有不同的IP地址。流量生成器在服務端口也被預先配置有一個不同的IP地址。使用前需要對device進行以下連接：

（1）將TSN交換機1的PORT0和TSN交換機2的PORT0相連

（2）將TSN交換機1的PORT1和TSN交換機2的PORT1相連

（3）將TSN交換機1的PORT0和流量生成器的PORT0相連

（4）將TSN交換機1的PORT3和流量生成器的服務端口相連

（5）將TSN交換機2的PORT2和電腦連接

圖5 MTSNdevice連接

為了方便區分，TSN交換機1為device0，TSN交換機2為device1，流量生成器為device2。

2.4 協議驗證2.4.1 IEEE802.1AS（時間同步測試）

該測試表明TSN網絡中需要通用的時間同步。將傳輸時間劃分為多個循環窗口增加了對納秒計時器的需求，該計時器允許所有device同時打開這些窗口。缺乏這種機制會觸發大量的隨機帶寬損失。

圖6.沒有時間同步的TSN網絡

圖7.具有時間同步的TSN網絡

為了提供友好的界面，可以使用專用的Web界面來控制TSN測試（請參見圖8）。可從PC Web瀏覽器（Opera瀏覽器）輸入屬于device0的地址192.168.4.64:1337來訪問此Web界面。

圖8.演示Web界面

驗證步驟：

① 單擊“Time Synchronization Test”按鈕，它將彈出一個新頁面；

圖9.時間同步測試頁

② 打開Wireshark，現在不要開始捕獲；

③ 單擊“Start Frame Generator”按鈕，它被配置為啟動device0中的流量生成器，主要參數定義了1500字節大小，VLAN優先級為5的幀的傳輸，帶寬率為10％；

④ 在Wireshark中開始新的捕獲，打開I / O圖，并檢查是否以優先級5接收了100Mbps的流量;

圖10.優先級5的流量帶寬

⑤ 單擊“Enable TAS in Device 0”，時間感知整形器的配置僅發送到device0。它的配置如下：

?僅保留一個時隙用于優先級5流量的傳輸。

?允許將所有剩余的流量發送到剩余的時隙中。

?允許在所有時隙中傳輸PTP流量（優先級6）。

圖11.時間感知整形器配置

⑥ 返回到I / O圖捕獲，并檢查帶寬是否限制為大約25％；（由于僅為優先級5的流量預留了一個插槽）

圖12.時間感知整形器操作

⑦ 單擊“Enable TAS in Device 1”， Time Aware Shaper的配置僅發送到device1。它的配置方式與device0相同；

⑧ 返回I / O圖捕獲，由于device無法同時打開窗口，因此帶寬減少了，注意：帶寬減少可能與圖片有所不同，這是因為兩個device中的窗口啟動之間的時間差是隨機的；

圖13.帶寬減少（設置TAS后）

⑨ 單擊“Enable IEEE 802.1AS”按鈕，此按鈕的作用是激活兩個device中的IEEE 802.1AS，以使其具有同步時間，同步完成后，兩個device將同時打開循環窗口；

⑩ 返回I / O圖捕獲，檢查同步完成后，帶寬大約恢復到25％;

圖14.加載時間同步后的帶寬

? 單擊“Go back”按鈕。單擊此按鈕時，流量生成器停止傳輸流量，并且時隙的配置被撤消。它帶您回到主頁;

? 轉到Wireshark并停止捕獲。

2.4.3 IEEE802.1Qbv（TAS：時間敏感整形器測試）

如先前的測試所示，在以太網的標準操作下，由于流量優先級比流量生成器低，因此無法對VLC實例進行優先級排序。在此測試中，將證明標準IEEE 802.1Qbv中定義了TSN功能，該功能允許為不同的優先級分配傳輸時隙。特別是，在802.1Qbv塊中配置的參數將僅允許將優先級2流量傳輸到單個時隙中。其余流量將被傳輸到另一個時隙。將有另一個不允許任何流量的時隙，以定義保護帶并改善Wireshark中的圖形可視化。最終，第一個時隙將僅保留用于優先級0流量的傳輸，以保持演示的成功執行。注意：802.1AS流量（優先級6）將被允許在所有時隙中傳輸。

圖15.時間感知整形器配置

驗證步驟：

① 單擊“ Time Aware Shaper Test”按鈕，它將彈出一個新頁面，啟用了兩個VLC客戶端實例，VLC1對應于VLAN優先級為2的流，而VLC2對應于VLAN優先級4的流，這兩個視頻現在都可以顯示。

圖16.時間感知整形器測試頁

② 單擊“Enable Time Aware Shaper”按鈕，時間感知整形器（時隙）的配置參數發送到兩個device。通過此操作，由于優先級2（VLC實例1）的可用于傳輸的專用時隙，其流量已保留了一定百分比的帶寬；

③ 單擊“Start Frame Generator”按鈕，它配置為啟動device0中的流量生成器，主要參數定義1500字節大小的幀的傳輸，VLAN優先級為5，帶寬速率為100％，以產生擁塞情況。此時，應該正確接收VLC實例1，而不能正確接收VLC實例2，這是由于在同一時隙中其余優先級的帶寬仍存在競爭。

④ 在Wireshark中開始捕獲幾秒鐘，打開I / O圖形并以毫秒為單位設置x標度，然后注意將傳輸時間分成多個時隙。檢查優先級為2的流量是否從未與其余流量同時傳輸，還要檢查是否接收到任何優先級為4的流量。

圖17.時間感知整形器時隙

⑤ 單擊“ Go back”按鈕，單擊此按鈕時，流量生成器停止傳輸流量，VLC實例被中斷，并且時隙的配置保持不變，返回主頁。

2.4.3 IEEE802.1Qav（CBS：基于信用的整形器測試）

使用時間感知整形器機制，由于在每個傳輸窗口中保留了一個時隙，因此可以實現優先級為2的流量的優先級。在此測試中，將使用基于信用的整形器機制，以便在多個優先級的流量之間分配帶寬。特別是，需要為優先級4的流量分配足夠的帶寬（VLC2），并將優先級5的流量的帶寬限制為允許其余流量傳輸的值,選擇的值限制了優先級5流量的帶寬的20％。

驗證步驟：

① 單擊“Credit Based Shaper Test ”按鈕，這兩個視頻現在都可以顯示。啟用了兩個VLC客戶端實例。 VLC實例1對應于VLAN優先級為2的流，而VLC實例2對應于VLAN優先級4的流。這兩個視頻現在都可以顯示。

圖18.基于信用的整形器測試頁

② 單擊“Enable Credit Based Shaper”按鈕，基于信用的整形器的配置參數（帶寬分數）被發送到兩個device，通過此操作，由于優先級5的流量的限制，優先級4（VLC實例2）的流量已預留了一定百分比的帶寬；

③ 單擊“Start Frame Generator”按鈕，它配置為啟動device0中的流量生成器。主要參數定義1500字節大小的幀的傳輸，VLAN優先級為5，帶寬速率為100％，以產生擁塞情況。此時，盡管負載流量的配置方式與之前的測試相同，但這次兩個視頻都能正常接收，因為CBS功能正在管理分配給每個優先級的帶寬；

④ 在Wireshark中捕獲幾秒鐘，打開“I/O Graph”并以秒為單位設置x軸比例，并注意優先級5流量的帶寬限制，它應該僅約為50Mbps（250Mbps的20％-1個時隙）。此外，x軸標度可以設置為毫秒，并且可以驗證優先級4的流量始終與優先級5的流量在同一時隙中傳輸。

圖19.基于信用的整形器圖1

圖20.基于信用的整形器圖2

⑤單擊“ Go back”按鈕，單擊此按鈕時，流量生成器停止傳輸流量，VLC實例被中斷，并且所有與TSN相關的功能都被禁用，并將返回主頁。

2.4.4 IEEE802.1CB（幀復制和消除的可靠性測試）

為了測試FRER機制所帶來的優勢，使用了一個新的視頻流VLC3。這個視頻流在device0和device1中都是預先配置好的，以利用IEEE 802.1CB標準中定義的流識別功能。使用IEEE 802.1CB標準中定義的流識別功能。除了流識別功能，這個流還在device0中被配置為從端口0和端口1重復發送，在device1中丟棄收到的重復的收到的幀。通過這種配置，有可能實現無縫冗余即零恢復時間。

驗證步驟：

① 單擊“Frame Replication and Elimination for Reliability Test”按鈕，這兩個視頻現在都可以顯示；兩個視頻流從device0發送，VLC3對應的是用FRER機制配置好的流量。VLC2對應于另一個沒有配置TSN機制的視頻流；

圖21.幀復制和消除的可靠性測試

② 拔掉連接device0的port-0和device1的port-0的電纜，這時VLC2將停止幾秒鐘，VLC3將繼續不間斷播放。在這種情況下，VLC2停止了幾秒鐘然后又開始接收。因為RSTP功能檢測到port-0的鏈路是斷開的并開始通過port-1傳輸VLC2流。與RSTP不同，FRER機制是一個零時間恢復的冗余機制，這就是為什么VLC3在port-0鏈路斷開時不會中斷；