一、TSN方案概要

本方案基于SOCe MTSN套件，驗(yàn)證100BASE-T、1000BASE-T和TSN協(xié)議中的 IEEE802.1 Qav、IEEE802.1 Qbv、IEEE802.1 Qcc、IEEE802.1 As和IEEE802.1 CB等協(xié)議。方案包括MTSN相關(guān)硬件的介紹、device硬件的連接和TSN部分協(xié)議的驗(yàn)證demo。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是IEEE 802.1工作組的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組正在開發(fā)的一組標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)提出了針對(duì)IEEE 802.3網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)功能，以便為OT和IT定義基于以太網(wǎng)的獨(dú)特解決方案。 TSN的基本基礎(chǔ)是使用時(shí)間同步和用于定義網(wǎng)絡(luò)中共享的時(shí)間表的時(shí)間感知整形器在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)確定性。本方案的TSN在于時(shí)間同步，流量整形和網(wǎng)絡(luò)配置三個(gè)因素。

（1）時(shí)間同步

在時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中，所有device都需要有一個(gè)公共時(shí)間基準(zhǔn)，因此需要彼此同步時(shí)鐘。使用稱為IEEE 802.1AS-2011的IEEE 1588配置文件，面臨著在組成網(wǎng)絡(luò)的TSNdevice之間提供納秒級(jí)同步精度的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于這項(xiàng)技術(shù)提供的準(zhǔn)確性，確?；谑芸氐木W(wǎng)絡(luò)延遲和抖動(dòng)植入有效的基于時(shí)間觸發(fā)的以太網(wǎng)解決方案是可行的。

（2） 流量整形

使用IEEE 802.1Q中使用的嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)機(jī)制，可以區(qū)分更重要的網(wǎng)絡(luò)流量和次要的網(wǎng)絡(luò)流量，但不能給出端到端交付時(shí)間的絕對(duì)保證。 TSN通過添加機(jī)制來確保按軟硬實(shí)時(shí)要求及時(shí)交付，從而增強(qiáng)了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信。

IEEE 802.1Qbv時(shí)間感知調(diào)度程序允許定義每個(gè)重復(fù)周期中可用的時(shí)隙數(shù)量，其持續(xù)時(shí)間以及允許發(fā)送的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。由于采用了這種操作方式，計(jì)劃流量具有專用的時(shí)隙，以確保預(yù)期的確定性行為。盡力而為的流量容納在每個(gè)循環(huán)操作的其余時(shí)隙中。

TSN中優(yōu)先級(jí)和帶寬使用優(yōu)化的一項(xiàng)重要改進(jìn)是對(duì)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(duì)列的最大帶寬比例。

（3）網(wǎng)絡(luò)配置

TSN網(wǎng)絡(luò)的配置平面是標(biāo)準(zhǔn)化（IEEE）和工業(yè)（IIC TSN測(cè)試平臺(tái)工作組）組中最活躍的主題之一。 TSN通信基于在Talker和一個(gè)或多個(gè)偵聽器之間設(shè)置的數(shù)據(jù)流?；诿總€(gè)流的商定參數(shù)，有必要配置TSN網(wǎng)絡(luò)的所有元素以根據(jù)所選參數(shù)切換幀。此操作由集中式網(wǎng)絡(luò)配置（CNC）節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。該CNC應(yīng)能夠以標(biāo)準(zhǔn)化的方式與不同供應(yīng)商的device進(jìn)行通訊。該領(lǐng)域的早期進(jìn)展基于IEEE 802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)。

二、TSN方案設(shè)計(jì)2.1 TSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

本方案中TSN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示

圖1 TSN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 device介紹

（1）MTSN套件

多端口時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（MTSN）交換機(jī)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(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的任何客戶。根據(jù)應(yīng)用，可以最佳地實(shí)現(xiàn)MTSN交換機(jī)IP?？梢詫⑵渑渲脼閺暮?jiǎn)單的2端口TSN適配器到復(fù)雜的多端口交換機(jī)生成。設(shè)計(jì)人員可以在其他參數(shù)中為FPGA部分中實(shí)現(xiàn)的交換機(jī)選擇端口數(shù)量和存儲(chǔ)器分配。使用Xilinx Vivado工具以圖形方式完成整個(gè)配置。MTSN套件不僅設(shè)計(jì)用于測(cè)試MTSN交換機(jī)IP，而且還支持高級(jí)動(dòng)手TSN。該套件基于Zynq Ultrascale + MPSoC，它由兩塊可以運(yùn)行TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的板組成，如圖2所示。

圖2 MTSN套件

（2）TSN交換機(jī)（SMARTmpsoc）

SMARTmpsoc Brick為支持1588的HSR/PRP高可用性和確定性以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供了開箱即用的設(shè)置。它是基于Xilinx Zynq Ultrascale+ MPSoC可重構(gòu)平臺(tái)device，包括SoC-e SMARTmpsoc模塊。它嵌入Linux操作系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)自主HSR/PRP、托管以太網(wǎng)、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(jié)合。它是評(píng)估SoC-e IP核的一個(gè)很好的選擇，因?yàn)樗皇且粋€(gè)Plug&Play解決方案，不需要客戶進(jìn)行任何類型的集成工作。硬件以后還可以用作開發(fā)平臺(tái)，這樣可以縮短開發(fā)階段。

SMARTmpsoc 模塊是可插拔的SoM，旨在使以太網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)輕松集成到電氣、運(yùn)輸和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的device中。這個(gè)功能強(qiáng)大的模塊允許實(shí)施具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能的定制路由器、交換機(jī)或終端device?？梢允褂锰囟ǖ腎P內(nèi)核在硬件中實(shí)現(xiàn)切換處理。

SoC-e提供了可在SMARTmpsoc 模塊上實(shí)現(xiàn)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(wǎng)，Profinet和以太網(wǎng)IP。

圖3 SMARTmpsoc

SMARTmpsoc Brick主要參數(shù)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(tái)(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(gè)現(xiàn)成的建立1588感知 HSR / PRP高可用性以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。它基于SoC-e SMART zynq模塊 ，其中包括Xilinx Zynq-7000可重配置平臺(tái)device。它嵌入了Linux OS和實(shí)現(xiàn)自主HSR / PRP，托管以太網(wǎng) ，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(jié)合在一起。

它也是評(píng)估SoC-e IP內(nèi)核的絕佳選擇，因?yàn)樗羌床寮从玫慕鉀Q方案，不需要客戶進(jìn)行任何形式的集成工作。硬件以后也可以用作開發(fā)平臺(tái)，從而縮短了開發(fā)階段。

SMART zynq Brick 電子部件為工業(yè)或汽車級(jí)。另外，它允許廣泛的DC電壓輸入和所有必需的保護(hù)，以允許在現(xiàn)場(chǎng)使用該板（例如：在工業(yè)device或機(jī)架內(nèi)部，CNC機(jī)器等內(nèi)部）。

SMARTzynq Brick的主要參數(shù)如下：

l  SMART zynq載體：

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

1個(gè)RJ45 支持10/100 / 1000Base-T協(xié)議

UART控制臺(tái)（USB）

6V-30V DC（包括電源）

2個(gè)PMOD連接器

l  具有參考設(shè)計(jì)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(chǎn)生各種優(yōu)先級(jí)和帶寬的流量，已對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行阻塞，從而驗(yàn)證TSN的一些協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和降低網(wǎng)絡(luò)延遲的功能。

圖4 SMARTzynq Brick

2.3 device連接

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

TSN交換機(jī)1和TSN交換機(jī)2出廠時(shí)已經(jīng)預(yù)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(wù)端口也被預(yù)先配置有一個(gè)不同的IP地址。使用前需要對(duì)device進(jìn)行以下連接：

（1）將TSN交換機(jī)1的PORT0和TSN交換機(jī)2的PORT0相連

（2）將TSN交換機(jī)1的PORT1和TSN交換機(jī)2的PORT1相連

（3）將TSN交換機(jī)1的PORT0和流量生成器的PORT0相連

（4）將TSN交換機(jī)1的PORT3和流量生成器的服務(wù)端口相連

（5）將TSN交換機(jī)2的PORT2和電腦連接

圖5 MTSNdevice連接

為了方便區(qū)分，TSN交換機(jī)1為device0，TSN交換機(jī)2為device1，流量生成器為device2。

2.4 協(xié)議驗(yàn)證2.4.1 IEEE802.1AS（時(shí)間同步測(cè)試）

該測(cè)試表明TSN網(wǎng)絡(luò)中需要通用的時(shí)間同步。將傳輸時(shí)間劃分為多個(gè)循環(huán)窗口增加了對(duì)納秒計(jì)時(shí)器的需求，該計(jì)時(shí)器允許所有device同時(shí)打開這些窗口。缺乏這種機(jī)制會(huì)觸發(fā)大量的隨機(jī)帶寬損失。

圖6.沒有時(shí)間同步的TSN網(wǎng)絡(luò)

圖7.具有時(shí)間同步的TSN網(wǎng)絡(luò)

為了提供友好的界面，可以使用專用的Web界面來控制TSN測(cè)試（請(qǐng)參見圖8）?？蓮腜C 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W(wǎng)eb界面

驗(yàn)證步驟：

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

圖9.時(shí)間同步測(cè)試頁

② 打開Wireshark，現(xiàn)在不要開始捕獲；

③ 單擊“Start Frame Generator”按鈕，它被配置為啟動(dòng)device0中的流量生成器，主要參數(shù)定義了1500字節(jié)大小，VLAN優(yōu)先級(jí)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(yōu)先級(jí)5接收了100Mbps的流量;

圖10.優(yōu)先級(jí)5的流量帶寬

⑤ 單擊“Enable TAS in Device 0”，時(shí)間感知整形器的配置僅發(fā)送到device0。它的配置如下：

?僅保留一個(gè)時(shí)隙用于優(yōu)先級(jí)5流量的傳輸。

?允許將所有剩余的流量發(fā)送到剩余的時(shí)隙中。

?允許在所有時(shí)隙中傳輸PTP流量（優(yōu)先級(jí)6）。

圖11.時(shí)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(yōu)先級(jí)5的流量預(yù)留了一個(gè)插槽）

圖12.時(shí)間感知整形器操作

⑦ 單擊“Enable TAS in Device 1”， Time Aware Shaper的配置僅發(fā)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(shí)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?yàn)閮蓚€(gè)device中的窗口啟動(dòng)之間的時(shí)間差是隨機(jī)的；

圖13.帶寬減少（設(shè)置TAS后）

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

⑩ 返回I / O圖捕獲，檢查同步完成后，帶寬大約恢復(fù)到25％;

圖14.加載時(shí)間同步后的帶寬

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

? 轉(zhuǎn)到Wireshark并停止捕獲。

2.4.3 IEEE802.1Qbv（TAS：時(shí)間敏感整形器測(cè)試）

如先前的測(cè)試所示，在以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)操作下，由于流量?jī)?yōu)先級(jí)比流量生成器低，因此無法對(duì)VLC實(shí)例進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。在此測(cè)試中，將證明標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.1Qbv中定義了TSN功能，該功能允許為不同的優(yōu)先級(jí)分配傳輸時(shí)隙。特別是，在802.1Qbv塊中配置的參數(shù)將僅允許將優(yōu)先級(jí)2流量傳輸?shù)絾蝹€(gè)時(shí)隙中。其余流量將被傳輸?shù)搅硪粋€(gè)時(shí)隙。將有另一個(gè)不允許任何流量的時(shí)隙，以定義保護(hù)帶并改善Wireshark中的圖形可視化。最終，第一個(gè)時(shí)隙將僅保留用于優(yōu)先級(jí)0流量的傳輸，以保持演示的成功執(zhí)行。注意：802.1AS流量（優(yōu)先級(jí)6）將被允許在所有時(shí)隙中傳輸。

圖15.時(shí)間感知整形器配置

驗(yàn)證步驟：

① 單擊“ Time Aware Shaper Test”按鈕，它將彈出一個(gè)新頁面，啟用了兩個(gè)VLC客戶端實(shí)例，VLC1對(duì)應(yīng)于VLAN優(yōu)先級(jí)為2的流，而VLC2對(duì)應(yīng)于VLAN優(yōu)先級(jí)4的流，這兩個(gè)視頻現(xiàn)在都可以顯示。

圖16.時(shí)間感知整形器測(cè)試頁

② 單擊“Enable Time Aware Shaper”按鈕，時(shí)間感知整形器（時(shí)隙）的配置參數(shù)發(fā)送到兩個(gè)device。通過此操作，由于優(yōu)先級(jí)2（VLC實(shí)例1）的可用于傳輸?shù)膶Ｓ脮r(shí)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(dòng)device0中的流量生成器，主要參數(shù)定義1500字節(jié)大小的幀的傳輸，VLAN優(yōu)先級(jí)為5，帶寬速率為100％，以產(chǎn)生擁塞情況。 此時(shí)，應(yīng)該正確接收VLC實(shí)例1，而不能正確接收VLC實(shí)例2，這是由于在同一時(shí)隙中其余優(yōu)先級(jí)的帶寬仍存在競(jìng)爭(zhēng)。

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(shè)置x標(biāo)度，然后注意將傳輸時(shí)間分成多個(gè)時(shí)隙。 檢查優(yōu)先級(jí)為2的流量是否從未與其余流量同時(shí)傳輸，還要檢查是否接收到任何優(yōu)先級(jí)為4的流量。

圖17.時(shí)間感知整形器時(shí)隙

⑤ 單擊“ Go back”按鈕，單擊此按鈕時(shí)，流量生成器停止傳輸流量，VLC實(shí)例被中斷，并且時(shí)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(cè)試）

使用時(shí)間感知整形器機(jī)制，由于在每個(gè)傳輸窗口中保留了一個(gè)時(shí)隙，因此可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)為2的流量的優(yōu)先級(jí)。在此測(cè)試中，將使用基于信用的整形器機(jī)制，以便在多個(gè)優(yōu)先級(jí)的流量之間分配帶寬。特別是，需要為優(yōu)先級(jí)4的流量分配足夠的帶寬（VLC2），并將優(yōu)先級(jí)5的流量的帶寬限制為允許其余流量傳輸?shù)闹?選擇的值限制了優(yōu)先級(jí)5流量的帶寬的20％。

驗(yàn)證步驟：

① 單擊“Credit Based Shaper Test ”按鈕，這兩個(gè)視頻現(xiàn)在都可以顯示。啟用了兩個(gè)VLC客戶端實(shí)例。 VLC實(shí)例1對(duì)應(yīng)于VLAN優(yōu)先級(jí)為2的流，而VLC實(shí)例2對(duì)應(yīng)于VLAN優(yōu)先級(jí)4的流。這兩個(gè)視頻現(xiàn)在都可以顯示。

圖18.基于信用的整形器測(cè)試頁

② 單擊“Enable Credit Based Shaper”按鈕，基于信用的整形器的配置參數(shù)（帶寬分?jǐn)?shù)）被發(fā)送到兩個(gè)device，通過此操作，由于優(yōu)先級(jí)5的流量的限制，優(yōu)先級(jí)4（VLC實(shí)例2）的流量已預(yù)留了一定百分比的帶寬；

③ 單擊“Start Frame Generator”按鈕，它配置為啟動(dòng)device0中的流量生成器。主要參數(shù)定義1500字節(jié)大小的幀的傳輸，VLAN優(yōu)先級(jí)為5，帶寬速率為100％，以產(chǎn)生擁塞情況。此時(shí)，盡管負(fù)載流量的配置方式與之前的測(cè)試相同，但這次兩個(gè)視頻都能正常接收，因?yàn)镃BS功能正在管理分配給每個(gè)優(yōu)先級(jí)的帶寬；

④ 在Wireshark中捕獲幾秒鐘，打開“I/O Graph”并以秒為單位設(shè)置x軸比例，并注意優(yōu)先級(jí)5流量的帶寬限制，它應(yīng)該僅約為50Mbps（250Mbps的20％-1個(gè)時(shí)隙）。此外，x軸標(biāo)度可以設(shè)置為毫秒，并且可以驗(yàn)證優(yōu)先級(jí)4的流量始終與優(yōu)先級(jí)5的流量在同一時(shí)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(shí)，流量生成器停止傳輸流量，VLC實(shí)例被中斷，并且所有與TSN相關(guān)的功能都被禁用，并將返回主頁。

2.4.4 IEEE802.1CB（幀復(fù)制和消除的可靠性測(cè)試）

為了測(cè)試FRER機(jī)制所帶來的優(yōu)勢(shì)，使用了一個(gè)新的視頻流VLC3。這個(gè)視頻流在device0和device1中都是預(yù)先配置好的，以利用IEEE 802.1CB標(biāo)準(zhǔn)中定義的流識(shí)別功能。使用IEEE 802.1CB標(biāo)準(zhǔn)中定義的流識(shí)別功能。除了流識(shí)別功能，這個(gè)流還在device0中被配置為從端口0和端口1重復(fù)發(fā)送，在device1中丟棄收到的重復(fù)的收到的幀。通過這種配置，有可能實(shí)現(xiàn)無縫冗余即零恢復(fù)時(shí)間。

驗(yàn)證步驟：

① 單擊“Frame Replication and Elimination for Reliability Test”按鈕，這兩個(gè)視頻現(xiàn)在都可以顯示；兩個(gè)視頻流從device0發(fā)送，VLC3對(duì)應(yīng)的是用FRER機(jī)制配置好的流量。VLC2對(duì)應(yīng)于另一個(gè)沒有配置TSN機(jī)制的視頻流；

圖21.幀復(fù)制和消除的可靠性測(cè)試

② 拔掉連接device0的port-0和device1的port-0的電纜，這時(shí)VLC2將停止幾秒鐘，VLC3將繼續(xù)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?yàn)镽STP功能檢測(cè)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，F(xiàn)RER機(jī)制是一個(gè)零時(shí)間恢復(fù)的冗余機(jī)制，這就是為什么VLC3在port-0鏈路斷開時(shí)不會(huì)中斷；

圖22.FRER測(cè)試模型

③ 單擊“Go back”按鈕返回主頁。

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