基于IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)的TSN方案簡介

TSN介紹

隨著智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，許多工業(yè)自動化應(yīng)用對于延遲和確定性的要求越來越嚴(yán)格?，F(xiàn)有的大部分自動化控制解決方案都是基于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)實現(xiàn)的，各大廠商研發(fā)了一些附加的技術(shù)機制，從而導(dǎo)致了很多協(xié)議都不兼容。如Profinet、Powerlink、EtherCAT、SercOSIII等均無法互相兼容也無法和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)共同進行數(shù)據(jù)傳輸。因此實時以太網(wǎng)解決方案市場非常分散，無法支持未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）迎合了工業(yè)以太網(wǎng)的需求，其低延遲、低抖動、高可靠性能，保證了數(shù)據(jù)的確定性傳輸和網(wǎng)絡(luò)復(fù)用性。

TSN本身并非是一個全新的技術(shù)，IEEE于2002年發(fā)布了IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議，而2005年，IEEE802.1成立了IEEE802.1AVB工作組，開始制定基于以太網(wǎng)架構(gòu)的音頻視頻傳輸協(xié)議集，用于解決數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的實時性、低延時以及流量整形的標(biāo)準(zhǔn)，同時又確保與以太網(wǎng)的兼容性。而AVB又引起了汽車工業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)組織及企業(yè)的關(guān)注，并成立了TSN工作組，并開發(fā)了時鐘同步、流量調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置系列標(biāo)準(zhǔn)集。

TSN是基于IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)的VLAN（虛擬局域網(wǎng)），該標(biāo)準(zhǔn)允許在以太網(wǎng)幀增加4個字節(jié)用于定義其特征：

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1）、標(biāo)簽協(xié)議識別:網(wǎng)絡(luò)類型識別，代表這是一個TSN網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)記0X8100；

2）、優(yōu)先級代碼（Priority Code Point）：3位代碼構(gòu)成三個優(yōu)先級位，簡稱PCP；

3）、標(biāo)志位：對于網(wǎng)絡(luò)低QoS要求的數(shù)據(jù)，可以予以丟棄，以確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的QoS；

4）、VLAN Identifier（VID）：VLAN網(wǎng)絡(luò)的識別號，12位表示可支持的子網(wǎng)數(shù)量，2的12次方即4096個子網(wǎng)，VID＝0用于識別幀優(yōu)先級,4095(FFF)作為預(yù)留值，所以VID最多可以表示4094個子網(wǎng)，說明TSN是為了大型的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計的。

TSN作為IEEE802.1Q僅指ISO/OSI參考模型的第二層，數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，它與其它實時總線相比有有所差別。下圖對比了各種總線在7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的位置。

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TSN協(xié)議族包含了時鐘同步、流量整形、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置、應(yīng)用配置等方面的標(biāo)準(zhǔn):

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IEEE著手將以太網(wǎng)全面升級為TSN網(wǎng)，這個過程可能要用20年時間。其應(yīng)用范圍很廣，涵蓋6個領(lǐng)域，分別是：

a、以太網(wǎng)音視頻橋即EAVB，802.1BA標(biāo)準(zhǔn)；

b、5G射頻前傳FrontHaul，即802.1CM/de標(biāo)準(zhǔn)；

c、工業(yè)自動化即IEC/IEEE 60802標(biāo)準(zhǔn)；

d、車載TSN即802.1DG標(biāo)準(zhǔn)；

e、服務(wù)供應(yīng)商Service Provider即802.1DF標(biāo)準(zhǔn)。

其中后3個標(biāo)準(zhǔn)尚未完成。

TSN機制

時鐘同步機制

IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時鐘同步協(xié)議發(fā)展的，稱為gPTP-廣義時鐘同步協(xié)議。gPTP是一個分布式主從結(jié)構(gòu)，它對所有g(shù)PTP網(wǎng)絡(luò)中的時鐘與主時鐘進行同步。首先由最佳主時鐘算法（best clock master algrothms，BCMA）建立主次關(guān)系，分別稱為主時鐘（clock master,CM）和從時鐘(clock slave,CS)。

每個gPTP節(jié)點會運行一個gPTP Engine。IEEE1588所采用的PTP是由網(wǎng)絡(luò)的L3和L4層的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過IPv4或IPv6的多播或單播進行分發(fā)時鐘信息。而gPTP則是嵌入在MAC層硬件中，只在L2工作，直接對數(shù)據(jù)幀插入時間信息，并隨著數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點。

而IEEE802.1AS-rev則是一種多主時鐘體系，它主要為了確保當(dāng)有一個GrandMaster宕機時，可以快速切換到一個新的主時鐘，以便實現(xiàn)高可用性系統(tǒng)，對于車載系統(tǒng)基于IEEE802.1AS即可，而對于工業(yè)則考慮高可用性采用AS-Rev版本。

數(shù)據(jù)調(diào)度機制

TSN 的數(shù)據(jù)調(diào)度是保證時間敏感的基礎(chǔ)，它的核心思想是基于不同的整形器來進行不同應(yīng)用場景的流控制。IEEE 802.1 提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)來確?？煽啃缘臄?shù)據(jù)傳輸，其中AMD的數(shù)據(jù)調(diào)度方式是時間感知的整形器(TAS Time Awareness Shaper)，通過門控制列表（GCL）周期性的控制門的開/關(guān)，TAS需要從發(fā)送方（Talker）到接收方（Listener）中間的所有網(wǎng)橋進行時鐘同步，對于網(wǎng)橋中的每個端口，TAS根據(jù)已知且商定的時鐘表進行開關(guān)驅(qū)動動作，而數(shù)據(jù)調(diào)度則可以根據(jù)每個節(jié)點及隊列的優(yōu)先級進行定義，在IEEE802.1Qbv的實現(xiàn)中，那些需要實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通常被第一個安排進行傳輸，需要在時間調(diào)度配置時預(yù)先予以確定，而與此同時，還需要為非周期性的數(shù)據(jù)預(yù)留一個通道。

其他機制

除此之外，TSN還包括IEEE 802.1Qci(包過濾，可以防止ARP攻擊等) IEEE 802.1CB(幀復(fù)制和消除，冗余系統(tǒng)) IEEE 802.1Qcc(網(wǎng)絡(luò)管理配置) IEEE 802.1Qbu(幀搶占策略)等標(biāo)準(zhǔn)。

AMD TSN-IP簡介

LogiCORE100M/1GTSN Subsystem IP在Zynq-7000和MPSoC系列SoC上實現(xiàn)了TSN標(biāo)準(zhǔn)，提供了雙口橋接低延遲端點或者單端點的方案，外部可以通過RGMII/GMII連接到PHY，支持100Mb/s和1Gb/s網(wǎng)絡(luò)。

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AMD的TSN IP提供了以下標(biāo)準(zhǔn)：

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從IP所具備的標(biāo)準(zhǔn)可以看出這個IP非常適合工業(yè)自動化等領(lǐng)域作為節(jié)點使用。

AMD TSN IP可以配置為單口端點模式和雙口交換模式：

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雙口交換模式實現(xiàn)方式如下：

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每個端口都有一個TAS整形器，用來控制內(nèi)部和每個端口之間的數(shù)據(jù)流，3-Port Switch是一個3口交換IP，一個口連接內(nèi)部數(shù)據(jù)，另外兩個通過MAC連接到外部網(wǎng)絡(luò)，PTP功能則是通過BRAM進入到MAC層中。

在Vivado中也有相應(yīng)的實現(xiàn)：

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在PS側(cè)，提供了相應(yīng)的軟件驅(qū)動和設(shè)備樹，保證用戶客戶可以方便快速的使用TSN IP。

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目前TSN IP支持Zynq-7000系列和MPSoC系列，IP配置為不同的模式消耗的邏輯資源如下:

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審核編輯：劉清