鼎實工控淺談 | TSN標準化賦能多領域以太網(wǎng)的新發(fā)展

網(wǎng)絡通信已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中不可或缺的一部分。然而，在某些領域，例如工業(yè)自動化、機器人控制和視頻監(jiān)控等實時應用對通信的要求更高，需要實時傳輸大量數(shù)據(jù)并確保其可靠性和準確性。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡技術在這些高要求的應用場景下表現(xiàn)不佳，往往難以滿足實時應用的需求。因此，時間敏感網(wǎng)絡（TSN）技術的出現(xiàn)解決了這個問題。

目前，工業(yè)和學術界的許多機構和組織正在積極推動TSN標準化工作，以確保其互操作性和可靠性，并進一步推廣其在各個應用領域中的應用，以提供超低延遲、抖動和可靠性的功能優(yōu)勢。TSN是一項基于以太網(wǎng)且應用廣泛的技術，因此在成本和互操作性等方面也具備了經(jīng)濟性和可靠性。憑借這些優(yōu)勢，TSN有望成為未來的LAN基礎設施，支持工業(yè)4.0、智能工廠、智能交通系統(tǒng)和5G等領先技術的發(fā)展。

隨著TSN技術的具體實施在不同行業(yè)和應用中被廣泛提出和研究，不少技術領先的企業(yè)也開始著手布局TSN。但作為一種新興的網(wǎng)絡技術，TSN網(wǎng)絡構建與測試需要一定的準備工作和特定的設備。

了解TSN技術

在開始進行TSN組網(wǎng)測試之前，需要了解TSN技術及其特點，以及了解各種流量類型和流量管理的技術細節(jié)。

1.1 TSN技術基礎概念

TSN是一項用于以太網(wǎng)的實時通信技術，旨在確保在各種應用場景中實現(xiàn)低延遲、低抖動和可靠的通信。TSN通過在以太網(wǎng)上定義一些機制來實現(xiàn)這一目標，其中包括：

●全局同步時間：TSN使用一個共同的全局時鐘來確保各個網(wǎng)絡組件之間的時間同步，以便在網(wǎng)絡中傳輸消息時可以精確地計算延遲。

●時間觸發(fā)消息傳遞：TSN定義了交換以太網(wǎng)中時間觸發(fā)消息傳遞的標準，以確保消息能夠按照預定的時間表發(fā)送和接收，從而實現(xiàn)時間關鍵型保留流量的確定性有限延遲。

●隊列調度：TSN通過定義根據(jù)時間表傳輸消息的隊列來保證各種流量類別和應用程序集成到單個基于標準的以太網(wǎng)網(wǎng)絡中。

通過這些機制，TSN能夠在以太網(wǎng)上實現(xiàn)嚴格的時間控制，從而滿足各種實時應用的要求。TSN在信息技術（IT）核心（如工業(yè)4.0、網(wǎng)絡物理系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT））中具有重要的作用，能夠幫助企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉型和智能制造。

1.2 TSN技術特點

（1）實時性

通過使用時間同步和硬件時間戳技術（IEEE 802.1AS），TSN技術可以保證數(shù)據(jù)按照預定時間到達目的地，從而確保實時性。這種技術確保了網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)傳輸遵循一個嚴格的時間表，從而保證了數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

（2）可靠性

TSN技術通過采用冗余路徑、雙路徑和隊列調度等技術（例如IEEE 802.1CB），有效地避免了數(shù)據(jù)丟失和延遲，從而顯著提高了網(wǎng)絡的可靠性。這種技術為數(shù)據(jù)傳輸提供了備用通道，并對數(shù)據(jù)進行了有效的排隊調度，以確保它們能夠按時到達目的地，從而保證了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）確定性

通過采用預定帶寬技術（例如IEEE 802.1QBV），TSN技術可以對網(wǎng)絡帶寬進行有效的優(yōu)化，從而確保網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可預測性。這種技術可以為網(wǎng)絡上的各個流量流提供特定的帶寬，從而確保了它們的傳輸效率和穩(wěn)定性。這樣一來，網(wǎng)絡上的各種應用程序和服務就能夠更好地協(xié)同工作，從而提高了整個系統(tǒng)的性能和可靠性。

（4）兼容性

TSN技術與現(xiàn)有網(wǎng)絡技術兼容（IEEE 802.1/802.3），并且可以與以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡等多種網(wǎng)絡技術共存。此外，它還具有軟件升級的優(yōu)勢，因此可以通過簡單的軟件升級來實現(xiàn)功能的增強和改進，而無需更換硬件。這種技術的兼容性和可升級性使得它非常適合于各種不同類型的網(wǎng)絡，可以幫助網(wǎng)絡運營商在不影響現(xiàn)有基礎設施的情況下提高網(wǎng)絡性能和可靠性。

1.3 TSN流量類型

在TSN網(wǎng)絡中定義三種基本類型的流量：計劃流量ST、盡力而為流量（BE）和預留流量RT，對硬實時性有嚴格要求的數(shù)據(jù)傳輸采用ST，而對實時性要求不高并且需要預留部分帶寬的數(shù)據(jù)傳輸采用RT，BE則是沒有任何傳輸要求的一般以太網(wǎng)流量。

網(wǎng)絡拓撲設計

一旦流量特征分析完成并確定了測試計劃，就有必要設計并設置一個網(wǎng)絡拓撲結構，TSN網(wǎng)絡定義TSN包括以下幾個方面：

a）要使用的設備：TSN終端設備和交換機/橋接器（endpoint , bridge）。

b）確定這些設備之間的物理連接，這和網(wǎng)絡本身的拓撲結構設計相對應。

c）在構建的網(wǎng)絡中定義TSN數(shù)據(jù)流，以及這些數(shù)據(jù)流的實際傳輸路由。

根據(jù)測試需求，設置TSN交換機的參數(shù)，如時間同步方式、隊列調度算法、流量控制策略等。將TSN終端設備連接到TSN交換機，確保設備與交換機之間的連接正常。

2.1 TSN交換機/終端設備

TSN測試需要使用支持TSN技術的交換機。這些交換機可以支持多個TSN特性，如時間同步、帶寬保障、流量隔離和時鐘同步等，

2.2 TSN網(wǎng)絡測試設備

在進行TSN組網(wǎng)測試之前，需要使用支持TSN技術的測試工具，這些測試工具可以模擬各種流量類型和生成TSN測試報告，測試工具可以模擬各種類型流量；基于IEEE 802.1AS網(wǎng)絡時間基準，執(zhí)行錯誤注入、延遲和帶寬測量、流量過濾和硬件時間戳；基于IEEE 802.1AS同步的流量硬件時間戳，存儲記錄與Wireshark兼容的標準文件格式（PCAP）。

通過向TSN終端設備或是流量發(fā)生器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和抖動等指標，測試TSN網(wǎng)絡的實時性和可靠性。

2.3 TSN設備和應用程序

需要使用各種支持TSN技術的設備和應用程序。這些設備可以包括IP電話、工業(yè)自動化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控設備等，應用程序可以包括語音、視頻、數(shù)據(jù)等。通過模擬高負載情況，測試TSN網(wǎng)絡的流量控制策略，如優(yōu)先級流量控制、帶寬保障等。

2.4 了解各種測試場景

TSN組網(wǎng)測試需要了解各種測試場景，如傳輸時延測試、帶寬保障測試、流量隔離測試和時鐘同步測試等。需要在這些測試場景中模擬各種實際情況，并評估網(wǎng)絡拓撲的性能和可靠性。

TSN應用領域及測試的注意事項

3.1 汽車

對于車輛E/E架構，重要的是要保證數(shù)據(jù)傳輸所需的QoS要求，并提供足夠的措施來實現(xiàn)通信系統(tǒng)的功能安全，通過引入TSN標準來實現(xiàn)所需的功能。例如標準以太網(wǎng)不提供通過實時功能實現(xiàn)冗余的選項，通過測試冗余CB協(xié)議，判斷是否滿足實時要求來引入無縫冗余，該標準可能是未來E/E架構中的關鍵組成部分，以實現(xiàn)冗余，以實現(xiàn)自動駕駛汽車等的安全要求。通過測試Qav，Qbv，檢查TSN對于帶寬的限制和優(yōu)化能力，為了確保盡力而為的流量傳輸，重要的是避免通信線路過載。同時整個網(wǎng)絡中也會充斥著大量非必要的數(shù)據(jù)，通過測試Qci，檢測TSN對于流量過濾和警戒的能力，可以防止不必要的幀延遲和丟失。此外，架構中的數(shù)據(jù)融合決定于時基的精確，AS-2020能提供高精度的同步能力，在主時鐘發(fā)生故障時立即切換到另一個冗余時基。

3.2 工業(yè)自動化

在工業(yè)自動化中，實時傳輸大量的控制信號和傳感器數(shù)據(jù)對通信網(wǎng)絡的要求更為嚴格，AS滿足各實時性之外，此時需要測試Qbv和Qav等TSN帶寬優(yōu)化協(xié)議，是否能夠處理網(wǎng)絡中的各種數(shù)據(jù)以提供確定性延遲，同時考慮到傳輸?shù)目煽啃裕珻B冗余同樣不可或缺的用來提高生產線的效率和穩(wěn)定性。例如視頻監(jiān)控等高帶寬、低延遲的通信場景，需要TSN技術來提供可預測的帶寬和低延遲的通信，以確保圖像的清晰度和實時性。

3.3 航空航天

在航空航天領域，TSN技術有著廣泛的應用前景，由于航空設備內存在多種網(wǎng)絡，TSN可以用于實現(xiàn)飛機上各種設備之間的高效通信，比如飛行控制、飛行數(shù)據(jù)記錄等，測試Qbv等帶寬控制能力，保證實時交換數(shù)據(jù)以低延遲、低抖動、確定性傳輸。測試CB冗余交換能力，保障航電設備網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃?。實現(xiàn)飛機控制系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)交換和控制信號傳輸，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

4. 總結

TSN是一項面向未來的新興技術，它定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制，為標準以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保數(shù)據(jù)實時、確定和可靠地傳輸，從而賦能多行業(yè)領域以太網(wǎng)的新發(fā)展。為加速推動TSN應用落地，了解TSN應用的優(yōu)勢和必要性，需要進行TSN組網(wǎng)測試。TSN組網(wǎng)測試需要深入了解TSN技術、設計網(wǎng)絡拓撲、使用TSN交換機和測試儀器、使用TSN設備和應用程序、了解各種測試場景以及編寫測試計劃和測試報告等工作。

審核編輯 黃宇