TSN標(biāo)準(zhǔn)化與虹科組網(wǎng)測(cè)試方案：賦能多領(lǐng)域以太網(wǎng)新發(fā)展

技術(shù)背景

Time Sensitive Networking

網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的一部分。然而，在某些領(lǐng)域，例如工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人控制和視頻監(jiān)控等實(shí)時(shí)應(yīng)用對(duì)通信的要求更高，需要實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)并確保其可靠性和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在這些高要求的應(yīng)用場(chǎng)景下表現(xiàn)不佳，往往難以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。因此，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題。

目前，工業(yè)和學(xué)術(shù)界的許多機(jī)構(gòu)和組織正在積極推動(dòng)TSN標(biāo)準(zhǔn)化工作，以確保其互操作性和可靠性，并進(jìn)一步推廣其在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用，以提供超低延遲、抖動(dòng)和可靠性的功能優(yōu)勢(shì)。TSN是一項(xiàng)基于以太網(wǎng)且應(yīng)用廣泛的技術(shù)，因此在成本和互操作性等方面也具備了經(jīng)濟(jì)性和可靠性。憑借這些優(yōu)勢(shì)，TSN有望成為未來的LAN基礎(chǔ)設(shè)施，支持工業(yè)4.0、智能工廠、智能交通系統(tǒng)和5G等領(lǐng)先技術(shù)的發(fā)展。

隨著TSN技術(shù)的具體實(shí)施在不同行業(yè)和應(yīng)用中被廣泛提出和研究，不少技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)也開始著手布局TSN。但作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，TSN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與測(cè)試需要一定的準(zhǔn)備工作和特定的設(shè)備。為此，虹科總結(jié)了TSN應(yīng)用組網(wǎng)測(cè)試需要進(jìn)行的準(zhǔn)備工作并提供相關(guān)的方案，以使用戶快速進(jìn)行TSN網(wǎng)絡(luò)配置、評(píng)估、測(cè)試和驗(yàn)證，幫助客戶快速推動(dòng)TSN方案落地。

Step 1

了解TSN技術(shù)

在開始進(jìn)行TSN組網(wǎng)測(cè)試之前，需要了解TSN技術(shù)及其特點(diǎn)，以及了解各種流量類型和流量管理的技術(shù)細(xì)節(jié)。

TSN技術(shù)基礎(chǔ)概念

TSN是一項(xiàng)用于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信技術(shù)，旨在確保在各種應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)低延遲、低抖動(dòng)和可靠的通信。TSN通過在以太網(wǎng)上定義一些機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，其中包括：

全局同步時(shí)間

TSN使用一個(gè)共同的全局時(shí)鐘來確保各個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件之間的時(shí)間同步，以便在網(wǎng)絡(luò)中傳輸消息時(shí)可以精確地計(jì)算延遲。

時(shí)間觸發(fā)消息傳遞

TSN定義了交換以太網(wǎng)中時(shí)間觸發(fā)消息傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，以確保消息能夠按照預(yù)定的時(shí)間表發(fā)送和接收，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間關(guān)鍵型保留流量的確定性有限延遲。

隊(duì)列調(diào)度

TSN通過定義根據(jù)時(shí)間表傳輸消息的隊(duì)列來保證各種流量類別和應(yīng)用程序集成到單個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中。

通過這些機(jī)制，TSN能夠在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)間控制，從而滿足各種實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。TSN在信息技術(shù)（IT）核心（如工業(yè)4.0、網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造。

TSN技術(shù)特點(diǎn)

實(shí)時(shí)性

通過使用時(shí)間同步和硬件時(shí)間戳技術(shù)（IEEE 802.1AS），TSN技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)按照預(yù)定時(shí)間到達(dá)目的地，從而確保實(shí)時(shí)性。這種技術(shù)確保了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸遵循一個(gè)嚴(yán)格的時(shí)間表，從而保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

可靠性

TSN技術(shù)通過采用冗余路徑、雙路徑和隊(duì)列調(diào)度等技術(shù)（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(luò)的可靠性。這種技術(shù)為數(shù)據(jù)傳輸提供了備用通道，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效的排隊(duì)調(diào)度，以確保它們能夠按時(shí)到達(dá)目的地，從而保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

確定性

通過采用預(yù)定帶寬技術(shù)（例如IEEE 802.1QBV），TSN技術(shù)可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行有效的優(yōu)化，從而確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可預(yù)測(cè)性。這種技術(shù)可以為網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)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(luò)上的各種應(yīng)用程序和服務(wù)就能夠更好地協(xié)同工作，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性。

兼容性

TSN技術(shù)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兼容（IEEE 802.1/802.3），并且可以與以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共存。此外，它還具有軟件升級(jí)的優(yōu)勢(shì)，因此可以通過簡(jiǎn)單的軟件升級(jí)來實(shí)現(xiàn)功能的增強(qiáng)和改進(jìn)，而無需更換硬件。這種技術(shù)的兼容性和可升級(jí)性使得它非常適合于各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)，可以幫助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在不影響現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提高網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性。

TSN流量類型

在TSN網(wǎng)絡(luò)中定義三種基本類型的流量：計(jì)劃流量ST、盡力而為流量（BE）和預(yù)留流量RT，對(duì)硬實(shí)時(shí)性有嚴(yán)格要求的數(shù)據(jù)傳輸采用ST，而對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高并且需要預(yù)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。

Step 2

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

一旦流量特征分析完成并確定了測(cè)試計(jì)劃，就有必要設(shè)計(jì)并設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，TSN網(wǎng)絡(luò)定義TSN包括以下幾個(gè)方面：

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

b）確定這些設(shè)備之間的物理連接，這和網(wǎng)絡(luò)本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)。

c）在構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中定義TSN數(shù)據(jù)流，以及這些數(shù)據(jù)流的實(shí)際傳輸路由。

根據(jù)測(cè)試需求，設(shè)置TSN交換機(jī)的參數(shù)，如時(shí)間同步方式、隊(duì)列調(diào)度算法、流量控制策略等。將TSN終端設(shè)備連接到TSN交換機(jī)，確保設(shè)備與交換機(jī)之間的連接正常。

TSN交換機(jī)/終端設(shè)備

TSN測(cè)試需要使用支持TSN技術(shù)的交換機(jī)。這些交換機(jī)可以支持多個(gè)TSN特性，如時(shí)間同步、帶寬保障、流量隔離和時(shí)鐘同步等，虹科攜手RELYUM為提供完美硬件解決方案，滿足各種大型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建，其中包括20/12/4端口的RELY-TSN-BRIDGE交換機(jī)，RELY-TSN-PCIE終端設(shè)備，支持的協(xié)議包括AS、Qbv、Qav、Qcc、Qci、CB。

TSN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備

在進(jìn)行TSN組網(wǎng)測(cè)試之前，需要使用支持TSN技術(shù)的測(cè)試工具，這些測(cè)試工具可以模擬各種流量類型和生成TSN測(cè)試報(bào)告，虹科能提供RELY-TRAF-GEN模擬各種類型流量；RELY-TSN-LAB基于IEEE 802.1AS網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)，執(zhí)行錯(cuò)誤注入、延遲和帶寬測(cè)量、流量過濾和硬件時(shí)間戳；RELY-TSN-REC基于IEEE 802.1AS同步的流量硬件時(shí)間戳，存儲(chǔ)記錄與Wireshark兼容的標(biāo)準(zhǔn)文件格式（PCAP）。

通過向TSN終端設(shè)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(dòng)等指標(biāo)，測(cè)試TSN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

TSN設(shè)備和應(yīng)用程序

TSN組網(wǎng)測(cè)試需要使用各種支持TSN技術(shù)的設(shè)備和應(yīng)用程序。這些設(shè)備可以包括IP電話、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控設(shè)備等，應(yīng)用程序可以包括語音、視頻、數(shù)據(jù)等。

通過模擬高負(fù)載情況，測(cè)試TSN網(wǎng)絡(luò)的流量控制策略，如優(yōu)先級(jí)流量控制、帶寬保障等。

了解各種測(cè)試場(chǎng)景

TSN組網(wǎng)測(cè)試需要了解各種測(cè)試場(chǎng)景，如傳輸時(shí)延測(cè)試、帶寬保障測(cè)試、流量隔離測(cè)試和時(shí)鐘同步測(cè)試等。需要在這些測(cè)試場(chǎng)景中模擬各種實(shí)際情況，并評(píng)估網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男阅芎涂煽啃浴?/p>

Step 3

TSN應(yīng)用領(lǐng)域及測(cè)試的注意事項(xiàng)

汽車

對(duì)于車輛E/E架構(gòu)，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(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的功能安全，通過引入TSN標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)所需的功能。例如標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不提供通過實(shí)時(shí)功能實(shí)現(xiàn)冗余的選項(xiàng)，通過測(cè)試冗余CB協(xié)議，判斷是否滿足實(shí)時(shí)要求來引入無縫冗余，該標(biāo)準(zhǔn)可能是未來E/E架構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分，以實(shí)現(xiàn)冗余，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車等的安全要求。通過測(cè)試Qav，Qbv，檢查TSN對(duì)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(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中也會(huì)充斥著大量非必要的數(shù)據(jù)，通過測(cè)試Qci，檢測(cè)TSN對(duì)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(gòu)中的數(shù)據(jù)融合決定于時(shí)基的精確，AS-2020能提供高精度的同步能力，在主時(shí)鐘發(fā)生故障時(shí)立即切換到另一個(gè)冗余時(shí)基。

工業(yè)自動(dòng)化

在工業(yè)自動(dòng)化中，實(shí)時(shí)傳輸大量的控制信號(hào)和傳感器數(shù)據(jù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求更為嚴(yán)格，AS滿足各實(shí)時(shí)性之外，此時(shí)需要測(cè)試Qbv和Qav等TSN帶寬優(yōu)化協(xié)議，是否能夠處理網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)以提供確定性延遲，同時(shí)考慮到傳輸?shù)目煽啃?，CB冗余同樣不可或缺的用來提高生產(chǎn)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(chǎng)景，需要TSN技術(shù)來提供可預(yù)測(cè)的帶寬和低延遲的通信，以確保圖像的清晰度和實(shí)時(shí)性。

航空航天

在航空航天領(lǐng)域，TSN技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，由于航空設(shè)備內(nèi)存在多種網(wǎng)絡(luò)，TSN可以用于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)上各種設(shè)備之間的高效通信，比如飛行控制、飛行數(shù)據(jù)記錄等，測(cè)試Qbv等帶寬控制能力，保證實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)以低延遲、低抖動(dòng)、確定性傳輸。測(cè)試CB冗余交換能力，保障航電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。?shí)現(xiàn)飛機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和控制信號(hào)傳輸，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

# 總結(jié) #

TSN是一項(xiàng)面向未來的新興技術(shù)，它定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、確定和可靠地傳輸，從而賦能多行業(yè)領(lǐng)域以太網(wǎng)的新發(fā)展。

為加速推動(dòng)TSN應(yīng)用落地，了解TSN應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和必要性，需要進(jìn)行TSN組網(wǎng)測(cè)試。TSN組網(wǎng)測(cè)試需要深入了解TSN技術(shù)、設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑹褂肨SN交換機(jī)和測(cè)試儀器、使用TSN設(shè)備和應(yīng)用程序、了解各種測(cè)試場(chǎng)景以及編寫測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試報(bào)告等工作。

虹科可提供TSN網(wǎng)卡、TSN交換機(jī)、TSN流量記錄儀、TSN測(cè)試工具等設(shè)備，以及未來可用于模擬，管理和配置大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的CNC軟件工具。虹科TSN組網(wǎng)測(cè)試方案支持市場(chǎng)上數(shù)量最多的TSN標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)完整的TSN功能，能夠被用于TSN網(wǎng)絡(luò)配置、評(píng)估、測(cè)試和驗(yàn)證，并已經(jīng)過汽車、鐵路、軌道交通、工業(yè)等領(lǐng)域嚴(yán)苛工作環(huán)境的驗(yàn)證，幫助用戶快速推動(dòng)TSN方案落地。