來源：虹科技術(shù)前沿 | TSN網(wǎng)絡(luò)中時間感知整形器的性能驗證實測

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#時間敏感網(wǎng)絡(luò) #TSN #時間感知整形器

導(dǎo)讀

本文旨在驗證時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）中時間感知整形器（TAS）的性能，通過實施IEEE 802.1Qbv和IEEE 802.1AS-2020標(biāo)準(zhǔn)測試用例，確保其在網(wǎng)絡(luò)中的準(zhǔn)確性。我們選用了虹科RELY-TSN12和虹科RELY-10TSN12設(shè)備作為待測對象，并利用Calnex公司的Paragon-X與Keysight公司的Novus ONE PLUS測試臺進行全面評估。文章將詳細(xì)介紹測試流程、配置、設(shè)置以及關(guān)鍵的測試結(jié)果，展示TAS在控制抖動和防止窗口違規(guī)方面的實際表現(xiàn)，為您提供深入了解TSN技術(shù)應(yīng)用的窗口。

圖1 測試設(shè)置

在某些應(yīng)用和行業(yè)中，確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀在預(yù)定時隙內(nèi)準(zhǔn)時傳輸至關(guān)重要。時間感知整形器（IEEE 802.1Qbv）保障了控制數(shù)據(jù)在規(guī)定時隙內(nèi)的準(zhǔn)時傳輸，同時維持了可接受的抖動和延遲。本文旨在__驗證時間感知整形器的性能__，通過分析結(jié)果來監(jiān)測窗口違規(guī)并評估抖動，確保網(wǎng)絡(luò)通信的準(zhǔn)確性和可靠性。

01 時間敏感網(wǎng)絡(luò)的最新發(fā)展

以太網(wǎng)在航空航天和國防領(lǐng)域的通信應(yīng)用日益增多，其中__時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN） 作為確保通信準(zhǔn)確性的關(guān)鍵技術(shù)，正迅速成為主流。TSN通過時間感知整形器（TAS），基于IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了__網(wǎng)絡(luò)流量的周期性分配 ，并通過設(shè)置優(yōu)先級窗口來控制數(shù)據(jù)包的傳輸順序。

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的精確時間同步，IEEE 802.1AS-2020同步協(xié)議被引入，保障了__納秒級別的時間一致性__。盡管TSN技術(shù)尚屬新興，但行業(yè)組織如Avnu以及技術(shù)公司虹科SoC-e、Keysight（Novus ONE PLUS）和Calnex（Paragon-X）正在積極開發(fā)必要的測試計劃和工具，旨在驗證TSN設(shè)備的性能、標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性以及不同設(shè)備間的互操作性，從而推動這一技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

02 被測設(shè)備平臺

虹科TSN交換機架構(gòu)如圖2所示，其核心功能包括Rx接口端口接收的幀從電信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，以及交換矩陣引擎基于MAC地址表和VLAN配置進行幀路由。出口數(shù)據(jù)包處理模塊依據(jù)IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)對輸出緩沖區(qū)的幀進行排序，確保它們在預(yù)定時間窗口內(nèi)正確轉(zhuǎn)發(fā)。該模塊與1588計時器（IEEE 802.1AS-2020）同步，保障了Tx端口的精確時隙轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 虹科IP Core架構(gòu)

虹科SoC-e平臺采用__AMD Xilinx Ultrascale＋MPSoC系統(tǒng)__，其中處理系統(tǒng)（PS）負(fù)責(zé)軟件處理，而可編程邏輯（PL）基于FPGA實現(xiàn)交換和TSN功能。

PS通過虹科SoC-e的定制Linux發(fā)行版進行配置，該系統(tǒng)內(nèi)嵌了設(shè)置交換和TSN功能所需的命令，并通過內(nèi)部端口與PL系統(tǒng)通信，實現(xiàn)PL寄存器的配置。圖3展示了完整的虹科RELY-TSN-BRIDGE＋10TSN12 TSN交換機架構(gòu)。

圖3 虹科RELY-TSN12

本次測試選用了兩款設(shè)備：基于MTSN IP核的虹科RELY-TSN12（1Gbps）和基于TSN TGES IP核的虹科RELY-10TSN12（10Gbps），以評估不同速度下的TSN性能。

03 測試設(shè)備配置

交換機配置可通過CLI、Netconf或Web界面進行， 本測試選擇Netconf來設(shè)置IEEE 802.1Qbv和VLAN ，而IEEE 802.1AS-2020同步協(xié)議則通過Web界面配置。

IEEE 802.1AS-2020配置

本測試的主要目的是精確評估IEEE 802.1Qbv的性能， 重點檢查窗口違規(guī)情況和測量幀的抖動 。為此，必須確保待測設(shè)備（DUT）與測試站之間達到納秒級的同步。

我們將使用Paragon-X測試設(shè)備來精確計算DUT的接收（Rx）和發(fā)送（Tx）延遲，并通過迭代調(diào)整，最小化PPS（脈沖每秒）差異，確保與測試站的同步。完成這些校準(zhǔn)步驟后，DUT將連接到Novus ONE PLUS測試站，并配置IEEE 802.1AS-2020協(xié)議。在此配置中，DUT的第一個端口將作為主端口，第二個端口作為從端口，同時配置發(fā)送優(yōu)先級為7的數(shù)據(jù)包，驗證同步協(xié)議的準(zhǔn)確性。

IEEE 802.1Qbv與VLAN配置

我們將使用Netconf協(xié)議對DUT進行IEEE 802.1Qbv和VLAN配置，確保測試的精確性。 測試將覆蓋100M、1G和10G三種速度 ，其中虹科RELY-TSN12設(shè)備將用于100M和1G測試，而虹科RELY-10TSN12設(shè)備將用于所有三種速度的測試。

統(tǒng)一的VLAN配置將應(yīng)用于所有測試速度，確保PORT1和PORT2均屬于VLAN2，以此隔離測試流量，避免網(wǎng)絡(luò)干擾。DUT的端口將設(shè)置為PVID1、PCP0、DEI0，允許所有入站幀（無論是否帶標(biāo)記）以指定的出站標(biāo)記進行中繼。

此外，將為VID2創(chuàng)建專門的VLAN表項，將PORT1和PORT2納入其中，并從VLAN1中移除，以進一步精細(xì)化流量管理，為測試提供清晰的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)專門用于管理前向出口流量，本測試案例中將針對端口2進行配置。配置過程需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)速度進行差異化設(shè)置。以下是針對1Gbps速度下端口2的IEEE 802.1Qbv配置細(xì)節(jié)：

圖4 IEEE 802.1-Qbv配置

配置確保每個隊列在每個周期內(nèi)僅在其分配的時間段內(nèi)傳輸流量，同時設(shè)置了緩沖間隔以防止流量超出預(yù)定時間窗口，確保在此間隔期間不會轉(zhuǎn)發(fā)流量。

對于 100M，配置有以下差異：

• Cycle time: 10000000ns
• Base time: 0s and 0ns
• Time intervals changes from 100000ns to 1000000ns and from 25000ns to 250000ns

對于 10G，配置有以下差異：

• Cycle time: 100000ns
• Base time: 0s and 0ns
• Time intervals changes from 100000ns to 10000ns and from 25000ns to 2500ns
  

圖5 1G 的 IEEE 802.1Qbv 配置

Novus ONE PLUS測試站配置

為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，Novus ONE PLUS測試站需經(jīng)過精心配置。 本測試涉及構(gòu)建兩個具備以太網(wǎng)和精確時間協(xié)議（PTP，IEEE 802.1AS-2020）功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ，其中拓?fù)?充當(dāng)主設(shè)備，拓?fù)?作為從設(shè)備。關(guān)鍵配置參數(shù)包括點對點（P2P）延遲機制、多播設(shè)置、域編號0、優(yōu)先級設(shè)置為128，以及時鐘類別6。

完成IEEE 802.1AS-2020的同步配置后，接下來將定義八個具有不同優(yōu)先級的流量流，以模擬和測試網(wǎng)絡(luò)在不同服務(wù)等級下的表現(xiàn)。

圖6 Novus ONE PLUS 流量配置

測試連接設(shè)置

為確保測試的準(zhǔn)確性，本測試需完成兩個關(guān)鍵設(shè)置：首先，DUT需與Paragon-X設(shè)備相連，通過端口1對端口1的直接連接和PPS同步，精確計算傳輸延遲。

圖7 Paragon-X測試設(shè)置

圖8 IEEE 802.1Qbv Novus ONE PLUS 測試設(shè)置

04 測試結(jié)果分析

預(yù)期結(jié)果

本測試的核心在于驗證IEEE 802.1Qbv的抖動控制和窗口合規(guī)性。為確保精確測量，測試站(Novus ONE PLUS)與待測設(shè)備(DUT)之間的同步偏移需控制在特定范圍內(nèi)：1G速度下不超過100納秒，10G速度下不超過50納秒，100M速度下不超過500納秒。Novus ONE PLUS將記錄統(tǒng)計數(shù)據(jù)以檢查并確認(rèn)這一偏移量。

取得成果

測試首先確認(rèn)了DUT與測試臺（Novus ONE PLUS和Calnex）之間的同步精度。利用Calnex設(shè)備，我們計算并記錄了同步誤差，確保了在不同速度下的測量均在可接受范圍內(nèi)。進一步地，Novus ONE PLUS用于檢查持續(xù)同步的一致性，并確認(rèn)了DUT能夠正確識別測試站為主站（GM）。

接下來，通過開發(fā)的Python腳本，我們檢查了IEEE 802.1Qbv的窗口合規(guī)性。腳本利用Novus ONE PLUS記錄的時間戳，確保每個幀都嚴(yán)格在其分配的時隙內(nèi)到達。結(jié)果顯示， 所有幀均未出現(xiàn)窗口違規(guī)，表明IEEE 802.1Qbv配置正確，抖動控制穩(wěn)定 。

圖9 IEEE 802.1Qbv結(jié)果

圖10 延遲結(jié)果

圖9和圖10分別展示了不同速度和優(yōu)先級下的抖動結(jié)果和存儲轉(zhuǎn)發(fā)延遲結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示， 在所有測試條件下，系統(tǒng)均表現(xiàn)出良好的性能，抖動和延遲均符合預(yù)期 。

圖11 AS基準(zhǔn)下隊列門控窗口

圖12 不良AS同步

最后，為了凸顯IEEE 802.1AS-2020同步協(xié)議的重要性，我們還進行了100%幀速率的測試，人為制造同步失敗的情況。結(jié)果如圖12所示， 缺乏同步導(dǎo)致幀在錯誤時隙到達，引發(fā)窗口違規(guī)，從而證明了精確同步的必要性 。

結(jié)語

本次測試成功驗證了虹科RELY-TSN12和虹科RELY-10TSN12設(shè)備的TSN功能，以及正確配置TSN的重要性。 測試結(jié)果證實了IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv在控制抖動和防止窗口違規(guī)方面的有效性 。此外，測試還突出了同步在TSN網(wǎng)絡(luò)中的核心作用。

作為更大TSN測試計劃的一部分，本次測試為進一步的IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv測試奠定了基礎(chǔ)。未來的工作將繼續(xù)深化對這些標(biāo)準(zhǔn)的理解，并探索它們在更廣泛場景中的應(yīng)用。

虹科是一家在通訊領(lǐng)域，尤其是汽車電子和智能自動化領(lǐng)域擁有超過15年經(jīng)驗的高科技公司，致力于為客戶提供CAN/CAN FD、LIN、車載以太網(wǎng)、TSN等全方位的一站式智能互聯(lián)解決方案。

審核編輯 黃宇