從IP Core到交換機 虹科發(fā)布TSN網(wǎng)絡一站式解決方案

1 技術(shù)背景

時間敏感網(wǎng)絡（TSN）允許合并OT和IT世界，并保證確定性以太網(wǎng)網(wǎng)絡中所有設(shè)備的互操作性和標準化。TSN建立在一個真正成熟的生態(tài)系統(tǒng)中（如以太網(wǎng)），因此大家認為TSN將是下一代工業(yè)網(wǎng)絡通信的核心技術(shù)。

這項技術(shù)可顯著降低設(shè)備投資、維護、高級分析服務的無縫集成以及減少對單個供應商的依賴。所有這些優(yōu)點使時間敏感網(wǎng)絡成為未來以太網(wǎng)絡中的參考技術(shù)。

現(xiàn)在TSN標準是一個龐大的標準體系，并且還在不斷擴展，主要是在802.1Q標準上進行修改與擴充而來。TSN重點是對當前的二層以太網(wǎng)絡進行特性的增強，目前已經(jīng)制定了一系列標準，通過允許時間同步，流量分組優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，利用門控調(diào)度機制清理線路以及帶寬預留等機制來保證業(yè)務流量在以太網(wǎng)中的傳輸性能，提高以太網(wǎng)的實時性和可靠性。

TSN為了滿足確定性的時延需求，會犧牲掉部分帶寬資源，所以需要考慮提高資源利用率。除此之外，如何部署TSN網(wǎng)絡？是采用分布式部署還是結(jié)合SDN等技術(shù)進行集中式部署？如何互聯(lián)多個封閉的TSN 網(wǎng)絡？如何協(xié)調(diào)傳輸時延的最大時延和平均時延？是在選取TSN產(chǎn)品和做相關(guān)開發(fā)的時候需要考慮的一些問題。

2 產(chǎn)品方案

為了滿足國內(nèi)用戶的測試和開發(fā)需求，虹科推出了IP Core開發(fā)方案，還有直接標準化的硬件產(chǎn)品，以及可以基于這些硬件所搭建的TSN的一個測試網(wǎng)絡。

2.1 MTSN IP Core
IP CORE：MTSN IP核是全面的TSN解決方案，實現(xiàn)多種TSN協(xié)議規(guī)范。是一個靈活的HDL代碼，可用于實現(xiàn) bridge 的功能。IP 提供了一組豐富的通用參數(shù)，以獲得最佳的功能資源權(quán)衡。由于Vivado IPI提供了GUI界面，因此可以在VHDL級別或以圖形方式配置這些通用項目。

• IEEE 802.1AS(rev): 時間同步
• IEEE 802.1Qav: 基于信用的整形器
• IEEE 802.1Qbv: 時間感知整形器
• IEEE 802.1Qcc: 網(wǎng)絡管理
• IEEE 802.1Qci: 流過濾和切分
• IEEE 802.1AB: 鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議
• IEEE 802.1w: 快速生成樹協(xié)議
• IEEE 802.1s: 多生成樹協(xié)議
• IEEE 802.1CB: 幀復制和消除
• IEEE 802.1Qbu/802.3br: 幀搶占機制

在IIC（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟）TSN測試臺經(jīng)過測試驗證使用Xilinx GUI進行簡易的IP核配置。

(1)接口——多種PHY接口可選（MII/RMII/GMII/RGMII/SGMII/QSGMII）
(2)交換能力——全雙工10/100/1000 Mbps以太網(wǎng)接口；最多可達32端口，每個端口支持不同的數(shù)據(jù)速率
(3)IP核配置端口——4 種配置管理端口

2.2 RELY-TSN-BRIDGE

RELY-TSN-BRIDGE可以用于無縫實施確定性以太網(wǎng)，該器件基于SoC-e的TSN技術(shù)在最苛刻的行業(yè)（鐵路、航空航天、汽車、工業(yè)自動化等）中使用的可靠且經(jīng)過現(xiàn)場驗證的設(shè)計。

該設(shè)備可用作提供4個多媒體千兆以太網(wǎng)端口和1個內(nèi)部端口的TSN Bridge，可與市場上的其他產(chǎn)品互操作。

RELY-TSN-BRIDGE支持市場上數(shù)量最多的TSN標準，這使其適用于任何特定的配置文件。這些關(guān)鍵功能使RELY-TSN-BRIDGE平臺成為用于關(guān)鍵環(huán)境的最可靠和多功能的網(wǎng)絡設(shè)備。

2.2.1 新外殼-為快速散熱設(shè)計

時間敏感網(wǎng)絡是一項強大的技術(shù)，涉及一組標準，可確保以太網(wǎng)網(wǎng)絡的確定性。能夠?qū)崿F(xiàn)如此低延遲的技術(shù)對資源的要求非常高，并且需要能夠散發(fā)如此高計算量所產(chǎn)生的熱量的設(shè)備。為了響應這一要求，虹科的RELY-TSN-BRIDGE交換機采用了一種新型外殼，得益于新型外殼的散熱式設(shè)計，PCB組件上的溫度以及設(shè)備的整體消耗得以降低，從而實現(xiàn)高效和優(yōu)化的4端口TSN交換機。

2.3 配置工具

雖然大多數(shù)設(shè)備通?？梢允褂脤Ｓ械慕鉀Q方案，如網(wǎng)絡管理器、命令行、串行端口等進行配置，但當增加更多的流量、數(shù)據(jù)流和設(shè)備時，這種方法是不可擴展的。配置冗余這樣的機制，意味著為每個節(jié)點生成單獨的配置，如其流識別機制、流處理程序、VLAN和恢復功能。當規(guī)模超過幾個數(shù)據(jù)流時，這是一個很大的挑戰(zhàn)。因此，強烈建議使用集中的網(wǎng)絡配置。

2.3.1 手動配置

• 定義配置每個TSN機制的參數(shù)。
• 利用終端設(shè)備的配置工具

2.3.2 集中配置

• 在IEEE 802.1Qcc中定義的
• 基于YANG模型的數(shù)據(jù)交換
• 擴展的通信協(xié)議：netcong

2.3.3 配置工具的主要功能

• MODEL：定義拓撲結(jié)構(gòu)、硬件能力、流量要求
• GENERATE：選擇TSN機制并生成配置要求
• EXPORT：配置已準備好的部署

2.4 測試框架

這些產(chǎn)品使用的都是全集中的模型，虹科的TSN解決方案支持Qbv YANG數(shù)據(jù)模型，并且可以由802.1Qcc（完全集中式配置）定義的CNC工具或設(shè)備使用NETCONF進行配置。
在上面這個圖中，實現(xiàn)代表的是以太網(wǎng)，虛線代表的是TSN網(wǎng)絡，TSN網(wǎng)絡主干由四個 RELY-TSN-BRIDGE設(shè)備組成。這些設(shè)備是TSN交換機，每個都有四個TSN端口。這些設(shè)備將允許配置基于IEEE 802.1CB標準和RSTP協(xié)議的不同冗余拓撲結(jié)構(gòu)，為用戶提供一個靈活的測試平臺。我們也可以將REC記錄儀連接在TSN網(wǎng)絡中可以用來記錄保存TSN數(shù)據(jù)流，記錄時間戳等。

2.4.1 TSN端點：

TSN流是指從一個源頭到一個或多個目的地的時間敏感數(shù)據(jù)的單向流動，是TSN網(wǎng)絡配置的基礎(chǔ)，因為TSN網(wǎng)絡的每個鏈接中的所有機制都是按TSN流定義或配置的。測試平臺包括三個TSN設(shè)備，它們將按照以下類別作為端點執(zhí)行。

1）Listener
TSN 網(wǎng)絡的要素之一是 listener，它們是消費流量的設(shè)備。 在我們的架構(gòu)中，其中一塊 RELY-TSN-PCIe 卡將被配置為 listener。
RELY-TSN-PCIe 卡是一個獨立的 TSN 設(shè)備，包括兩個 TSN 外部端口，用于連接 TSN 網(wǎng)絡和執(zhí)行產(chǎn)品介紹所述 的 TSN 標準，包括冗余標準 IEEE 802.1CB 和 RSTP。

2）Talker
TSN 網(wǎng)絡的第二個元素是 talker。在圖中有兩個 TSNtalker。 一邊是安裝在主機上的 RELY-TSN-PCIe 卡。 該卡的功能與作為 listener 的 RELY-TSN-PCIe 卡的功能相同。 在另一邊，RELY-TSN-CPPS 設(shè)備也作為一個 talker。

2.4.2 非TSN端點：

在一個TSN網(wǎng)絡中，將TSN設(shè)備與非TSN設(shè)備結(jié)合起來是非常普遍的。事實上，在未來，TSN將得到其系統(tǒng)的支持，比如測量/科學/測試等非 TSN 子系統(tǒng)將與控制/傳感器/執(zhí)行器等TSN子系統(tǒng)共存于同一個網(wǎng)絡中。

為了提出一個測試平臺并盡可能地涵蓋在未來系統(tǒng)中可以找到的所有元素，建議的測試平臺架構(gòu)最好包括兩個非TSN設(shè)備作為talker，從而能幫助我們更好的檢查一個混合網(wǎng)絡的性能。
舉個例子，這兩個非TSN元素可以包括：

• IP攝像機：傳輸保留流量
• 流量發(fā)生器：該設(shè)備允許在網(wǎng)絡中創(chuàng)建擁堵場景

3 應用案例

TSN是專為滿足這些要求而設(shè)計的新一代以太網(wǎng)。盡管TSN的引入將因行業(yè)而異，但提供實時工作負載的能力將是非常重要的，一些關(guān)鍵行業(yè)（如鐵路或航空航天）正在將TSN作為其新平臺中的標準IT/OT 網(wǎng)絡。

虹科TSN解決方案在三個不同關(guān)鍵應用場景中得到了驗證：航空航天、汽車和鐵路。這些系統(tǒng)來自封閉的協(xié)議，過渡必須非常仔細地規(guī)劃。TSN發(fā)展正處于一個新的階段，這個時候就需要大型技術(shù)研發(fā)公司和集成商必須驗證這項技術(shù)。

3.1 航空航天：
提供基于專有的標準（比如AFDX）的方案的供應商很少，這就意味著成本較高。如果可以將不同的網(wǎng)絡融合在一個TSN網(wǎng)絡中，那就可以降低價格成本。并且每架飛機的子系統(tǒng)沒有一個獨特的標準，這意味著會有多個平行網(wǎng)絡，這也同樣會被轉(zhuǎn)化為更昂貴的網(wǎng)絡方案。在對低延遲、高帶寬和數(shù)據(jù)采集單元的互操作性的需求推動下，航空航天與國防領(lǐng)域正在處于一場以太網(wǎng)的融合階段。

TSN在航空領(lǐng)域可以看做是一些協(xié)議超集，可以兼容舊有網(wǎng)絡，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡的融合傳輸，所以可以用一個統(tǒng)一的以太網(wǎng)代替之前的專用協(xié)議。還能夠保持現(xiàn)有的一些網(wǎng)絡架構(gòu)的優(yōu)點，又能保持較高的帶寬，而且是一個通用網(wǎng)絡架構(gòu)，布線簡單，組網(wǎng)成本相對較低，成本相對也會降低。

3.2 汽車：
現(xiàn)在，在汽車領(lǐng)域有一種以太網(wǎng)方向融合發(fā)展的趨勢，需要引入更多的執(zhí)行器、傳感器和高處理能力的系統(tǒng)，并且彼此之間完全互連。從這個出發(fā)點，需要一個具有高帶寬能力的新的汽車基礎(chǔ)設(shè)施。新型汽車網(wǎng)絡架構(gòu)，就是基于以太網(wǎng)或者說基于TSN網(wǎng)絡的一個架構(gòu)，該架構(gòu)使用以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)絡，而且有靈活的組網(wǎng)方案，將汽車分為若干可拓撲區(qū)域，從而增強可擴展性。
在某一汽車行業(yè)項目研究當中，虹科提供了演示中使用的TSN骨干基礎(chǔ)架構(gòu)，模擬使用了新一代確定性以太網(wǎng)標準互連的汽車某些部分的行為。虹科提供了TSN交換基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由基于虹科開發(fā)板的系統(tǒng)組成，該開發(fā)板基于使用MTSN IP Core開發(fā)的模塊上系統(tǒng)（SMARTmpsoc）。

3.3 鐵路：
由于目前列車的基礎(chǔ)設(shè)施基于不同的通信總線，一個用于控制目的，另一個用于其他系統(tǒng)，TSN是選定的技術(shù)，可以用于將所有這些總線合并到列車內(nèi)的唯一網(wǎng)絡。該項目的具體目標之一是實施新的全列車通信網(wǎng)絡（被稱為NG-TCN），來全面支持TCMS（列車控制和管理系統(tǒng)），包括更換列車線路，連接安全功能至SIL4，支持"故障安全"和"故障容忍"原則，為TCMS和OMTS（車載多媒體和遠程信息服務）以及非TCMS的通信手段提供一個最佳列車網(wǎng)絡。

TSN機制旨在用于將物理網(wǎng)絡分成幾個虛擬域，從而確保安全關(guān)鍵功能的確定性和可靠性，并為其他功能 保持最低水平的QoS（服務質(zhì)量），鐵路部門也可以從更簡單的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施和簡化的集成中受益。

4總結(jié)

TSN的核心思維是提出了一個可互操作的系統(tǒng)，并支持多個制造商、協(xié)議和機構(gòu)在同一個網(wǎng)絡上共享，根據(jù)最嚴格的時間界限交付流量的能力，在同一物理網(wǎng)絡上管理關(guān)鍵和非關(guān)鍵流量的融合，并提供支持高可用性通信的機制，而這也成為了TSN在參加當前最苛刻的關(guān)鍵（和非關(guān)鍵）應用方面的獨特主張。有了互操作性和融合網(wǎng)絡，市場上將會出現(xiàn)更多的解決方案，所以可以說，TSN能夠激發(fā)更多具有成本效益的解決方案。

5新品發(fā)布：12端口TSN交換機

支持更高的傳輸速率和更多的TSN協(xié)議，敬請期待！