時間敏感性網(wǎng)絡(luò)（TSN，Time-Sensitive Networking）作為新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的代表，為工業(yè)自動化、汽車電子和軌道交通等領(lǐng)域提供了低延遲、高可靠的通信保障。翼輝信息 SylixOS 作為硬實(shí)時、高性能的完全自主可控的大型實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)，時刻與行業(yè)客戶保持密切溝通，緊跟時代發(fā)展趨勢。如今，正式加入 TSN 網(wǎng)絡(luò)支持，可為行業(yè)客戶提供更高效、更可靠的解決方案，助力智能制造和工業(yè)互聯(lián)邁向新高度。

有了 SylixOS TSN，用戶可直接解決目前存在的兩大問題：

關(guān)鍵幀可靠性：TSN 可以實(shí)現(xiàn)通過關(guān)鍵幀提前預(yù)約資源，盡量規(guī)避因網(wǎng)絡(luò)擁塞造成延時抖動甚至是丟失。

傳輸準(zhǔn)時性：TSN 采用門控等流量整形機(jī)制，只允許關(guān)鍵幀在其預(yù)約的時間段進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，避免故障流/惡意流占用正常流的資源，保證傳輸準(zhǔn)時性。

TSN 簡介

TSN 是一套基于 IEEE 802.1 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議集合，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)“盡力而為”的傳輸方式不同，TSN 通過時間同步和流量調(diào)度，確保數(shù)據(jù)包在預(yù)定時間窗口內(nèi)精準(zhǔn)送達(dá)，為以太網(wǎng)提供確定性、低延遲和高可靠性的通信能力。TSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇涉及到的協(xié)議可以分為 4 大類：

Synchronization：時間同步協(xié)議；

Latency：低時延協(xié)議；

Reliability：可靠性協(xié)議；

Resource Management：資源管理協(xié)議；

SylixOS TSN 特點(diǎn)

封閉的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

TSN 一般被使用在封閉拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)。它適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕A(yù)先規(guī)劃，業(yè)務(wù)按需部署，端系統(tǒng)關(guān)鍵流量預(yù)先設(shè)置的情況。

類似“封閉的高鐵線路”

關(guān)鍵流離線規(guī)劃

TSN 網(wǎng)絡(luò)里一般需要提前規(guī)劃每一條關(guān)鍵數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時間，如：

每 20ms 執(zhí)行一次“傳感器 — PLC — 執(zhí)行器” 流；

這 20ms 的周期中，第 5ms 開始，從傳感器網(wǎng)絡(luò)接口出，第 8ms 時經(jīng)過交換機(jī)進(jìn)入 PLC 網(wǎng)絡(luò)接口，第 12ms 從 PLC 接口發(fā)出，經(jīng)過交換在第 15ms 時到達(dá)執(zhí)行器。

類似“高鐵時刻表”

關(guān)鍵流資源預(yù)約

TSN 根據(jù)每個關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的幀在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的時間和空間，為其預(yù)約資源，如：

接口的緩沖區(qū)

鏈路的帶寬

幀通過提前預(yù)約資源，盡量規(guī)避因網(wǎng)絡(luò)擁塞造成延時抖動甚至是丟失。

類似“高鐵購票”

網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)入控制

TSN 采用門控等流量整形機(jī)制，只允許關(guān)鍵幀在其預(yù)約的時間段進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，避免故障流/惡意流占用正常流的資源。

類似“高鐵檢票口”

詳解 SylixOS TSN 解決方案

翼輝支持兩種類型的 TSN 解決方案，以滿足行業(yè)用戶不同的業(yè)務(wù)需求：

1、交換側(cè) TSN 方案

SylixOS 在交換側(cè) TSN 方案中支持如物芯 KD6630/KD6530 等車規(guī)級 Switch 芯片。

2、終端側(cè) TSN 方案

SylixOS 在終端側(cè) TSN 方案中支持SylixOS 在交換側(cè) TSN 方案中支持常見的嵌入式 TSN 網(wǎng)卡控制器，如基于 DesignWare 網(wǎng)卡 IP 核設(shè)計的嵌入式處理器（飛騰、瑞芯微、龍芯、芯馳等系列）、MPSOC 等。

此外，一些高端網(wǎng)卡如，intel 網(wǎng)卡（i350，x710 等）、沐創(chuàng)網(wǎng)卡、網(wǎng)迅網(wǎng)卡等，SylixOS 也已支持其 TSN 相關(guān)協(xié)議。

基于 SylixOS TSN 解決方案的協(xié)議

基于上述這兩種解決方案， SylixOS 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)支持包括IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1CB等在內(nèi)的多項 TSN 常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并還在不斷豐富。

TSN 時間同步協(xié)議

在 TSN 協(xié)議簇中，時間同步協(xié)議是基礎(chǔ)。TSN 提供的流量整形等其他協(xié)議均需基于通信雙方實(shí)現(xiàn)高精度的時間同步后，才能正常配置并作用。

SylixOS 內(nèi)核支持報文收發(fā)的軟、硬時間戳等功能，配合相關(guān)應(yīng)用工具，即可以實(shí)現(xiàn)納秒級的 gPTP 時間同步功能。

方案驗證

a. 設(shè)備間實(shí)現(xiàn) PTP 時鐘的時間同步

在 SylixOS 設(shè)備上運(yùn)行 ptp4l 程序，開啟指定網(wǎng)卡的時間同步功能：

b. PTP 時鐘同步到系統(tǒng)時鐘

實(shí)現(xiàn) PTP 時鐘同步后，借助 phc2sys 工具，將已經(jīng)同步好的 PTP 時鐘向系統(tǒng)時鐘實(shí)現(xiàn)同步：

TSN 其他協(xié)議

1、流量整形

IEEE 802.1Qbv 協(xié)議通過時間門控和調(diào)度機(jī)制保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的確定性傳輸。它是 TSN 技術(shù)的核心組成部分。

以下是基于 SylixOS 交換側(cè)解決方案實(shí)現(xiàn) IEEE802.1Qbv 的驗證場景：

方案驗證

a. 不使用 TSN 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)無負(fù)載

設(shè)備 A 和設(shè)備 B 進(jìn)行通信，實(shí)測結(jié)果最大通信時延6775ns，最小6074ns，通信時延抖動約700ns。

b. 不使用 TSN 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)有負(fù)載

當(dāng)通過攻擊設(shè)備，嘗試加入占滿帶寬的惡意負(fù)載時，實(shí)測結(jié)果最大通信時延7415ns，最小6023ns，通信時延抖動增加到約 1400ns，是原先的1 倍。

c.使用 TSN 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)有負(fù)載

同樣通過攻擊設(shè)備，嘗試加入占滿帶寬的惡意負(fù)載，同時，加入 TSN 的 Qbv 協(xié)議支持，再次實(shí)測，可見通信結(jié)果恢復(fù)正常。

2、冗余傳輸

IEEE802.1 CB 是一款基于“幀復(fù)制與消除”以實(shí)現(xiàn)可靠性的 TSN 協(xié)議。它通過冗余傳輸提高以太網(wǎng)的可靠性，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)故障或丟包情況下仍能可靠傳輸。

如下兩臺運(yùn)行 SylixOS 的設(shè)備均具備兩個網(wǎng)卡，且均支持 IEEE802.1CB 協(xié)議：

方案驗證

兩臺設(shè)備做 ping 操作時，如果僅對 802.1CB 協(xié)議配置幀復(fù)制功能，即可在 Hub 上清晰的抓到自動完成幀復(fù)制功能的 ICMP 報文：

如果繼續(xù)加入幀消除的配置，雙方設(shè)備即可正常實(shí)現(xiàn)通信，且即使兩條鏈路中的一條鏈路存在異常，也不影響通信。

結(jié)論

通過上述的不同的協(xié)議測試可以看出，在不同的業(yè)務(wù)需求場景下 SylixOS TSN 均可有效解決關(guān)鍵幀不可靠性傳輸不準(zhǔn)時性的問題，并且所實(shí)現(xiàn)效果與 TSN 相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч愃啤?/p>

TSN 對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸效果圖

未 來

除此之外，SylixOS 對 TSN 的支持還在持續(xù)深化與完善。翼輝信息始終秉承“堅如磐石，萬無一失”的核心理念，持續(xù)加大對 SylixOS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)投入，緊跟行業(yè)前沿趨勢，以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展。翼輝信息致力于為用戶提供卓越的技術(shù)產(chǎn)品和行業(yè)方案，通過不斷推出高可靠性、高安全性的網(wǎng)絡(luò)功能與解決方案，攜手用戶推動產(chǎn)品的高效落地，共同開創(chuàng)更廣闊的應(yīng)用前景。