工控老曹说——TSN标准化如何赋能多领域以太网新发展

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工控老曹说——TSN标准化如何赋能多领域以太网新发展

2023-05-18 18:08:16 来源：博客园

网络通信已经成为现代社会中不可或缺的一部分。然而，在某些领域，例如工业自动化、机器人控制和视频监控等实时应用对通信的要求更高，需要实时传输大量数据并确保其可靠性和准确性。传统的网络技术在这些高要求的应用场景下表现不佳，往往难以满足实时应用的需求。因此，时间敏感网络（TSN）技术的出现解决了这个问题。

目前，工业和学术界的许多机构和组织正在积极推动TSN标准化工作，以确保其互操作性和可靠性，并进一步推广其在各个应用领域中的应用，以提供超低延迟、抖动和可靠性的功能优势。TSN是一项基于以太网且应用广泛的技术，因此在成本和互操作性等方面也具备了经济性和可靠性。凭借这些优势，TSN有望成为未来的LAN基础设施，支持工业4.0、智能工厂、智能交通系统和5G等领先技术的发展。

随着TSN技术的具体实施在不同行业和应用中被广泛提出和研究，不少技术领先的企业也开始着手布局TSN。但作为一种新兴的网络技术，TSN网络构建与测试需要一定的准备工作和特定的设备。

(资料图片仅供参考)

了解TSN技术

在开始进行TSN组网测试之前，需要了解TSN技术及其特点，以及了解各种流量类型和流量管理的技术细节。

1.1 TSN技术基础概念

TSN是一项用于以太网的实时通信技术，旨在确保在各种应用场景中实现低延迟、低抖动和可靠的通信。TSN通过在以太网上定义一些机制来实现这一目标，其中包括：

●全局同步时间：TSN使用一个共同的全局时钟来确保各个网络组件之间的时间同步，以便在网络中传输消息时可以精确地计算延迟。

●时间触发消息传递：TSN定义了交换以太网中时间触发消息传递的标准，以确保消息能够按照预定的时间表发送和接收，从而实现时间关键型保留流量的确定性有限延迟。

●队列调度：TSN通过定义根据时间表传输消息的队列来保证各种流量类别和应用程序集成到单个基于标准的以太网网络中。

通过这些机制，TSN能够在以太网上实现严格的时间控制，从而满足各种实时应用的要求。TSN在信息技术（IT）核心（如工业4.0、网络物理系统和工业物联网（IIoT））中具有重要的作用，能够帮助企业实现数字化转型和智能制造。

1.2 TSN技术特点

（1）实时性

通过使用时间同步和硬件时间戳技术（IEEE 802.1AS），TSN技术可以保证数据按照预定时间到达目的地，从而确保实时性。这种技术确保了网络上的数据传输遵循一个严格的时间表，从而保证了数据的准确性和可靠性。

（2）可靠性

TSN技术通过采用冗余路径、双路径和队列调度等技术（例如IEEE 802.1CB），有效地避免了数据丢失和延迟，从而显著提高了网络的可靠性。这种技术为数据传输提供了备用通道，并对数据进行了有效的排队调度，以确保它们能够按时到达目的地，从而保证了网络的稳定性和可靠性。

（3）确定性

通过采用预定带宽技术（例如IEEE 802.1QBV），TSN技术可以对网络带宽进行有效的优化，从而确保网络传输的稳定性和可预测性。这种技术可以为网络上的各个流量流提供特定的带宽，从而确保了它们的传输效率和稳定性。这样一来，网络上的各种应用程序和服务就能够更好地协同工作，从而提高了整个系统的性能和可靠性。

（4）兼容性

TSN技术与现有网络技术兼容（IEEE 802.1/802.3），并且可以与以太网、无线网络等多种网络技术共存。此外，它还具有软件升级的优势，因此可以通过简单的软件升级来实现功能的增强和改进，而无需更换硬件。这种技术的兼容性和可升级性使得它非常适合于各种不同类型的网络，可以帮助网络运营商在不影响现有基础设施的情况下提高网络性能和可靠性。

1.3 TSN流量类型

在TSN网络中定义三种基本类型的流量：计划流量ST、尽力而为流量（BE）和预留流量RT，对硬实时性有严格要求的数据传输采用ST，而对实时性要求不高并且需要预留部分带宽的数据传输采用RT，BE则是没有任何传输要求的一般以太网流量。

网络拓扑设计

一旦流量特征分析完成并确定了测试计划，就有必要设计并设置一个网络拓扑结构，TSN网络定义TSN包括以下几个方面：

a）要使用的设备：TSN终端设备和交换机/桥接器（endpoint , bridge）。

b）确定这些设备之间的物理连接，这和网络本身的拓扑结构设计相对应。

c）在构建的网络中定义TSN数据流，以及这些数据流的实际传输路由。

根据测试需求，设置TSN交换机的参数，如时间同步方式、队列调度算法、流量控制策略等。将TSN终端设备连接到TSN交换机，确保设备与交换机之间的连接正常。

2.1 TSN交换机/终端设备

TSN测试需要使用支持TSN技术的交换机。这些交换机可以支持多个TSN特性，如时间同步、带宽保障、流量隔离和时钟同步等，

2.2 TSN网络测试设备

在进行TSN组网测试之前，需要使用支持TSN技术的测试工具，这些测试工具可以模拟各种流量类型和生成TSN测试报告，测试工具可以模拟各种类型流量；基于IEEE 802.1AS网络时间基准，执行错误注入、延迟和带宽测量、流量过滤和硬件时间戳；基于IEEE 802.1AS同步的流量硬件时间戳，存储记录与Wireshark兼容的标准文件格式（PCAP）。

通过向TSN终端设备或是流量发生器发送数据包，并记录数据传输的延迟和抖动等指标，测试TSN网络的实时性和可靠性。

2.3 TSN设备和应用程序

需要使用各种支持TSN技术的设备和应用程序。这些设备可以包括IP电话、工业自动化系统、视频监控设备等，应用程序可以包括语音、视频、数据等。通过模拟高负载情况，测试TSN网络的流量控制策略，如优先级流量控制、带宽保障等。

2.4了解各种测试场景

TSN组网测试需要了解各种测试场景，如传输时延测试、带宽保障测试、流量隔离测试和时钟同步测试等。需要在这些测试场景中模拟各种实际情况，并评估网络拓扑的性能和可靠性。

TSN应用领域及测试的注意事项

3.1汽车

对于车辆E/E架构，重要的是要保证数据传输所需的QoS要求，并提供足够的措施来实现通信系统的功能安全，通过引入TSN标准来实现所需的功能。例如标准以太网不提供通过实时功能实现冗余的选项，通过测试冗余CB协议，判断是否满足实时要求来引入无缝冗余，该标准可能是未来E/E架构中的关键组成部分，以实现冗余，以实现自动驾驶汽车等的安全要求。通过测试Qav，Qbv，检查TSN对于带宽的限制和优化能力，为了确保尽力而为的流量传输，重要的是避免通信线路过载。同时整个网络中也会充斥着大量非必要的数据，通过测试Qci，检测TSN对于流量过滤和警戒的能力，可以防止不必要的帧延迟和丢失。此外，架构中的数据融合决定于时基的精确，AS-2020能提供高精度的同步能力，在主时钟发生故障时立即切换到另一个冗余时基。

3.2工业自动化

在工业自动化中，实时传输大量的控制信号和传感器数据对通信网络的要求更为严格，AS满足各实时性之外，此时需要测试Qbv和Qav等TSN带宽优化协议，是否能够处理网络中的各种数据以提供确定性延迟，同时考虑到传输的可靠性，CB冗余同样不可或缺的用来提高生产线的效率和稳定性。例如视频监控等高带宽、低延迟的通信场景，需要TSN技术来提供可预测的带宽和低延迟的通信，以确保图像的清晰度和实时性。

3.3航空航天

在航空航天领域，TSN技术有着广泛的应用前景，由于航空设备内存在多种网络，TSN可以用于实现飞机上各种设备之间的高效通信，比如飞行控制、飞行数据记录等，测试Qbv等带宽控制能力，保证实时交换数据以低延迟、低抖动、确定性传输。测试CB冗余交换能力，保障航电设备网络传输的可靠性。实现飞机控制系统中的实时数据交换和控制信号传输，提高控制系统的稳定性和精度。

4.总结

TSN是一项面向未来的新兴技术，它定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输，从而赋能多行业领域以太网的新发展。为加速推动TSN应用落地，了解TSN应用的优势和必要性，需要进行TSN组网测试。TSN组网测试需要深入了解TSN技术、设计网络拓扑、使用TSN交换机和测试仪器、使用TSN设备和应用程序、了解各种测试场景以及编写测试计划和测试报告等工作。

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