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

1 技術(shù)背景

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

這項(xiàng)技術(shù)可顯著降低設(shè)備投資、維護(hù)、高級(jí)分析服務(wù)的無(wú)縫集成以及減少對(duì)單個(gè)供應(yīng)商的依賴。所有這些優(yōu)點(diǎn)使時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)成為未來(lái)以太網(wǎng)絡(luò)中的參考技術(shù)。

現(xiàn)在TSN標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)龐大的標(biāo)準(zhǔn)體系，并且還在不斷擴(kuò)展，主要是在802.1Q標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行修改與擴(kuò)充而來(lái)。TSN重點(diǎn)是對(duì)當(dāng)前的二層以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特性的增強(qiáng)，目前已經(jīng)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)允許時(shí)間同步，流量分組優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，利用門控調(diào)度機(jī)制清理線路以及帶寬預(yù)留等機(jī)制來(lái)保證業(yè)務(wù)流量在以太網(wǎng)中的傳輸性能，提高以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

TSN為了滿足確定性的時(shí)延需求，會(huì)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(luò)？是采用分布式部署還是結(jié)合SDN等技術(shù)進(jìn)行集中式部署？如何互聯(lián)多個(gè)封閉的TSN 網(wǎng)絡(luò)？如何協(xié)調(diào)傳輸時(shí)延的最大時(shí)延和平均時(shí)延？是在選取TSN產(chǎn)品和做相關(guān)開(kāi)發(fā)的時(shí)候需要考慮的一些問(wèn)題。

2 產(chǎn)品方案

為了滿足國(guó)內(nèi)用戶的測(cè)試和開(kāi)發(fā)需求，虹科推出了IP Core開(kāi)發(fā)方案，還有直接標(biāo)準(zhǔn)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(gè)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。

2.1 MTSN IP Core
IP CORE：MTSN IP核是全面的TSN解決方案，實(shí)現(xiàn)多種TSN協(xié)議規(guī)范。是一個(gè)靈活的HDL代碼，可用于實(shí)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(jí)別或以圖形方式配置這些通用項(xiàng)目。

• IEEE 802.1AS(rev): 時(shí)間同步
• IEEE 802.1Qav: 基于信用的整形器
• IEEE 802.1Qbv: 時(shí)間感知整形器
• IEEE 802.1Qcc: 網(wǎng)絡(luò)管理
• IEEE 802.1Qci: 流過(guò)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(shù)協(xié)議
• IEEE 802.1s: 多生成樹(shù)協(xié)議
• IEEE 802.1CB: 幀復(fù)制和消除
• IEEE 802.1Qbu/802.3br: 幀搶占機(jī)制

在IIC（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟）TSN測(cè)試臺(tái)經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證使用Xilinx GUI進(jìn)行簡(jiǎn)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(dá)32端口，每個(gè)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(wú)縫實(shí)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(dòng)化等）中使用的可靠且經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)。

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

RELY-TSN-BRIDGE支持市場(chǎng)上數(shù)量最多的TSN標(biāo)準(zhǔn)，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(tái)成為用于關(guān)鍵環(huán)境的最可靠和多功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2.2.1 新外殼-為快速散熱設(shè)計(jì)

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

2.3 配置工具

雖然大多數(shù)設(shè)備通常可以使用專有的解決方案，如網(wǎng)絡(luò)管理器、命令行、串行端口等進(jìn)行配置，但當(dāng)增加更多的流量、數(shù)據(jù)流和設(shè)備時(shí)，這種方法是不可擴(kuò)展的。配置冗余這樣的機(jī)制，意味著為每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成單獨(dú)的配置，如其流識(shí)別機(jī)制、流處理程序、VLAN和恢復(fù)功能。當(dāng)規(guī)模超過(guò)幾個(gè)數(shù)據(jù)流時(shí)，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因此，強(qiáng)烈建議使用集中的網(wǎng)絡(luò)配置。

2.3.1 手動(dòng)配置

• 定義配置每個(gè)TSN機(jī)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(kuò)展的通信協(xié)議：netcong

2.3.3 配置工具的主要功能

• MODEL：定義拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件能力、流量要求
• GENERATE：選擇TSN機(jī)制并生成配置要求
• EXPORT：配置已準(zhǔn)備好的部署

2.4 測(cè)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(jìn)行配置。
在上面這個(gè)圖中，實(shí)現(xiàn)代表的是以太網(wǎng)，虛線代表的是TSN網(wǎng)絡(luò)，TSN網(wǎng)絡(luò)主干由四個(gè) RELY-TSN-BRIDGE設(shè)備組成。這些設(shè)備是TSN交換機(jī)，每個(gè)都有四個(gè)TSN端口。這些設(shè)備將允許配置基于IEEE 802.1CB標(biāo)準(zhǔn)和RSTP協(xié)議的不同冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為用戶提供一個(gè)靈活的測(cè)試平臺(tái)。我們也可以將REC記錄儀連接在TSN網(wǎng)絡(luò)中可以用來(lái)記錄保存TSN數(shù)據(jù)流，記錄時(shí)間戳等。

2.4.1 TSN端點(diǎn)：

TSN流是指從一個(gè)源頭到一個(gè)或多個(gè)目的地的時(shí)間敏感數(shù)據(jù)的單向流動(dòng)，是TSN網(wǎng)絡(luò)配置的基礎(chǔ)，因?yàn)門SN網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)鏈接中的所有機(jī)制都是按TSN流定義或配置的。測(cè)試平臺(tái)包括三個(gè)TSN設(shè)備，它們將按照以下類別作為端點(diǎn)執(zhí)行。

1）Listener
TSN 網(wǎng)絡(luò)的要素之一是 listener，它們是消費(fèi)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(gè)獨(dú)立的 TSN 設(shè)備，包括兩個(gè) TSN 外部端口，用于連接 TSN 網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行產(chǎn)品介紹所述 的 TSN 標(biāo)準(zhǔn)，包括冗余標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.1CB 和 RSTP。

2）Talker
TSN 網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)元素是 talker。在圖中有兩個(gè) TSNtalker。 一邊是安裝在主機(jī)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(gè) talker。

2.4.2 非TSN端點(diǎn)：

在一個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò)中，將TSN設(shè)備與非TSN設(shè)備結(jié)合起來(lái)是非常普遍的。事實(shí)上，在未來(lái)，TSN將得到其系統(tǒng)的支持，比如測(cè)量/科學(xué)/測(cè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中。

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

• IP攝像機(jī)：傳輸保留流量
• 流量發(fā)生器：該設(shè)備允許在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建擁堵場(chǎng)景

3 應(yīng)用案例

TSN是專為滿足這些要求而設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)工作負(fù)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(tái)中的標(biāo)準(zhǔn)IT/OT 網(wǎng)絡(luò)。

虹科TSN解決方案在三個(gè)不同關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景中得到了驗(yàn)證：航空航天、汽車和鐵路。這些系統(tǒng)來(lái)自封閉的協(xié)議，過(guò)渡必須非常仔細(xì)地規(guī)劃。TSN發(fā)展正處于一個(gè)新的階段，這個(gè)時(shí)候就需要大型技術(shù)研發(fā)公司和集成商必須驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)。

3.1 航空航天：
提供基于專有的標(biāo)準(zhǔn)（比如AFDX）的方案的供應(yīng)商很少，這就意味著成本較高。如果可以將不同的網(wǎng)絡(luò)融合在一個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò)中，那就可以降低價(jià)格成本。并且每架飛機(jī)的子系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)獨(dú)特的標(biāo)準(zhǔn)，這意味著會(huì)有多個(gè)平行網(wǎng)絡(luò)，這也同樣會(huì)被轉(zhuǎn)化為更昂貴的網(wǎng)絡(luò)方案。在對(duì)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(dòng)下，航空航天與國(guó)防領(lǐng)域正在處于一場(chǎng)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(luò)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合傳輸，所以可以用一個(gè)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(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又能保持較高的帶寬，而且是一個(gè)通用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，布線簡(jiǎn)單，組網(wǎng)成本相對(duì)較低，成本相對(duì)也會(huì)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(shì)，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(gè)出發(fā)點(diǎn)，需要一個(gè)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(luò)架構(gòu)，就是基于以太網(wǎng)或者說(shuō)基于TSN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)架構(gòu)，該架構(gòu)使用以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)絡(luò)，而且有靈活的組網(wǎng)方案，將汽車分為若干可拓?fù)鋮^(qū)域，從而增強(qiáng)可擴(kuò)展性。
在某一汽車行業(yè)項(xiàng)目研究當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)板的系統(tǒng)組成，該開(kāi)發(fā)板基于使用MTSN IP Core開(kāi)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(gè)用于控制目的，另一個(gè)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(luò)。該項(xiàng)目的具體目標(biāo)之一是實(shí)施新的全列車通信網(wǎng)絡(luò)（被稱為NG-TCN），來(lái)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(yuǎn)程信息服務(wù)）以及非TCMS的通信手段提供一個(gè)最佳列車網(wǎng)絡(luò)。

TSN機(jī)制旨在用于將物理網(wǎng)絡(luò)分成幾個(gè)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(wù)質(zhì)量），鐵路部門也可以從更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和簡(jiǎn)化的集成中受益。

4總結(jié)

TSN的核心思維是提出了一個(gè)可互操作的系統(tǒng)，并支持多個(gè)制造商、協(xié)議和機(jī)構(gòu)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上共享，根據(jù)最嚴(yán)格的時(shí)間界限交付流量的能力，在同一物理網(wǎng)絡(luò)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(jī)制，而這也成為了TSN在參加當(dāng)前最苛刻的關(guān)鍵（和非關(guān)鍵）應(yīng)用方面的獨(dú)特主張。有了互操作性和融合網(wǎng)絡(luò)，市場(chǎng)上將會(huì)出現(xiàn)更多的解決方案，所以可以說(shuō)，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(jī)

支持更高的傳輸速率和更多的TSN協(xié)議，敬請(qǐng)期待！