你的设备是否需要支持TSN（上）
摘要:时间敏感网络（TSN）是基于标准，可互操作性和确定性以太网的解决方案。由于定义了三种基本流量类型，因此它能够合并OT和IT世界：计划流量，尽力而为流量和预留流量。计划流量类型适用于硬实时消息，保留流量适用于软实时消息，而尽力而为流量是对任何其他服务质量指标均不敏感的常规以太网流量。在此Tech用例中，我们介绍了TSN基础知识以及将这一新技术集成到任何设备中的综合解决方案。该解决方案基于经过现场验证的HDL和可重配置SoC / FPGA（MTSN交换IP）的软件IP内核。此外，还介绍了一种功能强大且具有成本效益的套件，旨在提供深厚的动手TSN体验。
关键词:以太网；时间敏感网络；TSN ；IEEE 1588；实时流量；OT；IT； MTSN交换机IP
为什么需要时间敏感的网络？
自从1983年以太网标准化以来，它从技术和应用的角度都得到了发展。计算机网络的原始用途已扩展为工业现场总线（Profinet，以太网IP，Ethercat，Sercos III等），航空航天（AFDX），能源（HSR上的IEC 61850）的事实数据链路协议/ PRP），汽车（确定性以太网）和运输。
这些关键部门中的大多数应用程序都需要实时操作。此要求使得必须确保在严格的时间间隔内接收特定数据，该时间间隔由对过程的批评定义。以太网的常规应用无法确保这种确定性的操作。因此，在过去的30年中，工业通信解决方案的供应商为以太网实现了不同的协议和增强功能。结果就是大量基于以太网的不可互操作的替代方案。
基于网络物理系统的大规模互连并结合大数据分析的工业4.0范式突显了将运营技术（OT）与信息技术（IT）融合在一起的这一众所周知的挑战。因此，能够融合OT和IT世界的通用以太网技术将是确保互操作性和标准化的一个杰出的进步。这些技术的有效发展将显着降低设备成本，维护，先进分析服务的无缝集成以及对单个供应商的依赖。
什么是时间敏感型网络？
音频视频桥接计划在合并单一媒体中的关键流量和尽力而为流量方面取得了巨大成功。实际上，他们的某些技术解决方案被视为其他行业的宝贵替代品。
结果，原始的AVB任务组演变为IEEE TSN任务组，负责制定与TSN相关的标准。这些标准提出了IEEE 802网络的增强功能，以便为OT和IT定义基于以太网的独特解决方案。
TSN的基本基础是时间感知整形器。它旨在将以太网上的通信分为固定的持续时间，周期性的时间周期。根据对等点之间达成一致的TSN配置，这些周期分为多个时隙。可以配置不同的时隙，并将其分配给八个以太网优先级中的一个或几个。时间感知整形器的操作在IEEE 802.1Qbv中定义，图1代表根据标准的时隙分布。
图1 TSN时隙划分
考虑到此功能，定义了三种基本流量类型：计划流量，尽力而为流量和预留流量。计划流量类型适用于硬实时消息，保留流量适用于软实时消息，而尽力而为流量是对任何其他服务质量指标都不敏感的常规以太网流量。
时间感知整形器允许定义每个周期中可用的时隙数量，其持续时间以及可以传输的优先级。由于采用了这种操作方式，计划流量具有专用的时隙，以确保预期的确定性行为。尽力而为的流量被容纳在每个操作周期的剩余时隙中。 TSN中优先级和带宽使用优化的一项重要改进是对基于信用整形器的支持，如IEEE 802.1Qav中所定义。此功能允许定义已确定队列可用的最大带宽比例。
使用IEEE 1588同步协议面临着在构成网络的TSN设备之间提供纳秒级同步精度的技术挑战。得益于此技术提供的准确性，确保受控的网络延迟和抖动植入有效的基于时间触发的以太网解决方案是可行的。 TSN的特定IEEE 1588配置文件是IEEE 1588ASrev。
TSN网络的配置平面是标准化（IEEE）和工业（IIC TSN测试平台工作组）组中最活跃的主题之一。TSN通信基于在发话者和听者之间设置的数据流。根据每个流的参数，有必要配置TSN网络的所有元素以切换帧取决于选择的参数。该操作由一个集中式网络配置（CNC）节点执行，如图2所示，该CNC应能够以标准化的方式与不同供应商的设备通讯，该领域的早期进展基于IEEE 802.1Qcc标准。
图2 TSN的集中配置架构
从本简介可以看出，TSN不是一个单一的标准。相反，这是一组以不同步伐发展的标准。此外，它们中的许多仍然是草稿版本，并且其发展可能取决于市场上这些特定功能的实际需求。以下列表总结了TSN中涉及的最相关的标准：
| 802.1ASrev |
定时和同步（当前，大多数TSN实现中使用802.1AS） |
| 802.1Qbv |
时间感知整形 |
| 802.1Qcc |
流保留协议增强和性能改进 |
| 802.1Qci |
每流过滤和管制 |
| 802.1CB |
冗余 |
| 802.1Qbu |
帧抢占 |
| 802.1Qch |
循环排队和转发 |
| 802.1Qca | 路径控制和预留 |
| 802.1Qcp | YANG Data Mode |
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