时间敏感网络的基础

了解时间敏感网络 (TSN) 的优势以及工程师如何使用它来确保工业系统为未来做好准备。本文重点介绍 TSN 标准集的三个成员。

在可预测性和时间敏感性方面，不同的技术领域有其独特的要求，这可能会给希望在共享连接上传输数据的系统设计人员带来挑战。在使用共享网络时，必须考虑低延迟和减少的时间延迟。幸运的是，有一个解决方案可以应对这一挑战——时间敏感网络 (TSN)。 TSN 位于标准以太网之上，定义了一组标准，使系统设计人员能够使用以太网在共享连接上传输 IT 和 OT 数据。

在本文中，了解时间敏感网络的优势以及工程师如何使用它来确保工业系统为未来做好准备。本文重点介绍了 TSN 标准集的三个成员，详细解释了它们，并提到了一些将时间敏感网络功能集成到其硬件中的设备。

什么是时间敏感型网络？

在具有许多设备的分布式系统中，例如现代工厂车间，连接的设备在与网络中的其他组件通信时可能有非常不同的需求和潜在的冲突目标。查看传输数据的一种方法是在信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 域的上下文中查看它。

操作技术流量，例如机器控制数据和传感器值，通常需要网络以可预测的方式运行。该域中的通信需要固定的时间延迟、低延迟和低抖动。另一方面，信息技术流量是诸如电子邮件流量和固件更新之类的数据。在这里，时间限制并不是最重要的，通信通常是尽力而为。

虽然 IT 流量通常需要更多带宽，但数据不需要在给定的时间范围内到达目的地。相反，总体吞吐量通常很重要。另一方面，对于OT，在某个时间点丢失数据会导致故障，因此数据必须在一定的硬实时约束内到达目的地。

有时，工程师通过维护两个独立的网络来解决这个问题——一个用于 OT 流量，另一个用于 IT 基础设施。 TSN（时间敏感网络）是一套建立在标准以太网之上的标准，允许 OT 和 IT 流量共享同一个网络，尊重每个域的个性化需求。 TSN 通过减少网络延迟和端点之间的延迟，为以太网增加了确定性，确保单个数据包可以按时到达目的地。

TSN 标准

如前所述，TSN 是一套位于以太网之上的标准。每个标准都描述了不同的功能，系统设计人员可以选择组合标准，以更符合他们的要求来定制网络。下表概述了 TSN 标准（本文讨论了 802.1AS、802.1CB 和 802.1Qbv）：

图 1. 一些 TSN 标准具有工业用例。

使用 802.1AS 对时间敏感的应用程序进行计时和同步

TSN 标准起源于精确时间协议（PTP、IEEE1588®）。 PTP 背后的主要思想是同步网络中分布式机器的时钟。 PTP使用时钟分布树，通常还有一个grandmaster，它是所有时序的来源。这位大师从高精度源接收时间 - 例如，高精度 GPS 时钟。网络内的从节点以点对点的方式将其本地时间与主节点的时间同步。

PTP 是 TSN 标准的基础，gPTP 是 802.1AS 标准的一部分。 PTP 和 gPTP 共享许多通用术语，但也有一些关键差异。其中一个区别是 PTP 位于 OSI 层模型的传输层，因此它允许许多不同的底层传输方法。下图总结了 gPTP 和 PTP 之间的其他差异。 gPTP 的较新版本恢复了使用一步时间戳的能力。最后，gPTP 需要点对点延迟机制，并期望所有设备都同步，这意味着它们具有标准的频率基础并且所有时钟都以相同的速率运行。

图 2. PTP 和 gPTP 之间的差异。

工程师可以采用 802.1AS 标准来同步机器中或整个工业网络中的任务。本文稍后介绍一个利用802.1AS的同步电机控制实例。

使用 802.1CB 创建冗余网络

802.1CB 标准允许系统设计人员通过网络创建冗余通信流。典型应用是在具有多个设备的环形拓扑网络中。设备之间的通信被复制并在环上的每个方向上发送。如果环中的任何一点中断，所有设备仍然能够相互通信而不会丢失数据包，并且不会因重传算法而导致任何延迟。

图 3。 具有消息冗余的环形拓扑图。

每当一个设备（说话者）想要与环中的另一个设备（听者）通信时，它就会向不同的方向发送重复的消息。此功能在硬件中实现，以便启用 TSN 的交换机复制数据包并插入一个冗余标签，该标签包括一个标识复制流的标头，并包括一个序列 ID，以允许接收器丢弃它接收到的重复项。侦听器中支持 TSN 的硬件从环上的两个方向接收数据包并检测第一个唯一数据包。然后它会自动丢弃任何稍后到达的使用相同序列 ID 的重复数据包。

将这些任务卸载到支持 TSN 的硬件上可以简化软件开发，因为它不需要复杂的重传算法。

要使用 802.1CB，系统设计人员必须确定要通过支持 TSN 的交换机复制哪些流量流。存在几种不同的方法，但在每个方法的核心，网络交换机复制与预定模式匹配的消息（例如，所有消息都发送到具有特定 MAC 地址的设备）。

使用 802.1Qbv 在单个网络上结合 OT 和 IT 流量

802.1Qbv 标准使用时间感知整形器，该整形器在以太网交换机的传出端口（传出端口）或 SoC 内的独立以太网控制器上实施。时间感知整形器确定流量何时可以到达线路。该标准为不同的流量流定义了八个队列，软件使用门控制列表配置这些队列。

图 4。 802.1Qbv 调度的示意图示例。时间表包含两个独立的时间区域（灰色和蓝色），分别传输 OT 和 IT 数据。

闸机控制列表设置闸机打开以排出队列中的流量的时间表。这些列表是通用的，允许同时打开或关闭多个门。还可以为计划中的每个步骤设置唯一的时间间隔。

设备上运行的每个软件应用程序将流量分配到不同的队列，具体取决于该应用程序的优先级或它正在传输的数据。映射可以通过协议、目标端口和某些流量类型（例如，UDP 上的 PTP）发生。网络上的所有设备都进行同步和管理，确保关键数据流不会在网络上发生冲突，并满足其实时性要求。

TSN 硬件还会在每个时隙之前自动实施保护带。这确保了大数据包的传输不会在门转换之前开始。否则，低优先级的数据包传输可能会运行在更高优先级的时隙上。硬件在传输前检查每个数据包，如果在当前时隙内不能完成一个数据包，硬件将保持它直到该流量类别的下一个时隙可用。

时间敏感网络的软件支持

NXP 提供了多种软件工具，用于利用 Layerscape® LS1028A 和其他微处理器中的 TSN 功能。

开源软件

对于那些喜欢开源开发平台的人，恩智浦提供 tsntool 来配置 LS1028A 中的所有 TSN 功能，或者，开发人员可以使用 tc 命令，它是 Linux iproute2 实用程序套件的一部分。 Tc 可以配置时间感知整形器并将应用程序流量引导到不同的流量队列。 ptp4l 包支持 gPTP。

音频视频桥接 (AVB) 和时间敏感网络 (TSN) 堆栈

恩智浦还提供可在微处理器和微控制器上运行的便携式 AVB/TSN 堆栈，为需要在可扩展平台集上部署 TSN 的开发人员提供了一个选择。

上面的 802.1Qbv 讨论提到了 Layerscape LS1028A 软件开发套件 (SDK) 作为将门控制列表上传到支持 TSN 的以太网控制器的一种方式。 LS1028A 是一款基于两个 Arm® Cortex®-A72 内核的应用处理器，通常运行 Linux® 操作系统或不同的高级操作系统或实时操作系统。

LS1028A 包括一个支持 TSN 的以太网控制器以及一个支持 TSN 的集成网络交换机。此外，LS1028A 应用处理器支持各种安全功能，例如加密引擎和信任架构。此外，该设备还通过 DisplayPort (DP) 集成了 3D 图形加速和显示器支持。

LS1028A 可以运行专门用于工业用例的开放式工业 Linux。这使设备能够在实时环境中运行并运行低延迟处理（使用 xenomai Linux）。此外，该设备可以在一个内核和 Linux 上执行裸机代码，例如，在另一个内核上。

此外，恩智浦为 TSN 提供开源支持以及配置它的工具。在开放的工业 Linux 中，恩智浦为 PTP 提供开源驱动程序支持。这些驱动程序允许用户控制 PTP 硬件时钟和时间戳。

即将推出的同步电机控制示例的一部分利用了商用 NXP AVB 堆栈，这是一些所讨论标准的早期迭代。 NXP 将在未来添加 TSN 支持。

作为 Layerscape LS1028A 的替代品，i.MX RT1170 跨界 MCU 是另一款支持 TSN 的 NXP 设备。这款双核跨界 MCU 具有运行频率高达 1 GHz 的 Cortex-M7 内核以及时钟频率为 400 MHz 的嵌入式 Arm Cortex-M4 内核。

这款跨界 MCU 将许多典型的 MPU IO 与高性能微控制器内核、显示功能、高级安全性相结合，并具有支持 TSN 的以太网控制器。

实际示例：使用 TSN 进行同步电机控制

在下面的实际例子中，两个电机有一个塑料盘，上面连接着切出的槽，它们必须同步工作，这样盘才不会相互碰撞。为了实现这一点，i.MX RT1170 MCU 通过使用其支持 802.1AS 的以太网控制器来执行协调整个系统的任务。

图 5。 同步电机控制示例的高级概述。 i.MX RT1170 MCU 确保电机同步运行，LS1028A 供电的网桥确保时间关键数据在不同的时间范围内传输。

电机连接到单独的控制器，从主协调器接收数据包。该数据告诉电机何时移动。

网桥在组件之间转发流量。在本例中，网桥使用 Layerscape LS1028A 应用处理器。这些设备能够使用 TSN 802.1Qbv 标准组合 OT 和 IT 流量。通过这种方法，与 IT 数据相比，电机控制数据在不同的时间范围内传输，IT 数据在本例中是随机生成的数据。

如前所述，可以结合 TSN 标准来满足特定应用程序的要求。这个例子正好说明了这一点。主控制器使用 802.1AS 建立同步时基，而交换机实施 802.1Qbv 来调整网络流量，以确保在给定的限制内传输时间关键数据。这确保了电机可以同步并尽可能快地运行。

共享连接的时间敏感网络

IT 和 OT 数据有相互冲突的要求——IT 流量通常包含比 OT 流量更多的数据，并且尽力而为的通信通常就足够了。另一方面，OT 流量对时间至关重要。通常，严格的时序、延迟和延迟约束适用。借助 TSN，系统设计人员可以使用以太网在共享连接上传输 IT 和 OT 数据。

802.1AS 以纳秒内的精度同步网络中的多个设备。许多 Layerscape、i.MX 和 i.MX RT 跨界 MCU 都提供此功能，并且可以随时使用开源和统包商业软件来支持 TSN。

使用 802.1CB，系统设计人员可以通过向以太网网络添加冗余来为其系统引入容错功能。使用支持 TSN 的硬件，冗余功能被卸载到硬件。这样做可以减少应用软件的开销。此功能在 Layerscape LS1028A 上可用，并且开源软件和驱动程序也可用。

802.1Qbv 为标准以太网网络引入了时间感知整形。它为时间敏感的以太网流量流提供低延迟和低抖动传输，并为特定应用程序保留带宽。 OT 和 IT 流量共享一个网络。此功能也适用于多个 NXP 处理器，并且提供开源和交钥匙商业软件。

如电机控制示例所示，可以组合不同的标准来满足特定应用的需求。

恩智浦的社区页面提供了大量关于恩智浦处理器的论坛、示例、应用说明和其他信息，这些信息可以支持时间敏感的网络以实现共享数据连接。

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