前 言

1 TSN簡(jiǎn)介

2 時(shí)鐘同步機(jī)制

3 時(shí)間感知整形器機(jī)制

4 搶占式MAC機(jī)制

5 時(shí)間敏感流轉(zhuǎn)發(fā)與排隊(duì)機(jī)制

前 言

本指導(dǎo)文檔適用開發(fā)環(huán)境：

Windows開發(fā)環(huán)境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

Linux開發(fā)環(huán)境：Ubuntu18.04.4

虛擬機(jī)：VMware15.5.5

Linux Processor SDK：ti-processor-sdk-linux-rt-am64xx-evm-08.01.00.39

U-Boot：U-Boot-2021.01

Kernel：Linux-5.10.65

本文檔主要演示TSN（時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)）的通信測(cè)試。案例位于產(chǎn)品資料“4-軟件資料\Demo\base-demos\tsn_test\”目錄下。

進(jìn)行本文檔操作前，請(qǐng)先按照《調(diào)試工具安裝》文檔安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)、SecureCRT串口調(diào)試終端等相關(guān)軟件。默認(rèn)使用USB TO UART0作為調(diào)試串口。

評(píng)估板簡(jiǎn)介

創(chuàng)龍科技TL62x-EVM是一款基于TI Sitara系列AM62x單/雙/四核ARM Cortex-A53 + 單核ARM Cortex-M4F異構(gòu)多核處理器設(shè)計(jì)的高性能低功耗工業(yè)評(píng)估板，由核心板和評(píng)估底板組成。處理器ARM Cortex-A53(64-bit)主處理單元主頻高達(dá)1.4GHz，ARM Cortex-M4F實(shí)時(shí)處理單元主頻高達(dá)400MHz，采用16nm最新工藝，具有可與FPGA高速通信的GPMC并口，同時(shí)支持雙屏異顯、3D圖形加速器。核心板經(jīng)過(guò)專業(yè)的PCB Layout和高低溫測(cè)試驗(yàn)證，穩(wěn)定可靠，可滿足各種工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。

評(píng)估板接口資源豐富，引出3x Ethernet（兩路支持TSN）、3x CAN-FD、9x UART、多路DI/DO、GPMC、USB、MIPI、LVDS LCD、TFT LCD、HDMI等接口，板載WIFI模塊，支持4G模塊，可選配外殼直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，方便用戶快速進(jìn)行產(chǎn)品方案評(píng)估與技術(shù)預(yù)研。

評(píng)估板正面圖

TSN簡(jiǎn)介

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN：Time Sensitive Networking)是IEEE802.1工作組中的TSN任務(wù)組開發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保以太網(wǎng)能夠?yàn)殛P(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)定一致的服務(wù)級(jí)別。

TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)起源于音視頻行業(yè)，用于滿足廣播、直播、現(xiàn)場(chǎng)等公共媒體的高清視頻及音頻數(shù)據(jù)高實(shí)時(shí)、同步傳輸?shù)母邘捑W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，同時(shí)旨在用以太網(wǎng)取代家庭中的高清多媒體接口(HDMI)、揚(yáng)聲器和同軸電纜。雖然AVB任務(wù)組的研究成果沒(méi)有廣泛應(yīng)用于家庭娛樂(lè)設(shè)備，但已經(jīng)在工作室、體育和娛樂(lè)等場(chǎng)所得到推廣。這一成功吸引了汽車界和工業(yè)界的關(guān)注。在汽車領(lǐng)域中，隨著車載以太網(wǎng)在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)方面的需求日益增加，而傳統(tǒng)以太網(wǎng)的高延時(shí)及其不確定是無(wú)法滿足無(wú)人駕駛或智能駕駛的車載音視頻同步、安全和車聯(lián)網(wǎng)交互等需求，因此極低延時(shí)的高帶寬以太網(wǎng)傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。透過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的TSN架構(gòu)由于能夠增加產(chǎn)品的差異化、改善駕駛員的行車體驗(yàn)。

TSN是一組IEEE 802.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括802.1AS-Rev、802.1Qbv、802.1Qbu、802.1CB等多個(gè)協(xié)議，工作在OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層—數(shù)據(jù)鏈路層。

圖 1

TSN是目前國(guó)際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動(dòng)的全新工業(yè)通信技術(shù)。時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，使得標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，并通過(guò)廠商獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，已成為廣泛聚焦的關(guān)鍵技術(shù)。

TSN主要價(jià)值特點(diǎn)：

1. TSN提供微秒級(jí)確定性服務(wù)，保證各行業(yè)的實(shí)時(shí)性需求。

TSN可達(dá)到10us級(jí)的周期傳輸，性能優(yōu)于主流的工業(yè)以太網(wǎng)。并且，TSN面向音視頻、工業(yè)、汽車等多種行業(yè)，將實(shí)時(shí)性延伸至更高的層次。

1. TSN降低整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸。

以工業(yè)為例，當(dāng)前周期性控制數(shù)據(jù)使用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸，非周期性數(shù)據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸。TSN通過(guò)其調(diào)度機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了整個(gè)通信中的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。

1. TSN統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸，提高經(jīng)濟(jì)性。

TSN能夠幫助實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)(IT)與運(yùn)營(yíng)技術(shù)(OT)融合，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)能夠減少開發(fā)部署成本，降低控制器等產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)配置所需的工程時(shí)間。

參考鏈接：http://iiot./20/0218/09/20200218092258.htm。

時(shí)鐘同步機(jī)制

TSN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：Timing over packet (802.1AS-2011,IEEE1588,gPTP) with linuxptp (ptp4l)

簡(jiǎn)介

TSN標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.1AS[10]和為工業(yè)所開發(fā)的升級(jí)版IEEE 802.1AS-rev[11]構(gòu)成。

IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時(shí)鐘同步協(xié)議發(fā)展的，稱為：gPTP——廣義時(shí)鐘同步協(xié)議。gPTP是一個(gè)分布式主從結(jié)構(gòu)，它對(duì)所有g(shù)PTP網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘與主時(shí)鐘進(jìn)行同步。

首先由最佳主時(shí)鐘算法(best clock master algrothms,BCMA)建立主次關(guān)系，分別稱為主時(shí)鐘(clock master,CM)和從時(shí)鐘(clock slave,CS)。每個(gè)gPTP節(jié)點(diǎn)會(huì)運(yùn)行一個(gè)gPTP Engine。

IEEE1588所采用的PTP是由網(wǎng)絡(luò)的L3和L4層的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過(guò)IPv4或IPv6的多播或單播進(jìn)行分發(fā)時(shí)鐘信息。而gPTP則是嵌入在MAC層硬件中，僅在L2工作，直接對(duì)數(shù)據(jù)幀插入時(shí)間信息，并隨著數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖 2 IEEE802.1AS的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

案例測(cè)試

本小節(jié)主要演示TI AM64x基于TSN的時(shí)鐘同步機(jī)制進(jìn)行PTP（高精度時(shí)間同步協(xié)議）對(duì)時(shí)測(cè)試。

評(píng)估板配備5個(gè)千兆網(wǎng)口，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡名字如下所示：

表 1

請(qǐng)準(zhǔn)備2個(gè)TL64x-EVM評(píng)估板，2個(gè)評(píng)估板上電啟動(dòng)，請(qǐng)將案例"ptp\bin\"目錄下可執(zhí)行文件ppstest、testptp文件分別拷貝至2個(gè)評(píng)估板文件系統(tǒng)任意目錄下。2個(gè)評(píng)估板分別在可執(zhí)行執(zhí)行所在目錄下，執(zhí)行如下命令，使能PTP，并測(cè)試當(dāng)前評(píng)估板計(jì)時(shí)是否準(zhǔn)確，按"Ctrl + C"停止測(cè)試。

Target# ./testptp -d /dev/ptp0 -P 1 //使能PTP

Target# ./ppstest /dev/pps0 //測(cè)試計(jì)時(shí)是否準(zhǔn)確

圖 3

基于CPSW網(wǎng)口測(cè)試

請(qǐng)使用網(wǎng)線將2個(gè)評(píng)估板的ETH1網(wǎng)口互聯(lián)。評(píng)估板1的ETH1網(wǎng)口作為Master，評(píng)估板2的ETH1網(wǎng)口作為Slave。

進(jìn)入評(píng)估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，查看ETH1網(wǎng)口PTP編號(hào)。

Target# ethtool -T eth0

圖 4

從上圖打印信息可知，ETH1的PTP編號(hào)為0。

進(jìn)入評(píng)估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試。

Target# ptp4l -E -2 -H -i eth0 -l 7 -m -q -p /dev/ptp0

圖 5

圖 6

圖 7

進(jìn)入評(píng)估板2文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令創(chuàng)建ptp.cfg配置文件，配置超時(shí)參數(shù)為600。

Target# vi ptp.cfg

Target# cat ptp.cfg

添加如下內(nèi)容：

[global]

tx_timestamp_timeout 600

圖 8

進(jìn)入評(píng)估板2文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試。

Target# ptp4l -E -2 -H -i eth0 -s -l 6 -m -q -p /dev/ptp0 -f ptp.cfg

圖 9

由上圖可知，path delay約為536ns，即PTP對(duì)時(shí)功能正常。

基于PRG網(wǎng)口測(cè)試

請(qǐng)使用網(wǎng)線將2個(gè)評(píng)估板的ETH3網(wǎng)口互聯(lián)。評(píng)估板1的ETH3網(wǎng)口作為Master，評(píng)估板2的ETH3網(wǎng)口作為Slave。

進(jìn)入評(píng)估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，查看ETH3網(wǎng)口PTP編號(hào)。

Target# ethtool -T eth2

圖 10

從上圖可知，ETH3的PTP編號(hào)為3。

進(jìn)入評(píng)估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試。

Target# ptp4l -E -2 -H -i eth2 -l 7 -m -q -p /dev/ptp3

圖 11

圖 12

圖 13

進(jìn)入評(píng)估板2文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令創(chuàng)建ptp.cfg配置文件，配置超時(shí)參數(shù)為600。

Target# vi ptp.cfg

Target# cat ptp.cfg

添加如下內(nèi)容：

[global]

tx_timestamp_timeout 600

圖 14

進(jìn)入評(píng)估板2文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試。

Target# ptp4l -E -2 -H -i eth2 -s -l 6 -m -q -p /dev/ptp3 -f ptp.cfg

圖 15

由上圖可知，path delay約為455ns，即PTP對(duì)時(shí)功能正常。。

案例編譯

請(qǐng)將產(chǎn)品資料“4-軟件資料\Demo\base-demos\tsn_test\ptp\src”目錄下源碼拷貝至Ubuntu工作目錄。

在源碼目錄下，執(zhí)行如下命令編譯testptp.c，編譯完成后將會(huì)在當(dāng)前目錄下生成ppstest可執(zhí)行程序。

Host# aarch64-none-linux-gnu-gcc -Wall testptp.c -o testptp

圖 16

執(zhí)行如下命令，將pps-tools.tar.gz壓縮包解壓至當(dāng)前目錄，并進(jìn)入解壓后的目錄進(jìn)行編譯，編譯完成將在當(dāng)前目錄下生成ppstest可執(zhí)行程序。

Host# tar -zxf pps-tools.tar.gz -C .

Host# cd pps-tools/

Host# make CC=aarch64-none-linux-gnu-gcc

圖 17

時(shí)間感知整形器機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：Time aware shaper (EST,802.1Qbv) with Linux packet scheduler (tc qdisc)

簡(jiǎn)介

時(shí)間感知整形器(Time Awareness Shaper,TAS)是為了更低的時(shí)間粒度、更為嚴(yán)苛的工業(yè)控制類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的調(diào)度機(jī)制，目前被工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的企業(yè)所采用。

TAS由IEEE 802.1Qbv定義，是基于預(yù)先設(shè)定的周期性門控制列表，動(dòng)態(tài)地為出口隊(duì)列提供開/關(guān)控制的機(jī)制。Qbv定義了一個(gè)時(shí)間窗口，是一個(gè)時(shí)間觸發(fā)型網(wǎng)絡(luò)(Time-trigged)。窗口在此機(jī)制中是被預(yù)先確定的。門控制列表被周期性的掃描，并按預(yù)先定義的次序?yàn)椴煌年?duì)列開放傳輸端口。

出口硬件有8個(gè)軟件隊(duì)列，每個(gè)都有唯一的傳輸選擇算法。傳輸由門控制列表(gate control list,GCL)控制。它是多個(gè)門控制實(shí)體確定軟件的隊(duì)列開放。

圖 18 TAS的工作原理

在TAS機(jī)制中，為了確保數(shù)據(jù)傳輸前網(wǎng)絡(luò)是空閑的，在整個(gè)啟動(dòng)傳輸前需設(shè)置一個(gè)保護(hù)帶寬(Guardband)。Guardband占用最大的以太網(wǎng)幀傳輸長(zhǎng)度，以確保最差情況—即使前面有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀正在傳輸，也不會(huì)讓GCL在重啟下一個(gè)周期前被占用網(wǎng)絡(luò)。

案例測(cè)試

iperf3工具安裝

請(qǐng)將產(chǎn)品資料“4-軟件資料\Tools\Windows\”目錄下的iperf-3.1.3-win64.zip壓縮包解壓至Windows非中文目錄下，并參考如下方法將配置系統(tǒng)環(huán)境變量。

在Windows右鍵“我的電腦”，選擇“屬性(R) -> 高級(jí)系統(tǒng)設(shè)置”，打開如下系統(tǒng)屬性界面。

圖 19

圖 20

圖 21

點(diǎn)擊“環(huán)境變量(N)…”，打開如下界面。雙擊點(diǎn)擊“系統(tǒng)變量(S)”的PATH，添加iperf3實(shí)際路徑。

圖 22

打開CMD命令行終端執(zhí)行如下命令，驗(yàn)證iperf3的環(huán)境變量是否配置成功，如下圖所示。

CMD# iperf3 -h

圖 23

基于CPSW網(wǎng)口測(cè)試

請(qǐng)使用網(wǎng)線將評(píng)估板的ETH1網(wǎng)口與PC機(jī)網(wǎng)口直連。

備注：暫不支持PRG網(wǎng)口。

請(qǐng)將PC機(jī)配置為靜態(tài)IP，其中IP地址為：192.168.2.10，子網(wǎng)掩碼為：255.255.255.0，請(qǐng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，如下圖所示。

圖 24

請(qǐng)將案例"est\bin\"目錄下est-init.sh腳本拷貝至評(píng)估板文件系統(tǒng)任意目錄。在腳本文件中已設(shè)置3個(gè)閥門(Q0-Q2)EST調(diào)度器，并且設(shè)置閥門的打開時(shí)間分別為250us、125us和125us，總循環(huán)時(shí)間為500us。調(diào)度器與端口對(duì)應(yīng)關(guān)系，如下表所示。

表 2

進(jìn)入評(píng)估板文件系統(tǒng)，在est-init.sh腳本所在目錄下執(zhí)行如下命令，初始化EST。

Target# ./est-init.sh

圖 25

執(zhí)行如下命令，配置ETH1網(wǎng)口的靜態(tài)IP為：192.168.2.20，與PC機(jī)同一網(wǎng)段，并測(cè)試與PC機(jī)是否通信正常。

Target# ip addr add 192.168.2.20/24 dev eth0

Target# ping 192.168.2.10

圖 26

在PC機(jī)上，在CMD命令行終端執(zhí)行如下命令，運(yùn)行3個(gè)iperf3服務(wù)器進(jìn)程，對(duì)應(yīng)端口分別為5001、5002和5003。

CMD# iperf3.exe -s -i30 -p5001

CMD# iperf3.exe -s -i30 -p5002

CMD# iperf3.exe -s -i30 -p5003

圖 27

圖 28

圖 29

在評(píng)估板文件系統(tǒng)執(zhí)行如下命令，啟動(dòng)3個(gè)iperf3客戶端，并與服務(wù)端進(jìn)行通信測(cè)試。

Target# iperf3 -c 192.168.2.10 -u -b100M -p 5003 -l1472 -t10 -i5& iperf3 -c 192.168.2.10 -u -b100M -p 5002 -l1472 -t10 -i5& iperf3 -c 192.168.2.10 -u -b100M -p 5001 -l1472 -t10 -i5&

圖 30

請(qǐng)雙擊產(chǎn)品資料“4-軟件資料\Tools\Window\”目錄下的Wireshark-win64-3.6.8.exec程序，安裝默認(rèn)步驟安裝即可。

安裝完成后，打開Wireshark工具，如下圖所示。

圖 31

雙擊選擇“以太網(wǎng)”進(jìn)入如下界面，輸入內(nèi)容：ip.host == 192.168.2.20，按下回車鍵，開始抓取客戶端發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。

圖 32

為了便于分析網(wǎng)絡(luò)包的發(fā)送情況，右鍵選擇“設(shè)置/取消設(shè)置 時(shí)間參考”，將對(duì)應(yīng)端口的第一個(gè)數(shù)據(jù)包設(shè)置為時(shí)間參考，如下圖所示。

圖 33

圖 34