基于IEEE802.1Q标准的TSN方案简介

TSN介绍

随着智能制造、工业物联网、大数据的发展，许多工业自动化应用对于延迟和确定性的要求越来越严格。现有的大部分自动化控制解决方案都是基于传统的以太网实现的，各大厂商研发了一些附加的技术机制，从而导致了很多协议都不兼容。如Profinet、Powerlink、EtherCAT、SercOSIII等均无法互相兼容也无法和标准以太网共同进行数据传输。因此实时以太网解决方案市场非常分散，无法支持未来工业网络的发展。时间敏感网络（TSN）迎合了工业以太网的需求，其低延迟、低抖动、高可靠性能，保证了数据的确定性传输和网络复用性。

TSN本身并非是一个全新的技术，IEEE于2002年发布了IEEE1588精确时钟同步协议，而2005年，IEEE802.1成立了IEEE802.1AVB工作组，开始制定基于以太网架构的音频视频传输协议集，用于解决数据在以太网中的实时性、低延时以及流量整形的标准，同时又确保与以太网的兼容性。而AVB又引起了汽车工业、工业领域的技术组织及企业的关注，并成立了TSN工作组，并开发了时钟同步、流量调度、网络配置系列标准集。

TSN是基于IEEE802.1Q标准的VLAN（虚拟局域网），该标准允许在以太网帧增加4个字节用于定义其特征：

   

1）、标签协议识别:网络类型识别，代表这是一个TSN网络，标记0X8100；

2）、优先级代码（Priority Code Point）：3位代码构成三个优先级位，简称PCP；

3）、标志位：对于网络低QoS要求的数据，可以予以丢弃，以确保高优先级数据的QoS；

4）、VLAN Identifier（VID）：VLAN网络的识别号，12位表示可支持的子网数量，2的12次方即4096个子网，VID＝0用于识别帧优先级,4095(FFF)作为预留值，所以VID最多可以表示4094个子网，说明TSN是为了大型的数据传输而设计的。

TSN作为IEEE802.1Q仅指ISO/OSI参考模型的第二层，数据链路层的标准，它与其它实时总线相比有有所差别。下图对比了各种总线在7层网络协议中的位置。

         

TSN协议族包含了时钟同步、流量整形、数据调度、网络配置、应用配置等方面的标准:

       

IEEE着手将以太网全面升级为TSN网，这个过程可能要用20年时间。其应用范围很广，涵盖6个领域，分别是：

a、以太网音视频桥即EAVB，802.1BA标准；

b、5G射频前传FrontHaul，即802.1CM/de标准；

c、工业自动化即IEC/IEEE 60802标准；

d、车载TSN即802.1DG标准；

e、服务供应商Service Provider即802.1DF标准。

其中后3个标准尚未完成。

TSN机制

时钟同步机制

IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精确时钟同步协议发展的，称为gPTP-广义时钟同步协议。gPTP是一个分布式主从结构，它对所有gPTP网络中的时钟与主时钟进行同步。首先由最佳主时钟算法（best clock master algrothms，BCMA）建立主次关系，分别称为主时钟（clock master,CM）和从时钟(clock slave,CS)。

每个gPTP节点会运行一个gPTP Engine。IEEE1588所采用的PTP是由网络的L3和L4层的IP网络传输，通过IPv4或IPv6的多播或单播进行分发时钟信息。而gPTP则是嵌入在MAC层硬件中，只在L2工作，直接对数据帧插入时间信息，并随着数据帧传输到网络每个节点。

而IEEE802.1AS-rev则是一种多主时钟体系，它主要为了确保当有一个GrandMaster宕机时，可以快速切换到一个新的主时钟，以便实现高可用性系统，对于车载系统基于IEEE802.1AS即可，而对于工业则考虑高可用性采用AS-Rev版本。

数据调度机制

TSN 的数据调度是保证时间敏感的基础，它的核心思想是基于不同的整形器来进行不同应用场景的流控制。IEEE 802.1 提供了一系列的标准来确保可靠性的数据传输，其中AMD的数据调度方式是时间感知的整形器(TAS Time Awareness Shaper)，通过门控制列表（GCL）周期性的控制门的开/关，TAS需要从发送方（Talker）到接收方（Listener）中间的所有网桥进行时钟同步，对于网桥中的每个端口，TAS根据已知且商定的时钟表进行开关驱动动作，而数据调度则可以根据每个节点及队列的优先级进行定义，在IEEE802.1Qbv的实现中，那些需要实时传输的数据流通常被第一个安排进行传输，需要在时间调度配置时预先予以确定，而与此同时，还需要为非周期性的数据预留一个通道。

其他机制

除此之外，TSN还包括IEEE 802.1Qci(包过滤，可以防止ARP攻击等) IEEE 802.1CB(帧复制和消除，冗余系统) IEEE 802.1Qcc(网络管理配置) IEEE 802.1Qbu(帧抢占策略)等标准。

AMD TSN-IP简介

LogiCORE100M/1GTSN Subsystem IP在Zynq-7000和MPSoC系列SoC上实现了TSN标准，提供了双口桥接低延迟端点或者单端点的方案，外部可以通过RGMII/GMII连接到PHY，支持100Mb/s和1Gb/s网络。

         

AMD的TSN IP提供了以下标准：

        

从IP所具备的标准可以看出这个IP非常适合工业自动化等领域作为节点使用。

AMD TSN IP可以配置为单口端点模式和双口交换模式：

          

双口交换模式实现方式如下：

          

每个端口都有一个TAS整形器，用来控制内部和每个端口之间的数据流，3-Port Switch是一个3口交换IP，一个口连接内部数据，另外两个通过MAC连接到外部网络，PTP功能则是通过BRAM进入到MAC层中。

在Vivado中也有相应的实现：

        

在PS侧，提供了相应的软件驱动和设备树，保证用户客户可以方便快速的使用TSN IP。

       

目前TSN IP支持Zynq-7000系列和MPSoC系列，IP配置为不同的模式消耗的逻辑资源如下:

   






审核编辑：刘清