本文旨在驗(yàn)證時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）中時(shí)間感知整形器（TAS）的性能，通過(guò)實(shí)施IEEE 802.1Qbv和IEEE 802.1AS-2020標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試用例，確保其在網(wǎng)絡(luò)中的準(zhǔn)確性。我們選用了虹科RELY-TSN12和虹科RELY-10TSN12設(shè)備作為待測(cè)對(duì)象，并利用Calnex公司的Paragon-X與Keysight公司的Novus ONE PLUS測(cè)試臺(tái)進(jìn)行全面評(píng)估。文章將詳細(xì)介紹測(cè)試流程、配置、設(shè)置以及關(guān)鍵的測(cè)試結(jié)果，展示TAS在控制抖動(dòng)和防止窗口違規(guī)方面的實(shí)際表現(xiàn)，為您提供深入了解TSN技術(shù)應(yīng)用的窗口。

圖1 測(cè)試設(shè)置

在某些應(yīng)用和行業(yè)中，確保高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)幀在預(yù)定時(shí)隙內(nèi)準(zhǔn)時(shí)傳輸至關(guān)重要。時(shí)間感知整形器（IEEE 802.1Qbv）保障了控制數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)隙內(nèi)的準(zhǔn)時(shí)傳輸，同時(shí)維持了可接受的抖動(dòng)和延遲。本文旨在驗(yàn)證時(shí)間感知整形器的性能，通過(guò)分析結(jié)果來(lái)監(jiān)測(cè)窗口違規(guī)并評(píng)估抖動(dòng)，確保網(wǎng)絡(luò)通信的準(zhǔn)確性和可靠性。

01#

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的最新發(fā)展

以太網(wǎng)在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域的通信應(yīng)用日益增多，其中時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）作為確保通信準(zhǔn)確性的關(guān)鍵技術(shù)，正迅速成為主流。TSN通過(guò)時(shí)間感知整形器（TAS），基于IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的周期性分配，并通過(guò)設(shè)置優(yōu)先級(jí)窗口來(lái)控制數(shù)據(jù)包的傳輸順序。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的精確時(shí)間同步，IEEE 802.1AS-2020同步協(xié)議被引入，保障了納秒級(jí)別的時(shí)間一致性。盡管TSN技術(shù)尚屬新興，但行業(yè)組織如Avnu以及技術(shù)公司虹科SoC-e、Keysight（Novus ONE PLUS）和Calnex（Paragon-X）正在積極開(kāi)發(fā)必要的測(cè)試計(jì)劃和工具，旨在驗(yàn)證TSN設(shè)備的性能、標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性以及不同設(shè)備間的互操作性，從而推動(dòng)這一技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

02#

被測(cè)設(shè)備平臺(tái)

虹科TSN交換機(jī)架構(gòu)如圖2所示，其核心功能包括Rx接口端口接收的幀從電信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以及交換矩陣引擎基于MAC地址表和VLAN配置進(jìn)行幀路由。出口數(shù)據(jù)包處理模塊依據(jù)IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸出緩沖區(qū)的幀進(jìn)行排序，確保它們?cè)陬A(yù)定時(shí)間窗口內(nèi)正確轉(zhuǎn)發(fā)。該模塊與1588計(jì)時(shí)器（IEEE 802.1AS-2020）同步，保障了Tx端口的精確時(shí)隙轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 虹科IP Core架構(gòu)

虹科SoC-e平臺(tái)采用AMD Xilinx Ultrascale＋MPSoC系統(tǒng)，其中處理系統(tǒng)（PS）負(fù)責(zé)軟件處理，而可編程邏輯（PL）基于FPGA實(shí)現(xiàn)交換和TSN功能。

PS通過(guò)虹科SoC-e的定制Linux發(fā)行版進(jìn)行配置，該系統(tǒng)內(nèi)嵌了設(shè)置交換和TSN功能所需的命令，并通過(guò)內(nèi)部端口與PL系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)PL寄存器的配置。圖3展示了完整的虹科RELY-TSN-BRIDGE＋10TSN12 TSN交換機(jī)架構(gòu)。

圖3 虹科RELY-TSN12

本次測(cè)試選用了兩款設(shè)備：基于MTSN IP核的虹科RELY-TSN12（1Gbps）和基于TSN TGES IP核的虹科RELY-10TSN12（10Gbps），以評(píng)估不同速度下的TSN性能。

03#

測(cè)試設(shè)備配置

交換機(jī)配置可通過(guò)CLI、Netconf或Web界面進(jìn)行，本測(cè)試選擇Netconf來(lái)設(shè)置IEEE 802.1Qbv和VLAN，而IEEE 802.1AS-2020同步協(xié)議則通過(guò)Web界面配置。

IEEE 802.1AS-2020配置

本測(cè)試的主要目的是精確評(píng)估IEEE 802.1Qbv的性能，重點(diǎn)檢查窗口違規(guī)情況和測(cè)量幀的抖動(dòng)。為此，必須確保待測(cè)設(shè)備（DUT）與測(cè)試站之間達(dá)到納秒級(jí)的同步。

我們將使用Paragon-X測(cè)試設(shè)備來(lái)精確計(jì)算DUT的接收（Rx）和發(fā)送（Tx）延遲，并通過(guò)迭代調(diào)整，最小化PPS（脈沖每秒）差異，確保與測(cè)試站的同步。完成這些校準(zhǔn)步驟后，DUT將連接到Novus ONE PLUS測(cè)試站，并配置IEEE 802.1AS-2020協(xié)議。在此配置中，DUT的第一個(gè)端口將作為主端口，第二個(gè)端口作為從端口，同時(shí)配置發(fā)送優(yōu)先級(jí)為7的數(shù)據(jù)包，驗(yàn)證同步協(xié)議的準(zhǔn)確性。

IEEE 802.1Qbv與VLAN配置

我們將使用Netconf協(xié)議對(duì)DUT進(jìn)行IEEE 802.1Qbv和VLAN配置，確保測(cè)試的精確性。測(cè)試將覆蓋100M、1G和10G三種速度，其中虹科RELY-TSN12設(shè)備將用于100M和1G測(cè)試，而虹科RELY-10TSN12設(shè)備將用于所有三種速度的測(cè)試。

統(tǒng)一的VLAN配置將應(yīng)用于所有測(cè)試速度，確保PORT1和PORT2均屬于VLAN2，以此隔離測(cè)試流量，避免網(wǎng)絡(luò)干擾。DUT的端口將設(shè)置為PVID1、PCP0、DEI0，允許所有入站幀（無(wú)論是否帶標(biāo)記）以指定的出站標(biāo)記進(jìn)行中繼。

此外，將為VID2創(chuàng)建專(zhuān)門(mén)的VLAN表項(xiàng)，將PORT1和PORT2納入其中，并從VLAN1中移除，以進(jìn)一步精細(xì)化流量管理，為測(cè)試提供清晰的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)門(mén)用于管理前向出口流量，本測(cè)試案例中將針對(duì)端口2進(jìn)行配置。配置過(guò)程需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)速度進(jìn)行差異化設(shè)置。以下是針對(duì)1Gbps速度下端口2的IEEE 802.1Qbv配置細(xì)節(jié)：

圖4 IEEE 802.1-Qbv配置

配置確保每個(gè)隊(duì)列在每個(gè)周期內(nèi)僅在其分配的時(shí)間段內(nèi)傳輸流量，同時(shí)設(shè)置了緩沖間隔以防止流量超出預(yù)定時(shí)間窗口，確保在此間隔期間不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)流量。

對(duì)于 100M，配置有以下差異：

• Cycle time: 10000000ns
• Base time: 0s and 0ns
• Time intervals changes from 100000ns to 1000000ns and from 25000ns to 250000ns

對(duì)于 10G，配置有以下差異：

Cycletime: 100000ns

Base time: 0s and 0ns

Time intervals changes from 100000ns to 10000ns and from 25000ns to 2500ns

圖5 1G 的 IEEE 802.1Qbv 配置

Novus ONE PLUS測(cè)試站配置

為確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，Novus ONE PLUS測(cè)試站需經(jīng)過(guò)精心配置。本測(cè)試涉及構(gòu)建兩個(gè)具備以太網(wǎng)和精確時(shí)間協(xié)議（PTP，IEEE 802.1AS-2020）功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中拓?fù)?充當(dāng)主設(shè)備，拓?fù)?作為從設(shè)備。關(guān)鍵配置參數(shù)包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）延遲機(jī)制、多播設(shè)置、域編號(hào)0、優(yōu)先級(jí)設(shè)置為128，以及時(shí)鐘類(lèi)別6。

完成IEEE 802.1AS-2020的同步配置后，接下來(lái)將定義八個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的流量流，以模擬和測(cè)試網(wǎng)絡(luò)在不同服務(wù)等級(jí)下的表現(xiàn)。

圖6 Novus ONE PLUS 流量配置

測(cè)試連接設(shè)置

為確保測(cè)試的準(zhǔn)確性，本測(cè)試需完成兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)置：首先，DUT需與Paragon-X設(shè)備相連，通過(guò)端口1對(duì)端口1的直接連接和PPS同步，精確計(jì)算傳輸延遲。

圖7 Paragon-X測(cè)試設(shè)置

其次，在Keysight NovusONE PLUS測(cè)試站上，將進(jìn)行特定的配置以適應(yīng)IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求，確保測(cè)試環(huán)境能夠精確評(píng)估時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的性能。

圖8 IEEE 802.1Qbv Novus ONE PLUS 測(cè)試設(shè)置

04#

測(cè)試結(jié)果分析

預(yù)期結(jié)果

本測(cè)試的核心在于驗(yàn)證IEEE 802.1Qbv的抖動(dòng)控制和窗口合規(guī)性。為確保精確測(cè)量，測(cè)試站(Novus ONE PLUS)與待測(cè)設(shè)備(DUT)之間的同步偏移需控制在特定范圍內(nèi)：1G速度下不超過(guò)100納秒，10G速度下不超過(guò)50納秒，100M速度下不超過(guò)500納秒。Novus ONE PLUS將記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以檢查并確認(rèn)這一偏移量。

取得成果

測(cè)試首先確認(rèn)了DUT與測(cè)試臺(tái)（Novus ONE PLUS和Calnex）之間的同步精度。利用Calnex設(shè)備，我們計(jì)算并記錄了同步誤差，確保了在不同速度下的測(cè)量均在可接受范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，Novus ONE PLUS用于檢查持續(xù)同步的一致性，并確認(rèn)了DUT能夠正確識(shí)別測(cè)試站為主站（GM）。

接下來(lái)，通過(guò)開(kāi)發(fā)的Python腳本，我們檢查了IEEE 802.1Qbv的窗口合規(guī)性。腳本利用Novus ONE PLUS記錄的時(shí)間戳，確保每個(gè)幀都嚴(yán)格在其分配的時(shí)隙內(nèi)到達(dá)。結(jié)果顯示，所有幀均未出現(xiàn)窗口違規(guī)，表明IEEE 802.1Qbv配置正確，抖動(dòng)控制穩(wěn)定。

圖9 IEEE 802.1Qbv結(jié)果

圖10 延遲結(jié)果

圖9和圖10分別展示了不同速度和優(yōu)先級(jí)下的抖動(dòng)結(jié)果和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延遲結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，在所有測(cè)試條件下，系統(tǒng)均表現(xiàn)出良好的性能，抖動(dòng)和延遲均符合預(yù)期。

圖11AS基準(zhǔn)下隊(duì)列門(mén)控窗口

圖12 不良AS同步

最后，為了凸顯IEEE 802.1AS-2020同步協(xié)議的重要性，我們還進(jìn)行了100%幀速率的測(cè)試，人為制造同步失敗的情況。結(jié)果如圖12所示，缺乏同步導(dǎo)致幀在錯(cuò)誤時(shí)隙到達(dá)，引發(fā)窗口違規(guī)，從而證明了精確同步的必要性。

結(jié)語(yǔ)

本次測(cè)試成功驗(yàn)證了虹科RELY-TSN12和虹科RELY-10TSN12設(shè)備的TSN功能，以及正確配置TSN的重要性。測(cè)試結(jié)果證實(shí)了IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv在控制抖動(dòng)和防止窗口違規(guī)方面的有效性。此外，測(cè)試還突出了同步在TSN網(wǎng)絡(luò)中的核心作用。

作為更大TSN測(cè)試計(jì)劃的一部分，本次測(cè)試為進(jìn)一步的IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv測(cè)試奠定了基礎(chǔ)。未來(lái)的工作將繼續(xù)深化對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的理解，并探索它們?cè)诟鼜V泛場(chǎng)景中的應(yīng)用。