时间敏感网络的基本原理

在可预见性和时间敏感性方面，不同的技术领域都有自己独特的需求，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，必须考虑到低延迟和减少的时间延迟。幸运的是，有一种方法可以解决这个问题——时间敏感网络(TSN)。TSN位于标准以太网之上，并定义了一组标准，使系统设计人员能够使用以太网网络在共享连接上传输IT和OT数据。

在本文中，了解对时间敏感的网络的好处，以及工程师如何使用它来确保工业系统为未来做好准备。本文主要关注TSN标准集中的三个成员，详细解释了它们，并提到了一些将对时间敏感的网络特性集成到其硬件中的设备。

什么是时间敏感的网络？

在具有许多设备的分布式系统中，例如现代工厂车间，连接的设备对于与网络中的其他组件通信可能有非常不同的需求和潜在的冲突目标。看待传输数据的一种方式是在信息技术(it)和操作技术(OT)领域的背景下看待它。

操作技术通信，如机器控制数据和传感器值，通常要求网络的行为是可预测的。这个领域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等数据。在这里，时间限制不是最重要的，通信通常是最好的努力。

虽然IT通信通常需要更多带宽，但数据不需要在给定的时间内到达目的地。相反，通常重要的是总体吞吐量。另一方面，对于OT来说，在某个时间点丢失数据可能会导致故障，因此数据必须在一定的硬实时约束下到达目的地。

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通信，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通信共享相同的网络，尊重每个域的单独需求。TSN通过减少网络延迟和降低端点之间的延迟，为以太网增加了确定性，确保各个数据包能够按时到达目的地。

听的标准

如上所述，TSN是一组坐在以太网顶部的标准。每个标准描述了不同的功能，系统设计人员可以选择将标准组合以更适合其要求来定制网络。下表概述了TSN标准（本文讨论了802.1AS，802.1CB和802.1QBV）：

图1所示。一些TSN标准有工业用例。

使用802.1AS的时间敏感应用程序的定时和同步

TSN标准起源于精密时间协议(PTP, IEEE1588®)。PTP背后的主要思想是同步网络内分布式机器的时钟。PTP利用一个时钟分布树，通常还有一个“大师”，它是所有时间的来源。这个大师从一个高精度的源接收时间——例如，一个高精度的GPS时钟。网络中的从节点以点对点的方式将它们的本地时间与主节点的时间同步。

PTP是TSN标准的基础，而gPTP是802.1AS标准的一部分。PTP和gPTP有许多共同的术语，但也有一些关键的区别。其中一个区别是PTP位于OSI层模型的传输层上，因此它允许许多不同的底层传输方法。下面的图表总结了gPTP和PTP之间的其他差异。gPTP的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，并期望所有设备同步，这意味着它们有一个标准的频率基，所有的时钟都以相同的速率运行。

图2。PTP和gPTP的区别。

工程师可以采用802.1AS标准来在机器中或在工业网络上同步任务。本文稍后引入了使用802.1as的同步电动机控制示例。

创建802.1CB冗余网络

802.1CB标准允许系统设计者在网络上创建冗余通信流。典型的应用是在具有多个设备的环形拓扑网络中。设备之间的通信在环上的每个方向被复制和发送。如果在环的任何一点上有一个中断，所有的设备仍然能够在没有丢失数据包的情况下与其他设备通信，并且不会因重传算法而产生任何延迟。

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(监听者)通信时，它就会向不同的方向发送重复的消息。此特性在硬件中实现，使启用TSN的交换机复制数据包并插入一个冗余标签，该冗余标签包括一个识别复制流的头，以及一个序列ID，以允许接收方丢弃接收到的重复数据。侦听器中具有tsn能力的硬件从环上的两个方向接收数据包，并检测第一个唯一的数据包。然后，它会自动丢弃随后到达的使用相同序列ID的重复数据包。

将这些任务转移到具备TSN能力的硬件上可以简化软件开发，因为它无需复杂的重传算法。

为了使用802.1CB，系统设计人员必须确定要通过支持TSN的交换机复制什么流量流。有几种不同的方法存在，但是在每一种方法的核心，网络交换机复制符合预定模式的消息(例如，所有的消息到具有特定MAC地址的设备)。

使用802.1Qbv在单一网络上结合OT和IT业务

802.1Qbv标准利用时间感知整形器，它在一个SoC内的一个以太网交换机或独立以太网控制器的出口端口(出口端口)上实现。时间感知的整形器确定何时通信可以发送到网络。该标准为不同的交通流定义了8个队列，并使用门控制列表对这些队列进行软件配置。

图4。802.1Qbv调度的一个示意图示例。时间表包含两个单独的时间区域(灰色和蓝色)，分别传输OT和IT数据。

栅极控制列表设置栅极打开以将流量排出队列的时间表。这些列表是多功能的，允许多个门同时打开或关闭。还可以通过计划设置每个步骤的唯一时间间隔。

运行在设备上的每个软件应用程序将流量分配给不同的队列，这取决于该应用程序的优先级或它正在传输的数据。这种映射可以通过协议、目的端口和某些流量类型(例如，基于UDP的点对点)进行。网络上的所有设备都是同步和管理的，以确保关键数据流不会在网络上发生碰撞，并满足它们的实时需求。

TSN硬件也在每个时隙之前自动执行一个保护带。这确保了大数据包的传输不会在门转换之前立即开始。否则，低优先级数据包传输可能会在高优先级时隙上运行。硬件在传输前检查每个包，如果它不能在当前时隙中完成一个包，硬件将保存它，直到这个流量类的下一个时隙可用。

时间敏感网络的软件启用

NXP提供了几种用于利用Layerscape®LS1028A和其他微处理器中的TSN功能的软件工具。

开源软件

对于那些喜欢开源开发平台的人，NXP提供了tsntool来配置LS1028A中的所有TSN特性，或者，开发者可以使用tc命令，这是Linux iproute2实用工具套件的一部分。Tc可以配置时间感知整形器，引导应用流量进入不同的流量队列。通过ptp4l包支持gPTP。

音频视频桥接（AVB）和时间敏感的网络（TSN）堆叠

恩智浦还提供了可移植的AVB/TSN堆栈，可以在微处理器和微控制器上运行，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。

上面关于802.1Qbv的讨论提到了Layerscape LS1028A软件开发工具包(SDK)，它是将门控制列表上传到支持tsn的以太网控制器的一种方法。LS1028A是基于两个Arm®Cortex®-A72内核的应用处理器，这两个内核通常运行Linux®OS或不同的高级操作系统或实时操作系统。

LS1028A包括支持TSN的以太网控制器和支持TSN的集成网络交换机。此外，LS1028A应用程序处理器支持各种安全特性，如加密引擎和信任体系结构。此外，该设备还通过DisplayPort (DP)支持3D图形加速和监视器。

LS1028A可以运行专门用于工业用例的open industrial Linux。这使设备能够在实时环境中工作并运行低延迟处理(使用xenomai Linux)。此外，该设备可以在一个内核上执行裸金属代码，而在另一个内核上执行Linux。

此外，恩智浦还提供TSN的开源支持以及配置工具。在开放工业Linux中，恩智浦为PTP提供开源驱动支持。这些驱动程序允许用户控制点对点硬件时钟和时间戳。

即将到来的同步电机控制示例的一部分使用了NXP商用AVB堆栈，这是讨论的一些标准的早期迭代。恩智浦将在未来增加对TSN的支持。

作为Layerscape LS1028A的替代，i.MX RT1170交叉MCU是NXP另一款支持TSN的设备。这款双核交叉MCU具有Cortex-M7内核，能够运行高达1 GHz，以及一个嵌入式Arm Cortex-M4内核，时钟为400mhz。

这个交叉MCU对许多典型的MPU IOs与高性能微控制器核心，显示能力，高级安全性，并具有tsn启用以太网控制器。

一个实用的例子：带TSN的同步电机控制

在以下实际示例中，两个电机具有塑料磁盘，带插槽连接到它们，这必须同步地一起工作，使得磁盘不会彼此崩溃。为实现这一点，i.MXRT1170 MCU通过采用其802.1AS的以太网控制器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确保电机的同步运行，ls1028a供电的网桥确保时间关键数据在不同的时间帧中传输。

电机连接到从主协调器接收数据包的单独控制器。该数据告诉电机何时移动。

网络桥将组件之间的通信转发出去。在本例中，桥使用Layerscape LS1028A应用程序处理器。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(在本例中是随机生成的数据)相比，电机控制数据在不同的时间帧内传输。

如前所述，可以结合TSN标准来满足特定应用程序的需求。这个例子恰恰说明了这一点。主控制器使用802.1AS建立一个同步的时基，而交换机实现802.1Qbv来形成网络流量，以确保在给定的约束条件下，时间关键的数据得到传输。这确保了电机可以同步和尽可能快地运行。

共享连接的时间敏感网络

IT和OT数据有相互冲突的需求——IT流量通常比OT流量包含更多的数据，并且最好的通信通常就足够了。另一方面，加班的时间很紧迫。通常，应用严格的定时、延迟和延迟约束。通过TSN，系统设计者可以使用以太网在共享连接上传输它和OT数据。

802.1AS以纳秒以内的精度同步网络中的多个设备。这个特性在许多Layerscape、i.MX和i.MX RT交叉mcu上都可以使用，并且可以随时使用开源和交钥匙商业软件来支持TSN。

有了802.1CB，系统设计者可以通过给以太网添加冗余来引入系统容错。对于支持TSN的硬件，冗余特性被转移到硬件上。这样做可以减少应用软件的开销。该特性在Layerscape LS1028A上可用，同时也提供开源软件和驱动程序。

802.1QBV将时间感知整形引入标准以太网网络。它为时间敏感以太网流量流提供低延迟和低抖动传输，并且它为特定应用程序保留带宽。OT和IT流量共享一个网络。此功能也可在几种NXP处理器上提供，可提供开源和交钥匙商业软件。

如电机控制示例所示，不同的标准可以结合起来以适应特定应用的需要。

NXP的社区页面提供了大量关于NXP处理器的论坛、示例yabo sports、应用笔记和其他信息，可以启用时间敏感网络，允许共享数据连接。

行业文章是一种内容的形式，允许行业合作伙伴分享有用的新闻，消息和技术，所有关于电路读者的行为编辑内容并不适合。yaboPP电子所有行业文章都受到严格的编辑准则，目的是提供读者有用的新闻，技术专业知识或故事。在行业文章中表达的观点和意见是合作伙伴的观点，不一定是关于电路或其作家的所有人。yaboPP电子