【技术分享】探秘TSN：如何让实时网络通信变得既快速又可靠？

原创 ZLG致远电子 2024-04-09 11:43

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TSN，全称Time-Sensitive Networking，中文名称为时间敏感型网络，它是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术，也是下一代网络技术的核心。

TSN技术简介

时间敏感网络（Time-Sensitive Networking，TSN）是在IEEE 802.1标准以太网框架下制定的新一代标准以太网技术, 运行在OSI 模型中的数据链路层，如图1所示，TSN技术源于标准以太网的队列传输机制，网络帧格式也是采用包含VLAN 标签的标准以太网帧格式。

图1 TSN 的IEEE 802.1 框架

在标准层面，IEEE 802.1时间敏感网络工作组发布了一套用于工业和汽车网络的开放实时以太网标准TSN，包括IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qcc、IEEE 802.1AS 等标准，如图2所示，旨在降低布线成本，打破信息孤岛，同时在通信过程中传输不同时间敏感性的数据。

图2 TSN 的协议簇

借助 TSN 技术的优势，可将 TSN 网络交换机（即支持 TSN 技术的交换机）部署到工业互联网网络环境，实现智能制造、5G 融合、无人驾驶等应用，如图3所示。

图3 TSN 在工业互联网的应用

TSN时间同步技术应用实践

当前时间敏感网络技术已经成为包括芯片厂商、通信设备厂商、自动化厂商、相关行业组织以及各类研究机构在内的产业链各个组成环节关注的热点，我司紧跟科技创新发展的新趋势，推出了搭载TSN技术的M62xx-T系列核心板。

图4 M62xx-T系列核心板

M62xx-T系列核心板板载处理器为德州仪器（TI）推出的支持多协议千兆位(Gb)时间敏感网络(TSN)处理器系列。这款高度集成的新型Sitara AM6x处理器可提供工业级可靠性，有四核和双核Arm Cortex-A53两种处理器型号可选：M6234和M6232，可满足工厂自动化、电机驱动和电网基础设施等应用中快速增长的工业4.0需求。

Sitara AM6x处理器通过子系统支持TSN标准和其它工业协议下的千兆位传输速率，可在单一网络上融合以太网和实时数据传输。这一特性对于工业4.0应用中的实时通信至关重要，可在工厂中实现可重新配置软件的网络物理系统。

在通信网络中，许多业务的正常运行都要求网络时间同步。时间同步包括频率和相位两个方面的同步，通过时间同步可以使得整个网络各设备之间的频率和相位差保持在合理的误差范围内。

本文基于M6234-T核心板，对其TSN时间同步功能进行了全方位的测试，测试结果可为用户进行TSN技术选型提供参考。

1. 测试环境

内核版本，如图5所示：

图5 内核版本

ptp4l版本，如图6所示：

图6 ptp4l版本

2. ptp4l命令，如图7所示

图7 ptp4l命令

3. 创建ptp配置文件，文件内容如图8所示

图8 ptp4l配置文件

4. Master侧配置，如图9所示

图9 Master侧配置方法

5. Slave侧配置

图10 ptp测试结果

图10的测试结果说明如下：

Master offset，表示ptp协议中定义的主从端时间差（单位：ns）；
s0、s1、s2，指示器显示时钟伺服的不同状态：s0 表示已解锁，s1 表示时钟步进，s2 表示已锁定。如果伺服处于已锁定状态 (s2)，并且 pi_offset_const 选项在配置文件中设置为负值，则时钟不会步进，而只会缓慢调整；
freq，表示时钟的频率调整（以十亿分率 (ppb) 为单位）；
path delay，表示从主时钟发送的同步消息的预计延迟（以纳秒为单位）。

由上可知M6234-T核心板的TSN时间同步性能参数中，单跳时延小于525ns，抖动小于20ns，时间同步精度20ns。