虹科技术前沿|TSN网络中时间感知整形器的性能验证实测

图1 测试设置

时间敏感网络的最近发展

以太网在航空航天和国防领域的通信应用日益增多，其中时间敏感网络（TSN）作为确保通信准确性的关键技术，正迅速成为主流。TSN通过时间感知整形器（TAS），基于IEEE 802.1Qbv标准，实现了网络流量的周期性分配，并通过设置优先级窗口来控制数据包的传输顺序。

为了实现网络节点间的精确时间同步，IEEE 802.1AS-2020同步协议被引入，保障了纳秒级别的时间一致性。尽管TSN技术尚属新兴，但行业组织如Avnu以及技术公司虹科SoC-e、Keysight（Novus ONE PLUS）和Calnex（Paragon-X）正在积极开发必要的测试计划和工具，旨在验证TSN设备的性能、标准合规性以及不同设备间的互操作性，从而推动这一技术的发展和应用。

被测设备平台

虹科TSN交换机架构如图2所示，其核心功能包括Rx接口端口接收的帧从电信号到数字信号的转换，以及交换矩阵引擎基于MAC地址表和VLAN配置进行帧路由。出口数据包处理模块依据IEEE 802.1Qbv标准对输出缓冲区的帧进行排序，确保它们在预定时间窗口内正确转发。该模块与1588计时器（IEEE 802.1AS-2020）同步，保障了Tx端口的精确时隙转发。

虹科SoC-e平台采用AMD Xilinx Ultrascale＋MPSoC系统，其中处理系统（PS）负责软件处理，而可编程逻辑（PL）基于FPGA实现交换和TSN功能。

PS通过虹科SoC-e的定制Linux发行版进行配置，该系统内嵌了设置交换和TSN功能所需的命令，并通过内部端口与PL系统通信，实现PL寄存器的配置。图3展示了完整的虹科RELY-TSN-BRIDGE＋10TSN12 TSN交换机架构。

测试设备配置

本测试的主要目的是精确评估IEEE 802.1Qbv的性能，重点检查窗口违规情况和测量帧的抖动。为此，必须确保待测设备（DUT）与测试站之间达到纳秒级的同步。

我们将使用Paragon-X测试设备来精确计算DUT的接收（Rx）和发送（Tx）延迟，并通过迭代调整，最小化PPS（脉冲每秒）差异，确保与测试站的同步。完成这些校准步骤后，DUT将连接到Novus ONE PLUS测试站，并配置IEEE 802.1AS-2020协议。在此配置中，DUT的第一个端口将作为主端口，第二个端口作为从端口，同时配置发送优先级为7的数据包，验证同步协议的准确性。

我们将使用Netconf协议对DUT进行IEEE 802.1Qbv和VLAN配置，确保测试的精确性。测试将覆盖100M、1G和10G三种速度，其中虹科RELY-TSN12设备将用于100M和1G测试，而虹科RELY-10TSN12设备将用于所有三种速度的测试。

统一的VLAN配置将应用于所有测试速度，确保PORT1和PORT2均属于VLAN2，以此隔离测试流量，避免网络干扰。DUT的端口将设置为PVID1、PCP0、DEI0，允许所有入站帧（无论是否带标记）以指定的出站标记进行中继。

此外，将为VID2创建专门的VLAN表项，将PORT1和PORT2纳入其中，并从VLAN1中移除，以进一步精细化流量管理，为测试提供清晰的网络环境。

IEEE 802.1Qbv标准专门用于管理前向出口流量，本测试案例中将针对端口2进行配置。配置过程需根据网络速度进行差异化设置。以下是针对1Gbps速度下端口2的IEEE 802.1Qbv配置细节：

配置确保每个队列在每个周期内仅在其分配的时间段内传输流量，同时设置了缓冲间隔以防止流量超出预定时间窗口，确保在此间隔期间不会转发流量。

对于 100M，配置有以下差异：

对于 10G，配置有以下差异：

图5 1G 的 IEEE 802.1Qbv 配置

为确保测试结果的准确性，Novus ONE PLUS测试站需经过精心配置。本测试涉及构建两个具备以太网和精确时间协议（PTP，IEEE 802.1AS-2020）功能的拓扑结构，其中拓扑1充当主设备，拓扑2作为从设备。关键配置参数包括点对点（P2P）延迟机制、多播设置、域编号0、优先级设置为128，以及时钟类别6。

完成IEEE 802.1AS-2020的同步配置后，接下来将定义八个具有不同优先级的流量流，以模拟和测试网络在不同服务等级下的表现。

图6 Novus ONE PLUS 流量配置

为确保测试的准确性，本测试需完成两个关键设置：首先，DUT需与Paragon-X设备相连，通过端口1对端口1的直接连接和PPS同步，精确计算传输延迟。

图7 Paragon-X测试设置

其次，在Keysight NovusONE PLUS测试站上，将进行特定的配置以适应IEEE 802.1Qbv标准的测试要求，确保测试环境能够精确评估时间敏感网络的性能。

图8 IEEE 802.1Qbv Novus ONE PLUS 测试设置

测试结果分析

本测试的核心在于验证IEEE 802.1Qbv的抖动控制和窗口合规性。为确保精确测量，测试站(Novus ONE PLUS)与待测设备(DUT)之间的同步偏移需控制在特定范围内：1G速度下不超过100纳秒，10G速度下不超过50纳秒，100M速度下不超过500纳秒。Novus ONE PLUS将记录统计数据以检查并确认这一偏移量。

测试首先确认了DUT与测试台（Novus ONE PLUS和Calnex）之间的同步精度。利用Calnex设备，我们计算并记录了同步误差，确保了在不同速度下的测量均在可接受范围内。进一步地，Novus ONE PLUS用于检查持续同步的一致性，并确认了DUT能够正确识别测试站为主站（GM）。

接下来，通过开发的Python脚本，我们检查了IEEE 802.1Qbv的窗口合规性。脚本利用Novus ONE PLUS记录的时间戳，确保每个帧都严格在其分配的时隙内到达。结果显示，所有帧均未出现窗口违规，表明IEEE 802.1Qbv配置正确，抖动控制稳定。

图9和图10分别展示了不同速度和优先级下的抖动结果和存储转发延迟结果。数据显示，在所有测试条件下，系统均表现出良好的性能，抖动和延迟均符合预期。

图11 AS基准下队列门控窗口

最后，为了凸显IEEE 802.1AS-2020同步协议的重要性，我们还进行了100%帧速率的测试，人为制造同步失败的情况。结果如图12所示，缺乏同步导致帧在错误时隙到达，引发窗口违规，从而证明了精确同步的必要性。

本次测试成功验证了虹科RELY-TSN12和虹科RELY-10TSN12设备的TSN功能，以及正确配置TSN的重要性。测试结果证实了IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv在控制抖动和防止窗口违规方面的有效性。此外，测试还突出了同步在TSN网络中的核心作用。

作为更大TSN测试计划的一部分，本次测试为进一步的IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv测试奠定了基础。未来的工作将继续深化对这些标准的理解，并探索它们在更广泛场景中的应用。

虹科是一家在通讯领域，尤其是汽车电子和智能自动化领域拥有超过15年经验的高科技公司，致力于为客户提供CAN/CAN FD、LIN、车载以太网、TSN等全方位的一站式智能互联解决方案。

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