TSN中時(shí)間同步技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

顏晨　孫云華　陳翔

摘? 要：時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）對(duì)在以太網(wǎng)上傳輸?shù)臅r(shí)間敏感流進(jìn)行確定性控制，保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的能力。時(shí)間同步是TSN技術(shù)中的基石，保障了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性。首先對(duì)建立時(shí)鐘同步生成樹和選擇最佳主時(shí)鐘的過程進(jìn)行介紹；然后對(duì)路徑延遲時(shí)間計(jì)算的原理進(jìn)行描述；進(jìn)而重點(diǎn)論述了各節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)的計(jì)算推導(dǎo)過程。最后探索了一種流量整型技術(shù)，通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)展示了時(shí)間同步在TSN流量整型中的重要作用。

關(guān)鍵詞：時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)；時(shí)間同步；時(shí)鐘同步生成樹；最佳主時(shí)鐘；流量整型

中圖分類號(hào)：TP393? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）11-0083-06

Research and Implementation of Time Synchronization Technique in TSN

YAN Chen， SUN Yunhua， CHEN Xiang

（China Key System & Integrated Circuit Co.， Ltd.， Wuxi? 214072， China）

Abstract： Time Sensitive Network （TSN） provides deterministic control over time sensitive streams transmitted over Ethernet， and ensures the ability to transmit real-time data of network. As the footing stone of TSN technology， time synchronization ensures the network data transmission is real-time and deterministic. Firstly， the process of establishment of clock synchronization spanning tree and selection of the best master clock are introduced. Then the principle of path delay time calculation is described. Further， the calculation and derivation process of time synchronization in each node is discussed emphatically. Finally， a traffic shaper technology is explored， and the important role of time synchronization in TSN traffic shaper is demonstrated through an experiment.

Keywords： Time-Sensitive Network; time synchronization; clock synchronization spanning tree; best master clock; traffic shaper

0? 引? 言

在社會(huì)日益發(fā)展的今天，隨著科學(xué)研究持續(xù)深入和人類社會(huì)生活不斷豐富，各式各樣的信息充斥其中，對(duì)信息的傳輸、處理等要求也越來越高。對(duì)于汽車領(lǐng)域，目前不斷深入的智能駕駛技術(shù)有大量雷達(dá)、視頻傳感器等數(shù)據(jù)輸入和智能計(jì)算后的控制信號(hào)輸出，需要一種網(wǎng)絡(luò)機(jī)制來降低信息傳輸延遲和抖動(dòng)，從而提高傳輸質(zhì)量保證駕駛安全。在航天領(lǐng)域，空間站內(nèi)外部通信，月球科考、實(shí)驗(yàn)任務(wù)的遠(yuǎn)距離控制和遙感衛(wèi)星星座或編隊(duì)在進(jìn)行跨星鏈任務(wù)時(shí)都需要高時(shí)敏通信。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的連入，Ethernet/IP、EtherCat、等實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)已沒法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呔_和實(shí)時(shí)性要求[1]。

針對(duì)上述網(wǎng)絡(luò)較高的性能要求，2008年電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers， IEEE）制定了1588協(xié)議用來同步設(shè)備之間的時(shí)鐘，并在2019年更新了此標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)通過規(guī)定時(shí)間戳的生成位置和延遲測(cè)量補(bǔ)償機(jī)制，將時(shí)間同步的精度提高到了亞微秒級(jí)[2]。IEEE 802.1AS[3]通用精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議（generalized Precision Time Protocol， gPTP）由1588標(biāo)準(zhǔn)精簡(jiǎn)而來，它采用雙步延遲測(cè)量與補(bǔ)償機(jī)制，周期性的報(bào)文交互保證系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘同步的精確性。

目前國(guó)外很多組織都在致力于IEEE 802.1AS協(xié)議的研究和實(shí)用性探索。韓國(guó)漢陽大學(xué)的Jeon等人為降低在網(wǎng)絡(luò)中最佳主時(shí)鐘算法造成數(shù)據(jù)阻塞的現(xiàn)象，使用列表存儲(chǔ)最佳時(shí)鐘的信息，減少Announce幀的交換次數(shù)[4]。奧地利TTTech Computertechnik AG公司研究了IEEE 802.1AS在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用問題，當(dāng)測(cè)試分析物理層PHY（physical）后，發(fā)現(xiàn)對(duì)同步精度影響較大的是物理層的抖動(dòng)和時(shí)鐘顆粒[5]。國(guó)內(nèi)的公司和運(yùn)營(yíng)商也緊跟步伐，在2020年11月，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布了《時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)白皮書》，中興、華為等廠家也同步開發(fā)了相關(guān)TSN交換機(jī)樣機(jī)和芯片樣片。

國(guó)內(nèi)對(duì)下一代確定性網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注較多，但目前還是起步階段，產(chǎn)品和論文較少，更多地去關(guān)注了IEEE 802.1 AS協(xié)議煩瑣的通信處理機(jī)制。本文化繁為簡(jiǎn)以同步目標(biāo)為重點(diǎn)，研究了IEEE 802.1AS通信幀，以及以這些幀為載體直面探索其最為重要的三個(gè)同步過程及其聯(lián)系。首先描述最佳主時(shí)鐘選擇，時(shí)鐘同步生成樹的建立；然后介紹路徑延遲測(cè)量原理，為后續(xù)偏差計(jì)算提供幫助；最后進(jìn)行時(shí)鐘同步，通過計(jì)算完成時(shí)鐘同步目標(biāo)。本文在第二章通過現(xiàn)有同步設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證時(shí)間同步在TSN流量調(diào)度中起到的關(guān)鍵作用。

1? 802.1AS時(shí)間同步載體和處理機(jī)制

在802.1AS的同步通信中使用gPTP報(bào)文，這些報(bào)文分別用于處理不同的功能。Announce幀用于最佳主時(shí)鐘選擇，構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)主從同步關(guān)系。Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up報(bào)文用于兩節(jié)點(diǎn)通信鏈路的延遲測(cè)量。Sync、Follow_Up報(bào)文用于系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。Signaling用于系統(tǒng)間的配置包括對(duì)另一端的報(bào)文發(fā)送時(shí)間間隔進(jìn)行請(qǐng)求等。

其中Sync、Pdelay_Req與Pdelay_Resp報(bào)文進(jìn)出端口時(shí)會(huì)打上精準(zhǔn)時(shí)間戳為事件報(bào)文，其余報(bào)文不打時(shí)間戳為普通報(bào)文。

下面對(duì)各種報(bào)文進(jìn)行介紹，并以報(bào)文為切入點(diǎn)來對(duì)802.1 AS同步機(jī)制進(jìn)行分析。

1.1? gPTP報(bào)文頭

gPTP報(bào)文可在IEEE 802.11、IEEE 802.3等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。本文以太網(wǎng)IEEE 802.3為例，gPTP報(bào)文封裝在以太網(wǎng)報(bào)文中，其結(jié)構(gòu)如表1所示。

其中源地址為出口物理端口的MAC地址，目的地址為規(guī)定的多播地址01-80-C2-00-00-0E，協(xié)議類型為0x88f7。PTP報(bào)文頭中messageType 字段用來區(qū)分報(bào)文類型，correctionField字段在Follow_Up幀中用來存儲(chǔ)與主時(shí)鐘的時(shí)間偏差，其他幀中用來存儲(chǔ)納秒的小數(shù)部分，sourcePortIdentity字段包含了端口號(hào)和時(shí)鐘標(biāo)識(shí)。詳情請(qǐng)查看802.1AS-201410.5和11.4等章節(jié)。

1.2? Announce幀及在最佳主時(shí)鐘選擇中的處理機(jī)制

1.2.1? Announce幀

在時(shí)間同步前需要構(gòu)建同步網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌珹nnounce幀包含了時(shí)間感知節(jié)點(diǎn)的信息，在構(gòu)建消息傳輸流向和選擇主時(shí)鐘方面用到。

在該報(bào)文體中有主時(shí)鐘的時(shí)鐘源優(yōu)先級(jí)Priority1、Priority2、時(shí)鐘等級(jí)clockClass、時(shí)鐘精度clockAccuracy和時(shí)鐘穩(wěn)定度offsetScaledLogVariance（clockClass、clockAccuracy、offsetScaledLogVariance由報(bào)文中的clockQuality來表示），這五個(gè)參數(shù)和clockIdentity用于確定最優(yōu)時(shí)鐘。除了這五個(gè)參數(shù)，該報(bào)文體帶的時(shí)間跳數(shù)stepsRemoved、報(bào)文頭帶的發(fā)送端口標(biāo)識(shí)sourcePortIdentity和接收?qǐng)?bào)文端口的端口號(hào)portNumber來確定端口的主從關(guān)系。

人為確定Priority1、Priority2，而clockClass、clockAccuracy和offsetScaledLogVariance是固有參數(shù)通過時(shí)鐘源的廠家提供。clockIdentity為時(shí)鐘的固有ID，可用端口的MAC地址組裝其值，節(jié)點(diǎn)中該值互不相同。stepsRemoved代表了本節(jié)點(diǎn)到主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（超主）的時(shí)間跳數(shù)，Announce幀每經(jīng)過一個(gè)節(jié)點(diǎn)該值加1。

1.2.2? 最佳主時(shí)鐘處理機(jī)制

在整個(gè)gPTP域中用最佳主時(shí)鐘選擇算法（Best Master Clock Algorithm， BMCA）選擇最佳主時(shí)鐘來同步域內(nèi)時(shí)間，與此同時(shí)確定時(shí)間感知系統(tǒng)內(nèi)的端口狀態(tài)，構(gòu)建時(shí)間同步生成樹。

在初始狀態(tài)下，為確定gPTP域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)角色和節(jié)點(diǎn)內(nèi)部端口的狀態(tài)，Announce幀會(huì)在節(jié)點(diǎn)相鄰端口傳遞，幀內(nèi)包含上述本地時(shí)鐘的參數(shù)信息。各個(gè)節(jié)點(diǎn)把收到的Announce幀的時(shí)鐘信息與本節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)信息進(jìn)行比較，選擇較好的時(shí)鐘信息保存下來，下次發(fā)送Announce幀時(shí)把較好的時(shí)鐘信息發(fā)送出去。

在gPTP域內(nèi)只有橋和終端兩種設(shè)備概念，同步開始的示例圖如圖1所示。

在圖1的設(shè)備當(dāng)中都會(huì)有systemIdentity屬性包含如下屬性，按照重要程度從高到低分別為priority1、clockClass、clockAccuracy、offsetScaledLogVariance、priority2、clockIdentity。當(dāng)priority1＜255時(shí)，表明節(jié)點(diǎn)具有成為最佳主時(shí)鐘的能力，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部把通過Announce幀組建的systemIdentity和本地的systemIdentity進(jìn)行比較，如圖2所示。設(shè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部當(dāng)前屬性用后綴C標(biāo)識(shí)，通過Announce幀接收的相鄰節(jié)點(diǎn)屬性后綴用R標(biāo)識(shí)。

時(shí)鐘性能更好的節(jié)點(diǎn)參與最佳主時(shí)鐘選擇。

不考慮PassivePort、DisabledPort的情況下，若比較后，本節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘性能最好，則節(jié)點(diǎn)內(nèi)部與其他時(shí)間感知系統(tǒng)相連的端口為MasterPort。若節(jié)點(diǎn)不是性能最好，則節(jié)點(diǎn)內(nèi)部與更好時(shí)鐘性能相連的端口為SlavePort，其余與其他時(shí)間感知系統(tǒng)相連的端口為MasterPort。若節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘性能不是最好，內(nèi)部端口systemIdentity一致，stepsRemoved最小的端口為SlavePort；當(dāng)stepsRemoved一樣時(shí)，portNumber最小的為SlavePort。

當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)屬性systemIdentity一致，則比較stepsRemoved，stepsRemoved較小的節(jié)點(diǎn)端口為MasterPort，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)端口為SlavePort。IEEE 802.1AS協(xié)議中的端口共有四種狀態(tài)[3]，如表2所示。

節(jié)點(diǎn)內(nèi)部MasterPort傳遞保留此時(shí)最好時(shí)鐘性能參數(shù)的Announce幀，gPTP域內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上述比較，最終選出最佳主時(shí)鐘，建立起時(shí)鐘同步生成樹。如圖3所示，為時(shí)間感知系統(tǒng)的主從拓?fù)涫纠蚣芙Y(jié)構(gòu)。

在Announce幀中，若節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘性能更好，則幀頭的sourcePortIdentity填入節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘標(biāo)識(shí)clockIdentity和端口號(hào)portNumber，該節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘性能填入報(bào)文體，報(bào)文體中的stepsRemoved為0。若節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘性能較差，則發(fā)送的Announce幀報(bào)文體內(nèi)stepsRemoved加1，其他時(shí)鐘性能屬性不變。

1.3? 延遲測(cè)量的報(bào)文及其機(jī)制

1.3.1? 延遲測(cè)量的報(bào)文

gPTP通過標(biāo)記發(fā)收?qǐng)?bào)文的時(shí)間戳對(duì)兩點(diǎn)之間延遲進(jìn)行計(jì)算，并用此延時(shí)來同步與主時(shí)鐘的時(shí)間偏差。采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Peer to Peer， P2P）的雙步延遲測(cè)量機(jī)制，下節(jié)會(huì)具體講述。

Pdelay_Req報(bào)文是延遲測(cè)量節(jié)點(diǎn)發(fā)出的請(qǐng)求報(bào)文，發(fā)出時(shí)測(cè)量節(jié)點(diǎn)內(nèi)部會(huì)記錄時(shí)間戳t1。報(bào)文體不包含數(shù)據(jù)，為了功能擴(kuò)展包含了20個(gè)為零的字節(jié)。

Pdelay_Resp報(bào)文是被測(cè)節(jié)點(diǎn)的延遲測(cè)量回應(yīng)報(bào)文，報(bào)文體內(nèi)包含時(shí)間戳requestReceiptTimestamp（t2），此時(shí)間戳在Pdelay_Req報(bào)文到被測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)記錄的，以及測(cè)量發(fā)起端口的端口標(biāo)識(shí)requestingPortIdentity。測(cè)量節(jié)點(diǎn)收到此報(bào)文時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間戳t4。

Pdelay_Resp_Follow_Up報(bào)文是被測(cè)節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)跟隨報(bào)文，報(bào)文體內(nèi)包含了時(shí)間戳responseOriginTimestamp（t3），此時(shí)間戳在Pdelay_Resp發(fā)出時(shí)被測(cè)節(jié)點(diǎn)記錄的，以及測(cè)量發(fā)起端口的端口標(biāo)識(shí)requestingPortIdentity。

1.3.2? 延遲測(cè)量機(jī)制

如圖4所示，假設(shè)兩節(jié)點(diǎn)傳輸路徑是對(duì)稱路徑的，測(cè)量節(jié)點(diǎn)可通過一次測(cè)量得到t1，t2，t3和t4。

傳播延遲D的計(jì)算如下：

D表示理想狀態(tài)下的延遲，節(jié)點(diǎn)雙方的頻率相同，而實(shí)際上往往不同。t1和t4表示延遲測(cè)量發(fā)起者測(cè)量的時(shí)間，t2和t3表示延遲測(cè)量響應(yīng)者測(cè)量的時(shí)間。頻率不同會(huì)造成計(jì)算偏差。為避免這種偏差，會(huì)將響應(yīng)者的時(shí)基轉(zhuǎn)換到發(fā)起者的時(shí)基。一般在同步拓?fù)渲?，slave端口會(huì)向相鄰的節(jié)點(diǎn)發(fā)起延遲測(cè)量，因此延遲測(cè)量的計(jì)算如下：

式（2）中，ri-1， i表示節(jié)點(diǎn)slave端口相鄰節(jié)點(diǎn)i-1與節(jié)點(diǎn)i的時(shí)鐘頻率比。

除了上述兩節(jié)點(diǎn)的頻率差造成延遲測(cè)量誤差，網(wǎng)絡(luò)的擁堵或者波動(dòng)也會(huì)對(duì)一次測(cè)量的結(jié)果造成很大的影響，為了減少這方面的影響，對(duì)多次測(cè)量的值取平均。因?yàn)檠舆t測(cè)量會(huì)周期性的進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)內(nèi)會(huì)對(duì)一段時(shí)間測(cè)量結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。則一段時(shí)間內(nèi)的延遲計(jì)算如下：

式（3）中，Davg， k表示第K次測(cè)量的延遲均值，Dk-1表示第K-1次測(cè)量的路徑延遲時(shí)間。

1.4? 時(shí)間同步報(bào)文及其機(jī)制

1.4.1? 時(shí)間同步報(bào)文

在建立了時(shí)間同步生成樹，選了最佳主時(shí)鐘，完成了路徑延遲測(cè)量后開始進(jìn)行時(shí)間同步。時(shí)間同步采用Sync和Follow_Up兩種報(bào)文，它們從具有最佳主時(shí)鐘的節(jié)點(diǎn)端口發(fā)出，通過時(shí)間同步生成樹中節(jié)點(diǎn)的MasterPort端口對(duì)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。

Sync報(bào)文用于發(fā)出和接收此報(bào)文時(shí)產(chǎn)生時(shí)間戳，報(bào)文體不包含任何數(shù)據(jù)。

Follow_Up報(bào)文跟隨在Sync報(bào)文后面，其內(nèi)部包含記錄主時(shí)鐘發(fā)出Sync時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間戳（preciseOriginTimestamp段），記錄節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)Sync報(bào)文時(shí)的同步時(shí)間與preciseOriginTimestamp的偏差值（correctionField段），記錄主時(shí)鐘和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率比（cumulativeScaledRateOffset段）。

1.4.2? 時(shí)間同步機(jī)制

在同步時(shí)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)通過Follow_Up報(bào)文可知發(fā)送此Sync時(shí)主時(shí)鐘的時(shí)間preciseOriginTimestamp（簡(jiǎn)稱“O”），以及上一個(gè)節(jié)點(diǎn)i-1累計(jì)的偏差Ci-1，計(jì)算本節(jié)點(diǎn)的偏差Ci可得到本節(jié)點(diǎn)發(fā)送Sync報(bào)文時(shí)的同步時(shí)間，查看式（4）。Ci由Ci-1，上一個(gè)節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的延遲Di加上Sync駐留在本節(jié)點(diǎn)的時(shí)間Si后轉(zhuǎn)換成主時(shí)域的時(shí)間相加計(jì)算得到，如式（5）。其同步的過程如圖5所示。

在節(jié)點(diǎn)i計(jì)算了與主時(shí)鐘頻率比，計(jì)算了偏差值，完成了時(shí)鐘同步，更新Follow_Up報(bào)文相關(guān)段內(nèi)的值，便可把同步報(bào)文發(fā)往下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，依次完成本時(shí)域的一次同步。

由于各節(jié)點(diǎn)內(nèi)的時(shí)鐘晶振頻率存在偏差甚至不同，所以在下一次時(shí)鐘同步前節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏差會(huì)達(dá)到最大。為了減小偏差，簡(jiǎn)單的解決辦法是增加Sync同步報(bào)文的發(fā)送頻率。但實(shí)際情況下，Sync發(fā)送頻率過大會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的擁堵，通常發(fā)送間隔在50～2 000 ms[6]。

2? TSN時(shí)間同步實(shí)踐

在介紹了TSN時(shí)間同步的原理后，本文通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)來探索時(shí)間同步在流量調(diào)度中的應(yīng)用。TSN標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)協(xié)議簇，涉及時(shí)間同步，流量調(diào)度，系統(tǒng)配置等內(nèi)容。其中流量調(diào)度是TSN標(biāo)準(zhǔn)中的核心機(jī)制，用來確定設(shè)備出口端數(shù)據(jù)的傳輸順序和時(shí)間。而時(shí)間同步則是流量調(diào)度實(shí)施的基礎(chǔ)。

2.1? TSN時(shí)間同步實(shí)踐原理介紹

為了體現(xiàn)時(shí)間同步的實(shí)際表現(xiàn)，需要使用到TSN流量整形中的一種技術(shù)，基于時(shí)間感知的整形調(diào)度技術(shù)。時(shí)間感知整形器（Time Awareness Shaper， TAS）在8802-1Q_Amd 3-2017[7]標(biāo)準(zhǔn)中定義，它為需要實(shí)時(shí)性的流量提供了一個(gè)確定時(shí)間段打開的傳輸通道，避免了在這段時(shí)間內(nèi)其他流量對(duì)時(shí)間敏感流量的干擾。

它在通信端口把需要傳出的不同流量劃分在不同的傳輸通道隊(duì)列內(nèi)，流量按照流量類型（存在于以太網(wǎng)幀頭VLAN內(nèi)的優(yōu)先級(jí)PCP段）進(jìn)行分類，如表3所示。又定義了傳輸時(shí)間周期，在時(shí)間周期內(nèi)分為不同的時(shí)間片段，在時(shí)間片段內(nèi)選定一個(gè)或者多個(gè)優(yōu)先級(jí)的流量傳輸。

在門控調(diào)度中存在門控列表gate control list，包含了隊(duì)列的狀態(tài)（“C”表示關(guān)閉，“O”表示打開）和時(shí)間間隔。門控調(diào)度示例圖如圖6所示，在T1時(shí)間片段，只有優(yōu)先級(jí)為2的流量隊(duì)列來傳輸。

在一個(gè)滿足嚴(yán)苛?xí)r延和傳輸確定的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，不同節(jié)點(diǎn)的端口會(huì)置有TAS，確保實(shí)時(shí)性流量能夠確定到達(dá)終端。為達(dá)到這一目的，不同節(jié)點(diǎn)的門控設(shè)置得一致且門控開啟的時(shí)間得在同一個(gè)時(shí)域下，時(shí)間偏差越小越好。本文接下來準(zhǔn)備一種流量在設(shè)有門控機(jī)制的節(jié)點(diǎn)中傳輸，分別比較不同時(shí)間基準(zhǔn)和統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)的傳輸情況。

2.2? TSN實(shí)踐平臺(tái)搭建

本文采用宏科TSN套件來搭建TSN實(shí)驗(yàn)環(huán)境。該套件包含三個(gè)硬件和一個(gè)ISO鏡像。三個(gè)硬件分別為流量發(fā)生器，具有TSN功能的網(wǎng)橋和可以插在電腦上具有TSN功能的PCIe卡。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹：

1）流量發(fā)生器Traffic Generator。流量發(fā)生器用來產(chǎn)生和傳輸具有沖突性質(zhì)的流量來驗(yàn)證TSN機(jī)制的作用。

2）網(wǎng)橋RELY-TSN-Evaluation-Board。轉(zhuǎn)發(fā)TSN業(yè)務(wù)流并且內(nèi)部存在網(wǎng)站服務(wù)，提供一個(gè)友好的UI界面可以用來配置流量發(fā)生器、具有TSN功能的PCIe卡和它自己的相關(guān)設(shè)置。

3）PCIe卡RELY-TSN-PCIe。用PCIe無縫銜接到用戶電腦主板卡槽內(nèi)，把TSN流轉(zhuǎn)發(fā)到電腦上。

4）ISO鏡像。用來在用戶電腦上搭建一個(gè)基于Linux的操作系統(tǒng)Live Lubuntu O.S，它用來啟動(dòng)TSN的相關(guān)功能和配置。

除此之外，在用戶電腦上需要配置Wireshark，用來觀察流量的傳輸情況。實(shí)踐平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和平臺(tái)實(shí)物如圖7和圖8所示。

2.3? TSN時(shí)間同步測(cè)試實(shí)踐

配置寬帶速率接近100 Mbit/s，VLAN優(yōu)先級(jí)為5，具有1 500個(gè)字節(jié)的流量，在不配置TSN功能下，可以從Wireshark看到流量統(tǒng)計(jì)圖，如圖9所示；配置網(wǎng)橋的門控如表4所示，在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)只留了一個(gè)時(shí)間片傳輸優(yōu)先級(jí)為5的流量，看到Wireshark內(nèi)流量速率下降，如圖10所示；當(dāng)配置PCIe卡的門控如表4時(shí)，可以看流量速率進(jìn)一步下降，如圖11所示；當(dāng)開啟了時(shí)間同步后，流量速率恢復(fù)到圖10的水平，如圖12所示。

可以看到門控對(duì)流量發(fā)揮調(diào)度時(shí)，必須得依靠時(shí)間同步機(jī)制來搭建確定性的網(wǎng)絡(luò)。

3? 結(jié)? 論

TSN在這一領(lǐng)域提出了一系列的通信機(jī)制和策略保障了確定性無沖突的傳輸，滿足時(shí)延和帶寬要求，時(shí)間同步在里面起到關(guān)鍵的作用。本文重點(diǎn)研究TSN中時(shí)間同步機(jī)制，從同步幀開始描述了其同步過程，較為清晰地展示了時(shí)間同步的原理和應(yīng)用。時(shí)間同步穩(wěn)定達(dá)到ns級(jí)離不開硬件層時(shí)間捕獲的精確度和軟件算法的優(yōu)化。在實(shí)際開發(fā)過程中，除了硬件性能的提高外，時(shí)鐘偏移、網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)帶來的同步周期變化和系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算同步時(shí)間造成的延時(shí)，從而影響時(shí)鐘抖動(dòng)是重點(diǎn)考慮的方向。希望本文所研究的時(shí)間同步方面的內(nèi)容可以幫助該領(lǐng)域的研究人員。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋華振.時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述 [J].自動(dòng)化儀表，2020，41（2）：1-9.

[2] Technical Committee on Sensor Technology （Tc-9） of the IEEE lnstrumentation and Measurement Society. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems：IEEE Std 1588TM-2019 [S].New York：IEEE，2019.

[3] LAN/MAN Standards Committee. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Timing and Synchronization for Time--Sensitive Applications：IEEE Std 802.1ASTM-2020 [S].New York：IEEE，2020.

[4] JEON Y，LEE J. An Efficient Method of Reselecting Grand Master in IEEE 802.1AS [C]//The 20th Asia-Pacific Conference on Communication （APCC2014）.Pattaya：IEEE，2014：303-308.

[5] GUTI?RREZ M，STEINER W. Synchronization Quality of IEEE 802.1AS in Large-Scale Industrial Automation Networks [C]//2017 IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium （RTAS）.Pittsburgh：IEEE，2017：273-282.

[6] GREENSTREET R，ZEPEDA A. Improving IEEE 1588 Synchronization Accuracy in 1000BASE-T Systems [C]//2015 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement， Control， and Communication （ISPCS）.Beijing：IEEE，2015：58-63.

[7] LAN/MAN Standards Committee. ISO/IEC/IEEE International Standard—Information Technology—Telecommunications and Information Exchange between Systems—Local and Metropolitan Area Networks—Specific Requirements—Part 1Q：Bridges and Bridged Networks AMENDMENT 3： Enhancements for Scheduled Traffic： ISO/IEC/IEEE International Std 8802-1Q_Amd 3-2017 [S].New York，2017.

作者簡(jiǎn)介：顏晨（1992.08—），男，漢族，湖北隨州人，工程師，碩士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)通信、嵌入式軟件。

收稿日期：2022-12-12