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                                惠州市祥勝智能裝備有限公司

                                Huizhou Xiangsheng Intelligent Equipment Co., Ltd.

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                                新聞資訊

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                                從IP Core到交換機,虹科發布TSN網絡一站式解決方案

                                發表時間 :2022-03-30


                                本文轉載自(控制工程中文版)? ? ? ?選議器? ? 找祥勝


                                這項技術可顯著降低設備投資、維護、高級分析服務的無縫集成以及減少對單個供應商的依賴。所有這些優點使時間敏感網絡成為未來以太網絡中的參考技術。


                                現在TSN標準是一個龐大的標準體系,并且還在不斷擴展,主要是在802.1Q標準上進行修改與擴充而來。TSN重點是對當前的二層以太網絡進行特性的增強,目前已經制定了一系列標準,通過允許時間同步,流量分組優先轉發,利用門控調度機制清理線路以及帶寬預留等機制來保證業務流量在以太網中的傳輸性能,提高以太網的實時性和可靠性。


                                TSN為了滿足確定性的時延需求,會犧牲掉部分帶寬資源,所以需要考慮提高資源利用率。除此之外,如何部署TSN網絡?是采用分布式部署還是結合SDN等技術進行集中式部署?如何互聯多個封閉的TSN 網絡?如何協調傳輸時延的最大時延和平均時延?是在選取TSN產品和做相關開發的時候需要考慮的一些問題。


                                ?產品方案?


                                為了滿足國內用戶的測試和開發需求,虹科推出了IP Core開發方案,還有直接標準化的硬件產品,以及可以基于這些硬件所搭建的TSN的一個測試網絡。


                                2.1 MTSN IP Core

                                IP CORE:MTSN IP核是全面的TSN解決方案,實現多種TSN協議規范。是一個靈活的HDL代碼,可用于實現 bridge 的功能。IP 提供了一組豐富的通用參數,以獲得最佳的功能資源權衡。由于Vivado IPI提供了GUI界面,因此可以在VHDL級別或以圖形方式配置這些通用項目。

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                                ? IEEE 802.1AS(rev): 時間同步

                                ??IEEE 802.1Qav: 基于信用的整形器

                                ??IEEE 802.1Qbv: 時間感知整形器

                                ??IEEE 802.1Qcc: 網絡管理

                                ??IEEE 802.1Qci: 流過濾和切分

                                ??IEEE 802.1AB: 鏈路層發現協議

                                ??IEEE 802.1w: 快速生成樹協議

                                ??IEEE 802.1s: 多生成樹協議

                                ??IEEE 802.1CB: 幀復制和消除

                                ??IEEE 802.1Qbu/802.3br: 幀搶占機制


                                在IIC(工業互聯網聯盟)TSN測試臺經過測試驗證使用Xilinx GUI進行簡易的IP核配置。

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                                (1)?接口——多種PHY接口可選

                                (MII/RMII/GMII/RGMII/SGMII/QSGMII)

                                (2)?交換能力——全雙工10/100/1000 Mbps以太網接口;最多可達32端口,每個端口支持不同的數據速率

                                (3)?IP核配置端口——4 種配置管理端口


                                2.2 RELY-TSN-BRIDGE?

                                RELY-TSN-BRIDGE可以用于無縫實施確定性以太網,該器件基于SoC-e的TSN技術在最苛刻的行業(鐵路、航空航天、汽車、工業自動化等)中使用的可靠且經過現場驗證的設計。


                                該設備可用作提供4個多媒體千兆以太網端口和1個內部端口的TSN Bridge,可與市場上的其他產品互操作。

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                                RELY-TSN-BRIDGE支持市場上數量最多的TSN標準,這使其適用于任何特定的配置文件。這些關鍵功能使RELY-TSN-BRIDGE平臺成為用于關鍵環境的最可靠和多功能的網絡設備。


                                2.2.1 新外殼-為快速散熱設計

                                時間敏感網絡是一項強大的技術,涉及一組標準,可確保以太網網絡的確定性。能夠實現如此低延遲的技術對資源的要求非常高,并且需要能夠散發如此高計算量所產生的熱量的設備。為了響應這一要求,虹科的RELY-TSN-BRIDGE交換機采用了一種新型外殼,得益于新型外殼的散熱式設計,PCB組件上的溫度以及設備的整體消耗得以降低,從而實現高效和優化的4端口TSN交換機。

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                                2.3 配置工具

                                雖然大多數設備通??梢允褂脤S械慕鉀Q方案,如網絡管理器、命令行、串行端口等進行配置,但當增加更多的流量、數據流和設備時,這種方法是不可擴展的。配置冗余這樣的機制,意味著為每個節點生成單獨的配置,如其流識別機制、流處理程序、VLAN和恢復功能。當規模超過幾個數據流時,這是一個很大的挑戰。因此,強烈建議使用集中的網絡配置。

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                                2.3.1?手動配置

                                ? 定義配置每個TSN機制的參數。

                                ??利用終端設備的配置工具


                                2.3.2?集中配置

                                ? 在IEEE 802.1Qcc中定義的

                                ??基于YANG模型的數據交換

                                ??擴展的通信協議:netcong


                                2.3.3 配置工具的主要功能

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                                ? MODEL:定義拓撲結構、硬件能力、流量要求

                                ? GENERATE:選擇TSN機制并生成配置要求

                                ? EXPORT:配置已準備好的部署


                                2.4 測試框架

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                                這些產品使用的都是全集中的模型,虹科的TSN解決方案支持Qbv YANG數據模型,并且可以由802.1Qcc(完全集中式配置)定義的CNC工具或設備使用NETCONF進行配置。?


                                在上面這個圖中,實線代表的是以太網,虛線代表的是TSN網絡,TSN網絡主干由四個 RELY-TSN-BRIDGE設備組成。這些設備是TSN交換機,每個都有四個TSN端口。這些設備將允許配置基于IEEE 802.1CB標準和RSTP協議的不同冗余拓撲結構,為用戶提供一個靈活的測試平臺。我們也可以將REC記錄儀連接在TSN網絡中可以用來記錄保存TSN數據流,記錄時間戳等。


                                2.4.1 TSN端點:?

                                TSN流是指從一個源頭到一個或多個目的地的時間敏感數據的單向流動,是TSN網絡配置的基礎,因為TSN網絡的每個鏈接中的所有機制都是按TSN流定義或配置的。測試平臺包括三個TSN設備,它們將按照以下類別作為端點執行。?


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                                Listener

                                TSN 網絡的要素之一是 listener,它們是消費流量的設備。在我們的架構中,其中一塊 RELY-TSN-PCIe 卡將被配置為 listener。?

                                RELY-TSN-PCIe 卡是一個獨立的 TSN 設備,包括兩個 TSN 外部端口,用于連接 TSN 網絡和執行產品介紹所述 的 TSN 標準,包括冗余標準 IEEE 802.1CB 和 RSTP。?


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                                Talker?

                                TSN 網絡的第二個元素是 talker。?

                                在圖中有兩個 TSNtalker。一邊是安裝在主機上的 RELY-TSN-PCIe 卡。該卡的功能與作為 listener 的 RELY-TSN-PCIe 卡的功能相同。在另一邊,RELY-TSN-CPPS 設備也作為一個 talker。??


                                2.4.2 非TSN端點:?

                                在一個TSN網絡中,將TSN設備與非TSN設備結合起來是非常普遍的。事實上,在未來,TSN將得到其系統的支持,比如測量/科學/測試等非 TSN 子系統將與控制/傳感器/執行器等TSN子系統共存于同一個網絡中。


                                為了提出一個測試平臺并盡可能地涵蓋在未來系統中可以找到的所有元素,建議的測試平臺架構最好包括兩個非TSN設備作為talker,從而能幫助我們更好的檢查一個混合網絡的性能。?


                                舉個例子,這兩個非TSN元素可以包括:

                                ? IP攝像機:傳輸預留流量

                                ??流量發生器:該設備允許在網絡中創建擁堵場景


                                ?應用案例?


                                TSN是專為滿足這些要求而設計的新一代以太網。盡管TSN的引入將因行業而異,但提供實時工作負載的能力將是非常重要的,一些關鍵行業(如鐵路或航空航天)正在將TSN作為其新平臺中的標準IT/OT 網絡。


                                虹科TSN解決方案在三個不同關鍵應用場景中得到了驗證:航空航天、汽車和鐵路。這些系統來自封閉的協議,過渡必須非常仔細地規劃。TSN發展正處于一個新的階段,這個時候就需要大型技術研發公司和集成商必須驗證這項技術。


                                3.1 航空航天:

                                提供基于專有的標準(比如AFDX)的方案的供應商很少,這就意味著成本較高。如果可以將不同的網絡融合在一個TSN網絡中,那就可以降低價格成本。并且每架飛機的子系統沒有一個獨特的標準,這意味著會有多個平行網絡,這也同樣會被轉化為更昂貴的網絡方案。在對低延遲、高帶寬和數據采集單元的互操作性的需求推動下,航空航天與國防領域正在處于一場以太網的融合階段。


                                TSN在航空領域可以看做是一些協議超集,可以兼容舊有網絡,實現異構網絡的融合傳輸,所以可以用一個統一的以太網代替之前的專用協議。還能夠保持現有的一些網絡架構的優點,又能保持較高的帶寬,而且是一個通用網絡架構,布線簡單,組網成本相對較低,成本相對也會降低。


                                3.2 汽車:

                                現在,在汽車領域有一種以太網方向融合發展的趨勢,需要引入更多的執行器、傳感器和高處理能力的系統,并且彼此之間完全互連。從這個出發點,需要一個具有高帶寬能力的新的汽車基礎設施。新型汽車網絡架構,就是基于以太網或者說基于TSN網絡的一個架構,該架構使用以太網作為骨干網絡,而且有靈活的組網方案,將汽車分為若干可拓撲區域,從而增強可擴展性。


                                在某一汽車行業項目研究當中,虹科提供了演示中使用的TSN骨干基礎架構,模擬使用了新一代確定性以太網標準互連的汽車某些部分的行為。虹科提供了TSN交換基礎結構,該基礎結構由基于虹科開發板的系統組成,該開發板基于使用MTSN IP Core開發的模塊上系統(SMARTmpsoc)。


                                3.3 鐵路:

                                由于目前列車的基礎設施基于不同的通信總線,一個用于控制目的,另一個用于其他系統,TSN是選定的技術,可以用于將所有這些總線合并到列車內的唯一網絡。該項目的具體目標之一是實施新的全列車通信網絡(被稱為NG-TCN),來全面支持TCMS(列車控制和管理系統),包括更換列車線路,連接安全功能至SIL4,支持"故障安全"和"故障容忍"原則,為TCMS和OMTS(車載多媒體和遠程信息服務)以及非TCMS的通信手段提供一個最佳列車網絡。


                                TSN機制旨在用于將物理網絡分成幾個虛擬域,從而確保安全關鍵功能的確定性和可靠性,并為其他功能保持最低水平的QoS(服務質量),鐵路部門也可以從更簡單的網絡基礎設施和簡化的集成中受益。


                                ?總結?


                                TSN的核心思維是提出了一個可互操作的系統,并支持多個制造商、協議和機構在同一個網絡上共享,根據最嚴格的時間界限交付流量的能力,在同一物理網絡上管理關鍵和非關鍵流量的融合,并提供支持高可用性通信的機制,而這也成為了TSN在參加當前最苛刻的關鍵(和非關鍵)應用方面的獨特主張。有了互操作性和融合網絡,市場上將會出現更多的解決方案,所以可以說,TSN能夠激發更多具有成本效益的解決方案。



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