http://m.casecurityhq.com 2023-05-04 14:24
網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中不可或缺的一部分。然而,在某些領(lǐng)域,例如工業(yè)自動化、機器人控制和視頻監(jiān)控等實時應(yīng)用對通信的要求更高,需要實時傳輸大量數(shù)據(jù)并確保其可靠性和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在這些高要求的應(yīng)用場景下表現(xiàn)不佳,往往難以滿足實時應(yīng)用的需求。因此,時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個問題。
目前,工業(yè)和學(xué)術(shù)界的許多機構(gòu)和組織正在積極推動TSN標(biāo)準(zhǔn)化工作,以確保其互操作性和可靠性,并進(jìn)一步推廣其在各個應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用,以提供超低延遲、抖動和可靠性的功能優(yōu)勢。TSN是一項基于以太網(wǎng)且應(yīng)用廣泛的技術(shù),因此在成本和互操作性等方面也具備了經(jīng)濟(jì)性和可靠性。憑借這些優(yōu)勢,TSN有望成為未來的LAN基礎(chǔ)設(shè)施,支持工業(yè)4.0、智能工廠、智能交通系統(tǒng)和5G等領(lǐng)先技術(shù)的發(fā)展。
隨著TSN技術(shù)的具體實施在不同行業(yè)和應(yīng)用中被廣泛提出和研究,不少技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)也開始著手布局TSN。但作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),TSN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與測試需要一定的準(zhǔn)備工作和特定的設(shè)備。為此,虹科總結(jié)了TSN應(yīng)用組網(wǎng)測試需要進(jìn)行的準(zhǔn)備工作并提供相關(guān)的方案,以進(jìn)行TSN網(wǎng)絡(luò)配置、評估、測試和驗證,幫助客戶快速推動TSN方案落地。
01 了解TSN技術(shù)
在開始進(jìn)行TSN組網(wǎng)測試之前,需要了解TSN技術(shù)及其特點,以及了解各種流量類型和流量管理的技術(shù)細(xì)節(jié)。
● 01 TSN技術(shù)基礎(chǔ)概念
TSN是一項用于以太網(wǎng)的實時通信技術(shù),旨在確保在各種應(yīng)用場景中實現(xiàn)低延遲、低抖動和可靠的通信。TSN通過在以太網(wǎng)上定義一些機制來實現(xiàn)這一目標(biāo),其中包括:
>>全局同步時間:TSN使用一個共同的全局時鐘來確保各個網(wǎng)絡(luò)組件之間的時間同步,以便在網(wǎng)絡(luò)中傳輸消息時可以精確地計算延遲。
>>時間觸發(fā)消息傳遞:TSN定義了交換以太網(wǎng)中時間觸發(fā)消息傳遞的標(biāo)準(zhǔn),以確保消息能夠按照預(yù)定的時間表發(fā)送和接收,從而實現(xiàn)時間關(guān)鍵型保留流量的確定性有限延遲。
>>隊列調(diào)度:TSN通過定義根據(jù)時間表傳輸消息的隊列來保證各種流量類別和應(yīng)用程序集成到單個基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中。
通過這些機制,TSN能夠在以太網(wǎng)上實現(xiàn)嚴(yán)格的時間控制,從而滿足各種實時應(yīng)用的要求。TSN在信息技術(shù)(IT)核心(如工業(yè)4.0、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT))中具有重要的作用,能夠幫助企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造。
● 02 TSN技術(shù)特點
(1)實時性
通過使用時間同步和硬件時間戳技術(shù)(IEEE 802.1AS),TSN技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)按照預(yù)定時間到達(dá)目的地,從而確保實時性。這種技術(shù)確保了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸遵循一個嚴(yán)格的時間表,從而保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。
(2)可靠性
TSN技術(shù)通過采用冗余路徑、雙路徑和隊列調(diào)度等技術(shù)(例如IEEE 802.1CB),有效地避免了數(shù)據(jù)丟失和延遲,從而顯著提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。這種技術(shù)為數(shù)據(jù)傳輸提供了備用通道,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效的排隊調(diào)度,以確保它們能夠按時到達(dá)目的地,從而保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。
(3)確定性
通過采用預(yù)定帶寬技術(shù)(例如IEEE 802.1QBV),TSN技術(shù)可以對網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行有效的優(yōu)化,從而確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可預(yù)測性。這種技術(shù)可以為網(wǎng)絡(luò)上的各個流量流提供特定的帶寬,從而確保了它們的傳輸效率和穩(wěn)定性。這樣一來,網(wǎng)絡(luò)上的各種應(yīng)用程序和服務(wù)就能夠更好地協(xié)同工作,從而提高了整個系統(tǒng)的性能和可靠性。
(4)兼容性
TSN技術(shù)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兼容(IEEE 802.1/802.3),并且可以與以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共存。此外,它還具有軟件升級的優(yōu)勢,因此可以通過簡單的軟件升級來實現(xiàn)功能的增強和改進(jìn),而無需更換硬件。這種技術(shù)的兼容性和可升級性使得它非常適合于各種不同類型的網(wǎng)絡(luò),可以幫助網(wǎng)絡(luò)運營商在不影響現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提高網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性。
● 03 TSN流量類型
在TSN網(wǎng)絡(luò)中定義三種基本類型的流量:計劃流量ST、盡力而為流量(BE)和預(yù)留流量RT,對硬實時性有嚴(yán)格要求的數(shù)據(jù)傳輸采用ST,而對實時性要求不高并且需要預(yù)留部分帶寬的數(shù)據(jù)傳輸采用RT,BE則是沒有任何傳輸要求的一般以太網(wǎng)流量。
02 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計
一旦流量特征分析完成并確定了測試計劃,就有必要設(shè)計并設(shè)置一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),TSN網(wǎng)絡(luò)定義TSN包括以下幾個方面:
測試架構(gòu)
a)要使用的設(shè)備:TSN終端設(shè)備和交換機/橋接器(endpoint , bridge)。
b)確定這些設(shè)備之間的物理連接,這和網(wǎng)絡(luò)本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計相對應(yīng)。
c)在構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中定義TSN數(shù)據(jù)流,以及這些數(shù)據(jù)流的實際傳輸路由。
根據(jù)測試需求,設(shè)置TSN交換機的參數(shù),如時間同步方式、隊列調(diào)度算法、流量控制策略等。將TSN終端設(shè)備連接到TSN交換機,確保設(shè)備與交換機之間的連接正常。
● 01 TSN交換機/終端設(shè)備
TSN組網(wǎng)測試需要使用支持TSN技術(shù)的交換機。這些交換機可以支持多個TSN特性,如時間同步、帶寬保障、流量隔離和時鐘同步等,虹科攜手RELYUM為客戶提供完美硬件解決方案,滿足各種大型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的構(gòu)建,其中包括20/12/4端口的RELY-TSN-BRIDGE交換機,RELY-TSN-PCIE終端設(shè)備,支持的協(xié)議包括AS、Qbv、Qav、Qcc、Qci、CB。
● 02 TSN網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備
在進(jìn)行TSN組網(wǎng)測試之前,需要使用支持TSN技術(shù)的測試工具,這些測試工具可以模擬各種流量類型和生成TSN測試報告,虹科能提供RELY-TRAF-GEN模擬各種類型流量;RELY-TSN-LAB基于IEEE 802.1AS網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn),執(zhí)行錯誤注入、延遲和帶寬測量、流量過濾和硬件時間戳;RELY-TSN-REC基于IEEE 802.1AS同步的流量硬件時間戳,存儲記錄與Wireshark兼容的標(biāo)準(zhǔn)文件格式(PCAP)。
通過向TSN終端設(shè)備或是流量發(fā)生器發(fā)送數(shù)據(jù)包,并記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和抖動等指標(biāo),測試TSN網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性。
● 03 TSN設(shè)備和應(yīng)用程序
TSN組網(wǎng)測試需要使用各種支持TSN技術(shù)的設(shè)備和應(yīng)用程序。這些設(shè)備可以包括IP電話、工業(yè)自動化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控設(shè)備等,應(yīng)用程序可以包括語音、視頻、數(shù)據(jù)等。
通過模擬高負(fù)載情況,測試TSN網(wǎng)絡(luò)的流量控制策略,如優(yōu)先級流量控制、帶寬保障等。
● 04 了解各種測試場景
TSN組網(wǎng)測試需要了解各種測試場景,如傳輸時延測試、帶寬保障測試、流量隔離測試和時鐘同步測試等。需要在這些測試場景中模擬各種實際情況,并評估網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男阅芎涂煽啃浴?/p>
03 TSN應(yīng)用領(lǐng)域及測試的注意事項
● 01 汽車
對于車輛E/E架構(gòu),重要的是要保證數(shù)據(jù)傳輸所需的QoS要求,并提供足夠的措施來實現(xiàn)通信系統(tǒng)的功能安全,通過引入TSN標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)所需的功能。例如標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不提供通過實時功能實現(xiàn)冗余的選項,通過測試冗余CB協(xié)議,判斷是否滿足實時要求來引入無縫冗余,該標(biāo)準(zhǔn)可能是未來E/E架構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分,以實現(xiàn)冗余,以實現(xiàn)自動駕駛汽車等的安全要求。通過測試Qav,Qbv,檢查TSN對于帶寬的限制和優(yōu)化能力,為了確保盡力而為的流量傳輸,重要的是避免通信線路過載。同時整個網(wǎng)絡(luò)中也會充斥著大量非必要的數(shù)據(jù),通過測試Qci,檢測TSN對于流量過濾和警戒的能力,可以防止不必要的幀延遲和丟失。此外,架構(gòu)中的數(shù)據(jù)融合決定于時基的精確,AS-2020能提供高精度的同步能力,在主時鐘發(fā)生故障時立即切換到另一個冗余時基。
● 02 工業(yè)自動化
在工業(yè)自動化中,實時傳輸大量的控制信號和傳感器數(shù)據(jù)對通信網(wǎng)絡(luò)的要求更為嚴(yán)格,AS滿足各實時性之外,此時需要測試Qbv和Qav等TSN帶寬優(yōu)化協(xié)議,是否能夠處理網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)以提供確定性延遲,同時考慮到傳輸?shù)目煽啃?,CB冗余同樣不可或缺的用來提高生產(chǎn)線的效率和穩(wěn)定性。例如視頻監(jiān)控等高帶寬、低延遲的通信場景,需要TSN技術(shù)來提供可預(yù)測的帶寬和低延遲的通信,以確保圖像的清晰度和實時性。
● 03 航空航天
在航空航天領(lǐng)域,TSN技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景,由于航空設(shè)備內(nèi)存在多種網(wǎng)絡(luò),TSN可以用于實現(xiàn)飛機上各種設(shè)備之間的高效通信,比如飛行控制、飛行數(shù)據(jù)記錄等,測試Qbv等帶寬控制能力,保證實時交換數(shù)據(jù)以低延遲、低抖動、確定性傳輸。測試CB冗余交換能力,保障航電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。實現(xiàn)飛機控制系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)交換和控制信號傳輸,提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。
04 總結(jié)
TSN是一項面向未來的新興技術(shù),它定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制,為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性,以確保數(shù)據(jù)實時、確定和可靠地傳輸,從而賦能多行業(yè)領(lǐng)域以太網(wǎng)的新發(fā)展。為加速推動TSN應(yīng)用落地,了解TSN應(yīng)用的優(yōu)勢和必要性,需要進(jìn)行TSN組網(wǎng)測試。TSN組網(wǎng)測試需要深入了解TSN技術(shù)、設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑹褂肨SN交換機和測試儀器、使用TSN設(shè)備和應(yīng)用程序、了解各種測試場景以及編寫測試計劃和測試報告等工作。虹科可提供TSN網(wǎng)卡、TSN交換機、TSN流量記錄儀、TSN測試工具等設(shè)備,以及未來可用于模擬,管理和配置大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的CNC軟件工具。虹科TSN組網(wǎng)測試方案支持市場上數(shù)量最多的TSN標(biāo)準(zhǔn),可實現(xiàn)完整的TSN功能,能夠被用于TSN網(wǎng)絡(luò)配置、評估、測試和驗證,并已經(jīng)過汽車、鐵路、軌道交通、工業(yè)等領(lǐng)域嚴(yán)苛工作環(huán)境的驗證,幫助用戶快速推動TSN方案落地。