TSN介紹

隨著智能制造、工業物聯網、大數據的發展，許多工業自動化應用對于延遲和確定性的要求越來越嚴格。現有的大部分自動化控制解決方案都是基于傳統的以太網實現的，各大廠商研發了一些附加的技術機制，從而導致了很多協議都不兼容。如Profinet、Powerlink、EtherCAT、SercOSIII等均無法互相兼容也無法和標準以太網共同進行數據傳輸。因此實時以太網解決方案市場非常分散，無法支持未來工業網絡的發展。時間敏感網絡（TSN）迎合了工業以太網的需求，其低延遲、低抖動、高可靠性能，保證了數據的確定性傳輸和網絡復用性。

TSN本身并非是一個全新的技術，IEEE于2002年發布了IEEE1588精確時鐘同步協議，而2005年，IEEE802.1成立了IEEE802.1AVB工作組，開始制定基于以太網架構的音頻視頻傳輸協議集，用于解決數據在以太網中的實時性、低延時以及流量整形的標準，同時又確保與以太網的兼容性。而AVB又引起了汽車工業、工業領域的技術組織及企業的關注，并成立了TSN工作組，并開發了時鐘同步、流量調度、網絡配置系列標準集。

TSN是基于IEEE802.1Q標準的VLAN（虛擬局域網），該標準允許在以太網幀增加4個字節用于定義其特征：

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1）、標簽協議識別:網絡類型識別，代表這是一個TSN網絡，標記0X8100；

2）、優先級代碼（Priority Code Point）：3位代碼構成三個優先級位，簡稱PCP；

3）、標志位：對于網絡低QoS要求的數據，可以予以丟棄，以確保高優先級數據的QoS；

4）、VLAN Identifier（VID）：VLAN網絡的識別號，12位表示可支持的子網數量，2的12次方即4096個子網，VID＝0用于識別幀優先級,4095(FFF)作為預留值，所以VID最多可以表示4094個子網，說明TSN是為了大型的數據傳輸而設計的。

TSN作為IEEE802.1Q僅指ISO/OSI參考模型的第二層，數據鏈路層的標準，它與其它實時總線相比有有所差別。下圖對比了各種總線在7層網絡協議中的位置。

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TSN協議族包含了時鐘同步、流量整形、數據調度、網絡配置、應用配置等方面的標準:

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IEEE著手將以太網全面升級為TSN網，這個過程可能要用20年時間。其應用范圍很廣，涵蓋6個領域，分別是：

a、以太網音視頻橋即EAVB，802.1BA標準；

b、5G射頻前傳FrontHaul，即802.1CM/de標準；

c、工業自動化即IEC/IEEE 60802標準；

d、車載TSN即802.1DG標準；

e、服務供應商Service Provider即802.1DF標準。

其中后3個標準尚未完成。

TSN機制

時鐘同步機制

IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時鐘同步協議發展的，稱為gPTP-廣義時鐘同步協議。gPTP是一個分布式主從結構，它對所有gPTP網絡中的時鐘與主時鐘進行同步。首先由最佳主時鐘算法（best clock master algrothms，BCMA）建立主次關系，分別稱為主時鐘（clock master,CM）和從時鐘(clock slave,CS)。

每個gPTP節點會運行一個gPTP Engine。IEEE1588所采用的PTP是由網絡的L3和L4層的IP網絡傳輸，通過IPv4或IPv6的多播或單播進行分發時鐘信息。而gPTP則是嵌入在MAC層硬件中，只在L2工作，直接對數據幀插入時間信息，并隨著數據幀傳輸到網絡每個節點。

而IEEE802.1AS-rev則是一種多主時鐘體系，它主要為了確保當有一個GrandMaster宕機時，可以快速切換到一個新的主時鐘，以便實現高可用性系統，對于車載系統基于IEEE802.1AS即可，而對于工業則考慮高可用性采用AS-Rev版本。

數據調度機制

TSN 的數據調度是保證時間敏感的基礎，它的核心思想是基于不同的整形器來進行不同應用場景的流控制。IEEE 802.1 提供了一系列的標準來確保可靠性的數據傳輸，其中AMD的數據調度方式是時間感知的整形器(TAS Time Awareness Shaper)，通過門控制列表（GCL）周期性的控制門的開/關，TAS需要從發送方（Talker）到接收方（Listener）中間的所有網橋進行時鐘同步，對于網橋中的每個端口，TAS根據已知且商定的時鐘表進行開關驅動動作，而數據調度則可以根據每個節點及隊列的優先級進行定義，在IEEE802.1Qbv的實現中，那些需要實時傳輸的數據流通常被第一個安排進行傳輸，需要在時間調度配置時預先予以確定，而與此同時，還需要為非周期性的數據預留一個通道。

其他機制

除此之外，TSN還包括IEEE 802.1Qci(包過濾，可以防止ARP攻擊等) IEEE 802.1CB(幀復制和消除，冗余系統) IEEE 802.1Qcc(網絡管理配置) IEEE 802.1Qbu(幀搶占策略)等標準。

AMD TSN-IP簡介

LogiCORE100M/1GTSN Subsystem IP在Zynq-7000和MPSoC系列SoC上實現了TSN標準，提供了雙口橋接低延遲端點或者單端點的方案，外部可以通過RGMII/GMII連接到PHY，支持100Mb/s和1Gb/s網絡。

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AMD的TSN IP提供了以下標準：

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從IP所具備的標準可以看出這個IP非常適合工業自動化等領域作為節點使用。

AMD TSN IP可以配置為單口端點模式和雙口交換模式：

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雙口交換模式實現方式如下：

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每個端口都有一個TAS整形器，用來控制內部和每個端口之間的數據流，3-Port Switch是一個3口交換IP，一個口連接內部數據，另外兩個通過MAC連接到外部網絡，PTP功能則是通過BRAM進入到MAC層中。

在Vivado中也有相應的實現：

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在PS側，提供了相應的軟件驅動和設備樹，保證用戶客戶可以方便快速的使用TSN IP。

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目前TSN IP支持Zynq-7000系列和MPSoC系列，IP配置為不同的模式消耗的邏輯資源如下:

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審核編輯：劉清