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天生可靠 | 看TSN如何打造超快超穩(wěn)的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通信

英特爾

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TSN ， 全稱Time-Sensitive Networking ， 中文名稱為時間敏感型網(wǎng)絡(luò) ， 它是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動的全新工業(yè)通信技術(shù) ， 也是下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心 。

  IEEE 802.1 AS標(biāo)準(zhǔn)TSN 通過TAS、CQF等確定性傳輸機(jī)制 ， 確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)流在混合流量環(huán)境中的高質(zhì)量端到端傳輸 ， 實(shí)現(xiàn)IT網(wǎng)絡(luò)和OT網(wǎng)絡(luò)的融合 ， 而高精度的時鐘同步機(jī)制是實(shí)現(xiàn)端到端確定性調(diào)度的基礎(chǔ) ， 尤其是為了達(dá)成微秒級別的流量調(diào)度 ， TSN需要確保時鐘同步的精度達(dá)到納秒級別 。 為此802.1 TSN工作組在IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定了IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn) ， 不同時鐘同步協(xié)議的主要差異如表1所示 。


表1 不同時鐘同步協(xié)議差異

TSN采用了IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)中的廣義精確時間同步協(xié)議（gPTP）來實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時間感知節(jié)點(diǎn)的時鐘同步 。 gPTP在L2層運(yùn)作 ， 減少由協(xié)議棧不對稱帶來的誤差 ， 同時使用高精度的硬件時間戳感應(yīng)機(jī)制來獲取時間信息 ， 通過周期性地交互PTP同步報文 ， 各從時鐘節(jié)點(diǎn)與最佳主時鐘完成相位同步和頻率同步 ， 最終達(dá)到納秒級的時鐘同步精度 。
時間戳表示報文進(jìn)入或離開時間感知系統(tǒng)的時間點(diǎn) 。 在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中 ， 生成時間戳的位置有三種不同的方式 ， 如圖1所示 。 通常情況下 ， 時間戳生成的位置越接近底層硬件 ， 則其受到的影響越小 ， 精度也越高 。 為了滿足IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)要求的六個時間敏感設(shè)備間的時間偏差不超過1微秒 ， gPTP協(xié)議推薦使用硬件時間戳以確保必要的精度 。
（1）如非實(shí)時性的Linux操作系統(tǒng)中 ， 上層協(xié)議棧感應(yīng)軟件時間戳?xí)艿絽f(xié)議棧不對稱和進(jìn)程占用處理器資源引起的時間不確定影響 ， 從而導(dǎo)致感應(yīng)到的軟件時間戳的準(zhǔn)確度降低 。
（2）通過網(wǎng)卡驅(qū)動在MAC層感應(yīng)硬件時間戳的方式可以避免上述諸多不確定因素的影響 ， 但由于MAC層本身處理時間戳?xí)r仍可能存在一定的波動 ， 因此時間戳的準(zhǔn)確度依然會有一定誤差 。
（3）最高準(zhǔn)確度的時間戳生成方式發(fā)生在物理層 。 理想狀態(tài)下 ， 時間戳應(yīng)在接收到的第一個字節(jié)和發(fā)送的最后一個字節(jié)時生成 ， 從而完全規(guī)避系統(tǒng)延遲的影響 。 不過 ， 這種方法需要專業(yè)定制的PHY芯片或FPGA來實(shí)現(xiàn) ， 對硬件配置有很高的要求 。


圖1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備感應(yīng)時間戳方式
【天生可靠 | 看TSN如何打造超快超穩(wěn)的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通信】

IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)定義的時鐘同步機(jī)制分為兩個階段 。 首先 ， 在初始化階段 ， 各時間感知節(jié)點(diǎn)相互發(fā)送攜帶各自時鐘信息的Announce報文 ， 在本地系統(tǒng)使用最佳主時鐘算法比較時鐘信息后 ， 選出系統(tǒng)內(nèi)時鐘屬性最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為最佳主時鐘節(jié)點(diǎn) ， 并以此為根建立最小同步生成樹路徑用于傳輸同步信息 。
接著 ， 在時鐘校正階段 ， 從時鐘節(jié)點(diǎn)接受同步報文完成與最佳主時鐘的校正對齊 。 時間感知節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送Pdelay類型報文測量鄰近節(jié)點(diǎn)間的鏈路延遲 ， 并利用Sync和Follow_Up報文傳送最佳主時鐘的時間信息 。 從時鐘節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的同步報文進(jìn)行必要的時鐘校正 ， 以實(shí)現(xiàn)與最佳主時鐘的對時同步 。 IEEE 802.1AS時鐘同步機(jī)制校正過程如圖2 所示 。


圖2 IEEE 802.1AS時鐘同步機(jī)制校正過程


基于gPTP的多域時鐘同步技術(shù)IEEE 802.1AS-2020 采用硬件時間戳技術(shù) ， 保證了時間信息獲取的準(zhǔn)確性和可靠性 。 然而 ， 在極端條件下 ， 比如太空中的粒子輻射可能會導(dǎo)致航天設(shè)備的節(jié)點(diǎn)故障 。 針對這類情況 ， IEEE 802.1AS-2020 引入了多域時鐘同步的概念 ， 雖然該標(biāo)準(zhǔn)定義了相關(guān)的基本術(shù)語 ， 但并未詳細(xì)規(guī)定具體的操作流程 。
為了改善在高風(fēng)險環(huán)境下的時鐘同步系統(tǒng)可用性 ， P802.1ASdm 工作組正在擬定基于熱備份冗余主時鐘的標(biāo)準(zhǔn)草案 ， 如圖3所示 。 該草案將通過部署多個主時鐘及多條同步路徑來增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯能力 ， 保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)部分故障后 ， 時鐘同步系統(tǒng)仍可以穩(wěn)定運(yùn)行 。 預(yù)計(jì)這一新標(biāo)準(zhǔn)將在2025年正式推出 。


圖3 基于gPTP的多域時鐘同步網(wǎng)絡(luò) 圖源：外籍文獻(xiàn)



跨網(wǎng)融合同步技術(shù)TSN確保了多協(xié)議流量混合傳輸環(huán)境中關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的確定性傳輸 ， 因此它適合作為骨干網(wǎng)絡(luò)來集成不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 ， 實(shí)現(xiàn)共網(wǎng)傳輸 ， 而不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間時鐘的精確同步是確保網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)有序傳輸?shù)年P(guān)鍵 。
在由無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中 ， 數(shù)據(jù)傳輸方式包括無線網(wǎng)絡(luò)接入TSN骨干網(wǎng)和TSN網(wǎng)絡(luò)間跨越無線網(wǎng)傳輸兩種方式 。 當(dāng)多個TSN網(wǎng)絡(luò)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行跨網(wǎng)通信時 ， 除將無線網(wǎng)絡(luò)與TSN網(wǎng)絡(luò)完成時鐘同步外 ， 還可以將無線網(wǎng)絡(luò)作為TSN網(wǎng)絡(luò)的透明傳輸橋接設(shè)備 ， 此時無線時鐘域不參與與TSN時鐘域的同步校正計(jì)算 。
無線時鐘域相對于整個系統(tǒng)可看做邊界時鐘和透明時鐘 。 對于邊界時鐘同步方案 ， 無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)的跨網(wǎng)邊界橋接設(shè)備能夠同時感知兩個時鐘域的時間消息 ， 并測量兩個時鐘域之間的偏差 。 通過將測量偏差補(bǔ)償?shù)綗o線設(shè)備的時鐘信息上 ， 使得無線時鐘域的運(yùn)行時間同步到TSN時鐘域的運(yùn)行時間 ， 如圖4所示 。 這樣就確保了兩個時鐘域具有相同的時間基準(zhǔn) ， 從而為跨網(wǎng)精確調(diào)度傳輸?shù)於嘶A(chǔ) 。

圖4 基于邊界時鐘同步方案的跨網(wǎng)融合同步網(wǎng)絡(luò)

透明時鐘補(bǔ)償方案是實(shí)現(xiàn)TSN跨網(wǎng)絡(luò)時間同步的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 。 該方案將無線網(wǎng)絡(luò)視為TSN網(wǎng)絡(luò)之間的一個透明網(wǎng)橋 ， 在同步機(jī)制中充當(dāng)透明時鐘的角色 。 當(dāng)PTP消息進(jìn)出跨網(wǎng)絡(luò)邊界橋接裝置時 ， 會感應(yīng)并記錄相應(yīng)的時間戳 ， 進(jìn)而測量這些消息在無線時鐘域中的駐留時間 ， 并將該駐留時間插入到同步報文的修正字段中 。 這種方法簡單高效 ， 因?yàn)橥该鲿r鐘僅需處理消息的駐留時間 ， 而不必直接解決時鐘間的時間不匹配問題（當(dāng)然完成頻率校正會使同步更加精確） ， 如圖5所示 。 透明時鐘補(bǔ)償方案在實(shí)現(xiàn)多個時鐘域之間的跨網(wǎng)絡(luò)同步時 ， 表現(xiàn)出極高的靈活性和可擴(kuò)展性 。

圖5 基于透明時鐘補(bǔ)償方案的跨網(wǎng)融合同步網(wǎng)絡(luò)

TSN作為一項(xiàng)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ， 致力于滿足實(shí)時通信的高度需求 ， 其卓越的性能、可靠性和實(shí)時性為工業(yè)自動化、汽車通信、音視頻傳輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域帶來了革命性的變革 。 通過一套綜合的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn) ， TSN不僅確保了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸 ， 還為各種應(yīng)用場景提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐 ， 極大地促進(jìn)了這些領(lǐng)域的進(jìn)步與發(fā)展 。
隨著TSN技術(shù)的不斷演進(jìn) ， 其未來的潛力不可限量 。 它不僅將持續(xù)推動各行各業(yè)的創(chuàng)新與突破 ， 還將進(jìn)一步提升實(shí)時通信的質(zhì)量與效率 ， 開啟一個更加智能、高效的互聯(lián)時代 。 TSN的發(fā)展標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)邁向了一個新的里程碑 ， 預(yù)示著一個更加緊密、實(shí)時的世界正在逐步成為現(xiàn)實(shí) 。

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