虹科方案 | 从IP Core到交换机，虹科发布TSN网络一站式解决方案

时间敏感网络

Time Sensitive Network

时间敏感网络（TSN）允许合并OT和IT世界，并保证确定性以太网网络中所有设备的互操作性和标准化。TSN建立在一个真正成熟的生态系统中（如以太网），因此大家认为TSN将是下一代工业网络通信的核心技术。

这项技术可显著降低设备投资、维护、高级分析服务的无缝集成以及减少对单个供应商的依赖。所有这些优点使时间敏感网络成为未来以太网络中的参考技术。

现在TSN标准是一个庞大的标准体系，并且还在不断扩展，主要是在802.1Q标准上进行修改与扩充而来。TSN重点是对当前的二层以太网络进行特性的增强，目前已经制定了一系列标准，通过允许时间同步，流量分组优先转发，利用门控调度机制清理线路以及带宽预留等机制来保证业务流量在以太网中的传输性能，提高以太网的实时性和可靠性。

TSN为了满足确定性的时延需求，会牺牲掉部分带宽资源，所以需要考虑提高资源利用率。除此之外，如何部署TSN网络？是采用分布式部署还是结合SDN等技术进行集中式部署？如何互联多个封闭的TSN 网络？如何协调传输时延的最大时延和平均时延？这些都是在选取TSN产品和做相关开发的时候需要考虑的一些问题。

为了满足国内用户的测试和开发需求，虹科推出了IP Core开发方案和直接标准化的硬件产品，以及可以基于这些硬件所搭建的TSN的一个测试网络。

MTSN IP core

虹科TSN IP核解决方案

MTSN IP核是全面的TSN解决方案，能够实现多种TSN协议规范。这是一个灵活的HDL代码，可用于实现 bridge 的功能。该IP提供了一组丰富的通用参数，以获得最佳的功能资源权衡。由于Vivado IPI提供了GUI界面，因此可以在VHDL级别或以图形方式配置这些通用项目。

• IEEE 802.1AS(rev): 时间同步

•IEEE 802.1Qav: 基于信用的整形器

•IEEE 802.1Qbv: 时间感知整形器

•IEEE 802.1Qcc: 网络管理

•IEEE 802.1Qci: 流过滤和切分

•IEEE 802.1AB: 链路层发现协议

•IEEE 802.1w: 快速生成树协议

•IEEE 802.1s: 多生成树协议

•IEEE 802.1CB: 帧复制和消除

•IEEE 802.1Qbu/802.3br: 帧抢占机制

在IIC（工业互联网联盟）TSN测试台经过测试验证使用Xilinx GUI进行简易的IP核配置。

(1)接口——多种PHY接口可选

（MII/RMII/GMII/RGMII/SGMII/QSGMII）

(2)交换能力——全双工10/100/1000 Mbps以太网接口；最多可达32端口，每个端口支持不同的数据速率

(3)IP核配置端口——4 种配置管理端口

RELY-TSN-BEIDGE

虹科TSN交换机

多功能-支持多种TSN标准

RELY-TSN-BRIDGE可以用于无缝实施确定性以太网，该器件基于SoC-e的TSN技术在最苛刻的行业（铁路、航空航天、汽车、工业自动化等）中使用的可靠且经过现场验证的设计。该设备可用作提供4个多媒体千兆以太网端口和1个内部端口的TSN Bridge，可与市场上的其他产品互操作。RELY-TSN-BRIDGE支持市场上数量最多的TSN标准，这使其适用于任何特定的配置文件。这些关键功能使RELY-TSN-BRIDGE平台成为用于关键环境的最可靠和多功能的网络设备。

新外壳-为快速散热设计

时间敏感网络是一项强大的技术，涉及一组标准，可确保以太网网络的确定性。能够实现如此低延迟的技术对资源的要求非常高，并且需要能够散发如此高计算量所产生的热量的设备。为了响应这一要求，虹科的RELY-TSN-BRIDGE交换机采用了一种新型外壳，得益于新型外壳的散热式设计，PCB组件上的温度以及设备的整体消耗得以降低，从而实现高效和优化的4端口TSN交换机。

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RELY-TSN-Configurator

虹科TSN配置工具

虽然大多数设备通常可以使用专有的解决方案，如网络管理器、命令行、串行端口等进行配置，但当增加更多的流量、数据流和设备时，这种方法是不可扩展的。配置冗余这样的机制，意味着为每个节点生成单独的配置，如其流识别机制、流处理程序、VLAN和恢复功能。当规模超过几个数据流时，这是一个很大的挑战。因此，强烈建议使用集中的网络配置。

01

手动配置

• 定义配置每个TSN机制的参数

• 利用终端设备的配置工具

02

集中配置

• 在IEEE 802.1Qcc中定义

•基于YANG模型的数据交换

•扩展的通信协议：netcong

03

主要功能

• MODEL：定义拓扑结构、硬件能力、流量要求

• GENERATE：选择TSN机制并生成配置要求

• EXPORT：配置已准备好的部署

虹科TSN测试框架

这些产品使用的都是全集中的模型，虹科的TSN解决方案支持Qbv YANG数据模型，并且可以由802.1Qcc（完全集中式配置）定义的CNC工具或设备使用NETCONF进行配置。

在上面这个图中，实线代表的是以太网，虚线代表的是TSN网络，TSN网络主干由四个 RELY-TSN-BRIDGE设备组成。这些设备是TSN交换机，每个都有四个TSN端口。这些设备将允许配置基于IEEE 802.1CB标准和RSTP协议的不同冗余拓扑结构，为用户提供一个灵活的测试平台。我们也可以将REC记录仪连接在TSN网络中可以用来记录保存TSN数据流，记录时间戳等。

TSN端点

TSN流是指从一个源头到一个或多个目的地的时间敏感数据的单向流动，是TSN网络配置的基础，因为TSN网络的每个链接中的所有机制都是按TSN流定义或配置的。测试平台包括三个TSN设备，它们将按照以下类别作为端点执行。

01

Listener

TSN 网络的要素之一是 listener，它们是消费流量的设备。在我们的架构中，其中一块 RELY-TSN-PCIe 卡将被配置为 listener。

RELY-TSN-PCIe 卡是一个独立的 TSN 设备，包括两个 TSN 外部端口，用于连接 TSN 网络和执行产品介绍所述 的 TSN 标准，包括冗余标准 IEEE 802.1CB 和 RSTP。

02

Talker

TSN 网络的第二个元素是 talker。在图中有两个 TSN talker。一边是安装在主机上的 RELY-TSN-PCIe 卡。该卡的功能与作为 listener 的 RELY-TSN-PCIe 卡的功能相同。在另一边，RELY-TSN-CPPS 设备也作为一个 talker。

非TSN端点

在一个TSN网络中，将TSN设备与非TSN设备结合起来是非常普遍的。事实上，在未来，TSN将得到其系统的支持，比如测量/科学/测试等非 TSN 子系统将与控制/传感器/执行器等TSN子系统共存于同一个网络中。

为了提出一个测试平台并尽可能地涵盖在未来系统中可以找到的所有元素，建议的测试平台架构最好包括两个非TSN设备作为talker，从而能帮助我们更好的检查一个混合网络的性能。

举个例子，这两个非TSN元素可以包括：

IP摄像机：传输预留流量

流量发生器：该设备允许在网络中创建拥堵场景

APPLICATIONS

虹科TSN解决方案的应用

TSN是专为满足这些要求而设计的新一代以太网。尽管TSN的引入将因行业而异，但提供实时工作负载的能力将是非常重要的，一些关键行业（如铁路或航空航天）正在将TSN作为其新平台中的标准IT/OT 网络。

虹科TSN解决方案在三个不同关键应用场景中得到了验证：航空航天、汽车和铁路。这些系统来自封闭的协议，过渡必须非常仔细地规划。TSN发展正处于一个新的阶段，这个时候就需要大型技术研发公司和集成商必须验证这项技术。

应用一：航空航天

提供基于专有的标准（比如AFDX）的方案的供应商很少，这就意味着成本较高。如果可以将不同的网络融合在一个TSN网络中，那就可以降低价格成本。并且每架飞机的子系统没有一个独特的标准，这意味着会有多个平行网络，这也同样会被转化为更昂贵的网络方案。在对低延迟、高带宽和数据采集单元的互操作性的需求推动下，航空航天与国防领域正在处于一场以太网的融合阶段。

TSN在航空领域可以看做是一些协议超集，可以兼容旧有网络，实现异构网络的融合传输，所以可以用一个统一的以太网代替之前的专用协议。还能够保持现有的一些网络架构的优点，又能保持较高的带宽，而且是一个通用网络架构，布线简单，组网成本相对较低，成本相对也会降低。

应用二：汽车

现在，在汽车领域有一种以太网方向融合发展的趋势，需要引入更多的执行器、传感器和高处理能力的系统，并且彼此之间完全互连。从这个出发点，需要一个具有高带宽能力的新的汽车基础设施。新型汽车网络架构，就是基于以太网或者说基于TSN网络的一个架构，该架构使用以太网作为骨干网络，而且有灵活的组网方案，将汽车分为若干可拓扑区域，从而增强可扩展性。

在某一汽车行业项目研究当中，虹科提供了演示中使用的TSN骨干基础架构，模拟使用了新一代确定性以太网标准互连的汽车某些部分的行为。虹科提供了TSN交换基础结构，该基础结构由基于虹科开发板的系统组成，该开发板基于使用MTSN IP Core开发的模块上系统（SMARTmpsoc）。

应用三：铁路

由于目前列车的基础设施基于不同的通信总线，一个用于控制目的，另一个用于其他系统，TSN是选定的技术，可以用于将所有这些总线合并到列车内的唯一网络。该项目的具体目标之一是实施新的全列车通信网络（被称为NG-TCN），来全面支持TCMS（列车控制和管理系统），包括更换列车线路，连接安全功能至SIL4，支持"故障安全"和"故障容忍"原则，为TCMS和OMTS（车载多媒体和远程信息服务）以及非TCMS的通信手段提供一个最佳列车网络。

TSN机制旨在用于将物理网络分成几个虚拟域，从而确保安全关键功能的确定性和可靠性，并为其他功能保持最低水平的QoS（服务质量），铁路部门也可以从更简单的网络基础设施和简化的集成中受益。

全文

总结

TSN的核心思维是提出了一个可互操作的系统，并支持多个制造商、协议和机构在同一个网络上共享，根据最严格的时间界限交付流量的能力，在同一物理网络上管理关键和非关键流量的融合，并提供支持高可用性通信的机制，而这也成为了TSN在参加当前最苛刻的关键（和非关键）应用方面的独特主张。有了互操作性和融合网络，市场上将会出现更多的解决方案，所以可以说，TSN能够激发更多具有成本效益的解决方案。