在可预测性和时间敏感性方面，不同的技术领域有自己的一套独特的需求，这给希望在共享连接上传输数据的系统设计师带来了挑战。在使用共享网络时，必须考虑低延迟和减少的时间延迟。幸运的是，有一个解决方案——时间敏感网络(TSN)。TSN位于标准以太网之上，并定义了一组标准，使系统设计人员能够使用以太网在共享连接上传输IT和OT数据。
在本文中，了解时间敏感网络的好处以及工程师如何使用它来确保工业系统为未来准备。本文重点关注该集合标准的三个成员，详细解释了它们，并提及一些将时间敏感的网络功能结合到其硬件中的设备。
什么是时间敏感的网络？
在具有许多设备的分布式系统中，如现代工厂地板，所连接的设备可能具有截然不同的需求和潜在冲突的目标，用于与网络中的其他组件进行通信。查看传输数据的一种方法是在信息技术（IT）和操作技术（OT）域的上下文中查看它。
操作技术流量，如机器控制数据和传感器值，通常需要网络表现可预测。此域中的通信需要固定的时间延迟，低延迟和低抖动。另一方面，信息技术流量是例如电子邮件流量和固件更新等数据。这里，时序约束不是至关重要的，并且通信通常是最佳精力。
虽然IT流量通常需要更多的带宽，但数据不需要在给定的时间框架内到达目的地。相反，通常重要的是总体吞吐量。另一方面，对于OT，在某一时刻丢失数据可能导致故障，因此数据必须在一定的硬实时约束下到达目的地。
有时，工程师通过维护两个独立的网络来解决这个问题——一个用于OT流量，另一个用于IT基础设施。TSN(时间敏感网络)是一组建立在标准以太网之上的标准，允许OT和IT流量根据每个域的个人需求共享同一个网络。TSN通过减少网络延迟和降低端点之间的延迟，确保单个数据包能够按时到达目的地，从而为以太网增加了确定性。
听的标准
如上所述，TSN是一组坐在以太网顶部的标准。每个标准描述了不同的功能，系统设计人员可以选择将标准组合以更适合其要求来定制网络。下表概述了TSN标准（本文讨论了802.1AS，802.1CB和802.1QBV）：
图1。一些TSN标准具有工业用例。
802.1A的时间敏感应用的时序和同步
TSN标准起源于精密时间协议（PTP，IEEE1588®）。PTP背后的主要思想是同步网络内的分布式机器时钟。PTP利用时钟分布树，通常还有一个宏大，这是所有时序的来源。这位宏大从高精度源接收时间 - 例如，高精度GPS时钟。网络内的从节点以点对点方式将其本地时间与主节点的时间同步。
PTP是TSN标准的基础，而gPTP是802.1AS标准的一部分。PTP和gPTP有许多共同的术语，但也有一些关键的区别。其中一个区别是，PTP位于OSI层模型的传输层上，因此，它允许许多不同的底层传输方法。gPTP和PTP之间的其他区别如下图所示。更新版本的gtp恢复了使用单步时间戳的能力。最后，gPTP需要点对点延迟机制，并期望所有设备同步，这意味着它们有一个标准的频率基础，并且所有时钟都以相同的速率运行。
图2。PTP与GPTP之间的差异。
工程师可以采用802.1AS标准来在机器中或在工业网络上同步任务。本文稍后引入了使用802.1as的同步电动机控制示例。
使用802.1CB创建冗余网络
802.1CB标准允许系统设计人员通过网络创建冗余通信流。典型的应用是具有多个设备的环形拓扑网络。设备之间的通信被复制并在环上的每个方向周围发送。如果在任何时候都有一个响铃，则所有设备仍然能够彼此通信，并且没有丢失的数据包，并且没有任何通过重传算法产生的延迟。
图3。具有消息冗余的环形拓扑图。
每当一个设备（讲话者）想要与铃声中的另一个设备（侦听器）通信时，它将在不同方向上发送重复消息。此功能在硬件中实现，使得TSN使能交换机重复分组并插入包含标识复制流的标题的冗余标记，并包括序列ID以允许接收器丢弃其接收的重复。侦听器中的TSN功能硬件从环上的两个方向接收数据包，并检测第一唯一数据包。然后，它会自动丢弃稍后到达的重复数据包使用相同的序列ID。
将这些任务卸载到TSN功能的硬件简化了软件开发，因为它删除了复杂重传算法的需求。
要使用802.1CB，系统设计人员必须识别通过TSN功能的交换机复制的流量流。存在几种不同的方法，但是在它们中的每一个的核心，网络交换机复制匹配预定模式的消息（例如，所有消息到具有特定MAC地址的设备）。
将OT和IT流量与802.1QBV的单个网络相结合
802.1QBV标准利用时间感知的整形器，该整形器在SoC中的以太网交换机或独立以太网控制器的出口端口（传出端口）上实现。时钟的Shaper确定交通何时可以向电线转出。该标准定义了8个队列，用于不同的流量流，软件使用栅极控制列表配置这些队列。
图4。802.1qbv计划的示意图。计划包含两个单独的时间区（灰色和蓝色），以单独传输OT和IT数据。
栅极控制列表设置栅极打开以将流量排出队列的时间表。这些列表是多功能的，允许多个门同时打开或关闭。还可以通过计划设置每个步骤的唯一时间间隔。
在设备上运行的每个软件应用程序将流量分配给不同的队列，具体取决于该应用程序的优先级或其发送的数据。映射可以通过协议，目标端口和某些流量类型（例如，在UDP上）的某些流量类型发生。网络上的所有设备都同步和管理，确保关键数据流不会在网络上碰撞，并且它们满足其实时要求。
TSN硬件还会在每个时间段之前自动执行一个保护带。这确保了大数据包的传输不会在门转换之前开始。否则，低优先级的数据包传输可能会在高优先级的时隙上运行。硬件在发送前检查每个数据包，如果它不能在当前时间段完成一个数据包，硬件将保存它直到下一个时间段，因为这类流量是可用的。
时间敏感网络的软件启用
NXP提供了几种用于利用Layerscape®LS1028A和其他微处理器中的TSN功能的软件工具。
开源软件
对于那些更喜欢开源开发平台的人来说，NXP提供TSNTool来配置LS1028A中的所有TSN功能，或者，开发人员可以使用Linux Iproute2套件的一部分的TC命令。TC可以将时间感知的轮廓和转向应用程序流量配置为不同的流量队列。通过PTP4L包支持GPTP。
音频视频桥接（AVB）和时间敏感的网络（TSN）堆叠
恩智浦还提供可在微处理器和微控制器上运行的便携式AVB / TSN堆栈，为需要在可扩展的一组平台上部署TSN的开发人员提供选项。
上面的802.1QBV讨论将Layerscape LS1028A软件开发套件（SDK）作为将栅极控制列表上载到支持TSN的以太网控制器的一种方法。LS1028A是基于两种ARM®Cortex®-A72核心的应用处理器，该核心通常运行Linux®OS或不同的高级OS或实时操作系统。
LS1028A包括支持TSN的以太网控制器以及支持TSN的集成网络交换机。此外，LS1028A应用处理器支持诸如加密引擎和信任架构的各种安全特征。此外，该设备还包括3D图形加速度和监视器支持，通过DisplayPort（DP）。
LS1028A可以运行开放的工业Linux，专门用于工业用例。这使得设备能够在实时环境中运行并运行低延迟处理（与Xenomai Linux）进行运行。此外，该设备可以在一个核心和Linux上执行裸机代码，例如，在另一个核心和Linux上。
此外，NXP为TSN提供开源支持，以及配置它的工具。在开放式工业Linux中，NXP为PTP提供开源驱动器支持。这些驱动程序允许用户控制PTP硬件时钟和时间戳。
即将到来的同步电机控制示例的一部分利用商业NXP AVB堆栈，这是一些讨论的标准的早期迭代。恩智浦将来将增加TSN支持。
作为Layerscape LS1028A的替代品，i.MX RT1170跨界MCU是另一种支持TSN的NXP设备。这款双核跨界MCU的特点是Cortex-M7内核可以运行到1ghz，嵌入式Arm Cortex-M4内核时钟为400mhz。
此Crossover MCU对具有高性能微控制器核心的大量典型MPU IOS，显示功能，高级安全性，以及启用了TSN的以太网控制器。
一个实用的例子：带TSN的同步电机控制
在以下实际示例中，两个电机具有塑料磁盘，带插槽连接到它们，这必须同步地一起工作，使得磁盘不会彼此崩溃。为实现这一点，i.MXRT1170 MCU通过采用其802.1AS的以太网控制器执行协调整个系统的任务。
图5。同步电机控制示例的高级概述。I.MXTT1170 MCU确保电机的同步操作，LS1028A供电的网络网桥确保在不同的时间帧中传输的时间关键数据。
电机连接到从主协调器接收数据包的单独控制器。该数据告诉电机何时移动。
网络桥接组件之间的流量。在此示例中，桥接器使用LayerScape LS1028A应用处理器。这些设备能够使用TSN 802.1QBV标准组合OT和IT流量。利用这种方法，与IT数据相比，电动机控制数据在不同的时间帧中传输，与此示例中是随机生成的数据。
如前所述，可以结合TSN标准来满足特定应用程序的要求。这个例子恰恰说明了这一点。主控制器使用802.1AS建立同步的时基，而交换机实现802.1Qbv来形成网络流量，以确保在给定的约束条件下传输时间关键的数据。这确保了电机可以同步和尽可能快的运行。
共享连接的时间敏感网络
IT和OT数据有冲突的需求——IT流量通常比OT流量包含更多的数据，竭尽全力的通信通常就足够了。另一方面，OT交通是时间紧迫的。通常，应用严格的时间、延迟和延迟约束。通过TSN，系统设计者可以使用以太网在共享连接上传输IT和OT数据。
802.1AS以纳秒以内的精度同步网络中的多个设备。这个特性在许多Layerscape、i.MX和i.MX RT交叉mcu上都可用，开源和交钥匙商业软件也很容易支持TSN。
使用802.1CB，系统设计者可以通过在以太网中添加冗余来为系统引入容错性。有了TSN能力的硬件，冗余特性被卸载到硬件上。这样做可以减少应用程序软件的开销。该特性可以在Layerscape LS1028A上使用，并且可以使用开源软件和驱动程序。
802.1QBV将时间感知整形引入标准以太网网络。它为时间敏感以太网流量流提供低延迟和低抖动传输，并且它为特定应用程序保留带宽。OT和IT流量共享一个网络。此功能也可在几种NXP处理器上提供，可提供开源和交钥匙商业软件。
如电机控制示例所示，可以组合不同的标准以适应特定的应用程序的需求。
恩智浦的社区页面提供了一系列关于NXP处理器的论坛、示例、应用说明和其他信息，可以实现对时间敏感的网络，允许共享数据连接。
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