TSN時鐘同步 | PTP對時案例演示——基于NXP i.MX 8M Plus

Tronlong--

TSN簡介

TSN介紹

時間敏感網(wǎng)絡(TSN：Time Sensitive Networking)是IEEE802.1工作組中的TSN任務組開發(fā)的一套協(xié)議標準。該標準定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制，為標準以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保以太網(wǎng)能夠為關鍵數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)定一致的服務級別。

TSN是一組IEEE 802.1協(xié)議標準，包括802.1AS-Rev、802.1Qbv、802.1Qbu、802.1CB等多個協(xié)議，工作在OSI七層網(wǎng)絡模型中的第二層—數(shù)據(jù)鏈路層。

圖 1

TSN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。時間敏感型網(wǎng)絡允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡中傳輸，使得標準以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢，并通過廠商獨立的標準化進程，已成為廣泛聚焦的關鍵技術。

TSN主要價值特點：

（1）TSN提供微秒級確定性服務，保證各行業(yè)的實時性需求。

TSN可達到10us級的周期傳輸，性能優(yōu)于主流的工業(yè)以太網(wǎng)。并且，TSN面向音視頻、工業(yè)、汽車等多種行業(yè)，將實時性延伸至更高的層次。

（2）TSN降低整個通信網(wǎng)絡復雜度，實現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)同時傳輸。

以工業(yè)為例，當前周期性控制數(shù)據(jù)使用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸，非周期性數(shù)據(jù)使用標準以太網(wǎng)傳輸。TSN通過其調(diào)度機制能夠?qū)崿F(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡中傳輸，進一步簡化了整個通信中的網(wǎng)絡復雜性。

（3）TSN統(tǒng)一網(wǎng)絡傳輸，提高經(jīng)濟性。

TSN能夠幫助實現(xiàn)信息技術(IT)與運營技術(OT)融合，統(tǒng)一的網(wǎng)絡能夠減少開發(fā)部署成本，降低控制器等產(chǎn)品網(wǎng)絡配置所需的工程時間。

時鐘同步機制

TSN的標準協(xié)議：Timing over packet (802.1AS-2011,IEEE1588,gPTP) with linuxptp (ptp4l)。

IEEE1588協(xié)議簡稱精確時鐘協(xié)議PTP(Precision Timing Protocol)，它的全稱是“網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準”(IEEE1588 Precision Clock Synchronization Protocol)，用于同步計算機網(wǎng)絡中的時鐘。

IEEE1588其工作的基本原理，是通過主從節(jié)點之間進行同步數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，記錄數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時間和接收時間信息進行工作，并且將該時間信息添加到該數(shù)據(jù)幀中。從節(jié)點獲取這些時間信息，并計算從節(jié)點本地時鐘與主時鐘的時間偏差和網(wǎng)絡節(jié)點之間的傳輸延時，對本地時鐘進行糾正，使之與主節(jié)點時鐘同步。

開發(fā)環(huán)境

本文主要介紹的是基于創(chuàng)龍科技TLIMX8MP-EVM評估板的TSN時鐘同步、PTP對時案例，創(chuàng)龍科技TLIMX8MP-EVM是基于NXP i.MX 8M Plus的四核ARM Cortex-A53 + 單核ARM Cortex-M7異構(gòu)多核處理器設計的高性能工業(yè)評估板。

本次案例演示的開發(fā)環(huán)境如下：

Windows開發(fā)環(huán)境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

虛擬機：VMware15.5.5

Linux開發(fā)環(huán)境：Ubuntu20.04.6 64bit

U-Boot：U-Boot-2022.04

Kernel：Linux-5.15.71

Linux SDK：L5.15.71_2.2.0

硬件開發(fā)環(huán)境：創(chuàng)龍科技TLIMX8MP-EVM評估板

案例測試

本文主要演示基于TSN的時鐘同步機制進行PTP（高精度時間同步協(xié)議）對時測試。

請準備2個創(chuàng)龍科技TLIMX8MP-EVM評估板，分別執(zhí)行如下命令，創(chuàng)建ptp.cfg配置文件，并配置超時參數(shù)tx_timestamp_timeout。

Target# vi ptp.cfg

Target# cat ptp.cfg

ptp.cfg配置文件添加如下內(nèi)容：

[global]

tx_timestamp_timeout 600

圖 2 評估板1

圖3 評估板2

下文為IEEE1588對時測試，請使用一根網(wǎng)線將2個評估板的ETH1網(wǎng)口直接連接。本次測試中，評估板1的ETH1網(wǎng)口作為Master，評估板2的ETH1網(wǎng)口作為Slave。

執(zhí)行如下命令，將2個評估板配置為靜態(tài)IP，并測試評估板之間的網(wǎng)絡連通性。

Target# ifconfig eth0 192.168.1.10 netmask 255.255.255.0 //配置評估板1靜態(tài)IP

Target# ifconfig eth0 192.168.1.20 netmask 255.255.255.0 //配置評估板2靜態(tài)IP

Target# ping 192.168.1.20

Target# ping 192.168.1.10

圖 4 評估板1

圖 5 評估板2

進入評估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進行對時測試。

Target# ptp4l -E -4 -H -i eth0 -l 6 -m -q -f ptp.cfg

圖 6

進入評估板2文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進行對時測試。下圖第一列紅色框打印的信息為2個評估板的對時時差，單位為ns；查看s2時鐘的master offset數(shù)據(jù)，可見IEEE1588對時功能基本正常。第二列紅色框打印的信息為path delay，單位為ns。按"Ctrl + C"可停止測試。

Target# ptp4l -E -4 -H -i eth0 -s -l 6 -m -q -f ptp.cfg

圖 7

參數(shù)解析：

（1）命令參數(shù)解析如下：

表 1

參數(shù)	解析
-i eth0	指定網(wǎng)絡端口
-m	打印測試信息
-H	使用硬件時間戳
-s	slave模式
-E	E2E延遲測量機制（默認配置）
-l	打印級別0~7（默認6，LOG_INFO）

（2）打印信息參數(shù)解析如下：

a)master offset：測量與主設備的偏移（以ns為單位），即對時時差；

b)s0、s1、s2：不同的時鐘伺服狀態(tài)；

c)path delay：從主設備發(fā)送同步消息的延遲（以ns為單位）。