TSN時(shí)鐘同步 | PTP對(duì)時(shí)案例演示——基于NXP i.MX 8M Plus

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TSN簡介

TSN介紹

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN：Time Sensitive Networking)是IEEE802.1工作組中的TSN任務(wù)組開發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保以太網(wǎng)能夠?yàn)殛P(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)定一致的服務(wù)級(jí)別。

TSN是一組IEEE 802.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括802.1AS-Rev、802.1Qbv、802.1Qbu、802.1CB等多個(gè)協(xié)議，工作在OSI七層網(wǎng)絡(luò)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(dòng)的全新工業(yè)通信技術(shù)。時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，使得標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，并通過廠商獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，已成為廣泛聚焦的關(guān)鍵技術(shù)。

TSN主要價(jià)值特點(diǎn)：

（1）TSN提供微秒級(jí)確定性服務(wù)，保證各行業(yè)的實(shí)時(shí)性需求。

TSN可達(dá)到10us級(jí)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(shí)時(shí)性延伸至更高的層次。

（2）TSN降低整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸。

以工業(yè)為例，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸。TSN通過其調(diào)度機(jī)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(luò)中傳輸，進(jìn)一步簡化了整個(gè)通信中的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。

（3）TSN統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸，提高經(jīng)濟(jì)性。

TSN能夠幫助實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)(IT)與運(yùn)營技術(shù)(OT)融合，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)能夠減少開發(fā)部署成本，降低控制器等產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)配置所需的工程時(shí)間。

時(shí)鐘同步機(jī)制

TSN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：Timing over packet (802.1AS-2011,IEEE1588,gPTP) with linuxptp (ptp4l)。

IEEE1588協(xié)議簡稱精確時(shí)鐘協(xié)議PTP(Precision Timing Protocol)，它的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”(IEEE1588 Precision Clock Synchronization Protocol)，用于同步計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘。

IEEE1588其工作的基本原理，是通過主從節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行同步數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，記錄數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間信息進(jìn)行工作，并且將該時(shí)間信息添加到該數(shù)據(jù)幀中。從節(jié)點(diǎn)獲取這些時(shí)間信息，并計(jì)算從節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸延時(shí)，對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行糾正，使之與主節(jié)點(diǎn)時(shí)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(píng)估板的TSN時(shí)鐘同步、PTP對(duì)時(shí)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(shè)計(jì)的高性能工業(yè)評(píng)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(jī)：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(píng)估板

案例測(cè)試

本文主要演示基于TSN的時(shí)鐘同步機(jī)制進(jìn)行PTP（高精度時(shí)間同步協(xié)議）對(duì)時(shí)測(cè)試。

請(qǐng)準(zhǔn)備2個(gè)創(chuàng)龍科技TLIMX8MP-EVM評(píng)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(shí)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(píng)估板1

圖3 評(píng)估板2

下文為IEEE1588對(duì)時(shí)測(cè)試，請(qǐng)使用一根網(wǎng)線將2個(gè)評(píng)估板的ETH1網(wǎng)口直接連接。本次測(cè)試中，評(píng)估板1的ETH1網(wǎng)口作為Master，評(píng)估板2的ETH1網(wǎng)口作為Slave。

執(zhí)行如下命令，將2個(gè)評(píng)估板配置為靜態(tài)IP，并測(cè)試評(píng)估板之間的網(wǎng)絡(luò)連通性。

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

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

Target# ping 192.168.1.20

Target# ping 192.168.1.10

圖 4 評(píng)估板1

圖 5 評(píng)估板2

進(jìn)入評(píng)估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試。

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

圖 6

進(jìn)入評(píng)估板2文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試。下圖第一列紅色框打印的信息為2個(gè)評(píng)估板的對(duì)時(shí)時(shí)差，單位為ns；查看s2時(shí)鐘的master offset數(shù)據(jù)，可見IEEE1588對(duì)時(shí)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(cè)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(luò)端口
-m	打印測(cè)試信息
-H	使用硬件時(shí)間戳
-s	slave模式
-E	E2E延遲測(cè)量機(jī)制（默認(rèn)配置）
-l	打印級(jí)別0~7（默認(rèn)6，LOG_INFO）

（2）打印信息參數(shù)解析如下：

a)master offset：測(cè)量與主設(shè)備的偏移（以ns為單位），即對(duì)時(shí)時(shí)差；

b)s0、s1、s2：不同的時(shí)鐘伺服狀態(tài)；

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