虹科技术前沿|TSN网络中时间感知整形器的性能验证实测

本文旨在验证时间敏感网络(TSN)中时间感知整形器(TAS)的性能,通过实施IEEE 802.1Qbv和IEEE 802.1AS-2020标准测试用例,确保其在网络中的准确性。我们选用了虹科RELY-TSN12和虹科RELY-10TSN12设备作为待测对象,并利用Calnex公司的Paragon-X与Keysight公司的Novus ONE PLUS测试台进行全面评估。文章将详细介绍测试流程、配置、设置以及关键的测试结果,展示TAS在控制抖动和防止窗口违规方面的实际表现,为您提供深入了解TSN技术应用的窗口。
图1 测试设置

在某些应用和行业中,确保高优先级数据帧在预定时隙内准时传输至关重要。时间感知整形器(IEEE 802.1Qbv)保障了控制数据在规定时隙内的准时传输,同时维持了可接受的抖动和延迟。本文旨在验证时间感知整形器的性能,通过分析结果来监测窗口违规并评估抖动,确保网络通信的准确性和可靠性。

一、时间敏感网络的最新发展

以太网在航空航天和国防领域的通信应用日益增多,其中时间敏感网络(TSN)作为确保通信准确性的关键技术,正迅速成为主流。TSN通过时间感知整形器(TAS),基于IEEE 802.1Qbv标准,实现了网络流量的周期性分配,并通过设置优先级窗口来控制数据包的传输顺序。

为了实现网络节点间的精确时间同步,IEEE 802.1AS-2020同步协议被引入,保障了纳秒级别的时间一致性。尽管TSN技术尚属新兴,但行业组织如Avnu以及技术公司虹科SoC-e、Keysight(Novus ONE PLUS)和Calnex(Paragon-X)正在积极开发必要的测试计划和工具,旨在验证TSN设备的性能、标准合规性以及不同设备间的互操作性,从而推动这一技术的发展和应用。

二、被测设备平台

👉 虹科TSN交换机架构如图2所示,其核心功能包括Rx接口端口接收的帧从电信号到数字信号的转换,以及交换矩阵引擎基于MAC地址表和VLAN配置进行帧路由。出口数据包处理模块依据IEEE 802.1Qbv标准对输出缓冲区的帧进行排序,确保它们在预定时间窗口内正确转发。该模块与1588计时器(IEEE 802.1AS-2020)同步,保障了Tx端口的精确时隙转发。

图2 虹科IP Core架构

虹科SoC-e平台采用AMD Xilinx Ultrascale+MPSoC系统,其中处理系统(PS)负责软件处理,而可编程逻辑(PL)基于FPGA实现交换和TSN功能。PS通过虹科SoC-e的定制Linux发行版进行配置,该系统内嵌了设置交换和TSN功能所需的命令,并通过内部端口与PL系统通信,实现PL寄存器的配置。图3展示了完整的虹科RELY-TSN-BRIDGE+10TSN12 TSN交换机架构。

图3 虹科RELY-TSN12

本次测试选用了两款设备:基于MTSN IP核的虹科RELY-TSN12(1Gbps)和基于TSN TGES IP核的虹科RELY-10TSN12(10Gbps),以评估不同速度下的TSN性能。

三、测试设备配置

交换机配置可通过CLI、Netconf或Web界面进行,本测试选择Netconf来设置IEEE 802.1Qbv和VLAN,而IEEE 802.1AS-2020同步协议则通过Web界面配置。

IEEE 802.1AS-2020配置

本测试的主要目的是精确评估IEEE 802.1Qbv的性能,重点检查窗口违规情况和测量帧的抖动。为此,必须确保待测设备(DUT)与测试站之间达到纳秒级的同步。

我们将使用Paragon-X测试设备来精确计算DUT的接收(Rx)和发送(Tx)延迟,并通过迭代调整,最小化PPS(脉冲每秒)差异,确保与测试站的同步。完成这些校准步骤后,DUT将连接到Novus ONE PLUS测试站,并配置IEEE 802.1AS-2020协议。在此配置中,DUT的第一个端口将作为主端口,第二个端口作为从端口,同时配置发送优先级为7的数据包,验证同步协议的准确性。

IEEE 802.1Qbv与VLAN配置

我们将使用Netconf协议对DUT进行IEEE 802.1Qbv和VLAN配置,确保测试的精确性。测试将覆盖100M、1G和10G三种速度,其中虹科RELY-TSN12设备将用于100M和1G测试,而虹科RELY-10TSN12设备将用于所有三种速度的测试。

统一的VLAN配置将应用于所有测试速度,确保PORT1和PORT2均属于VLAN2,以此隔离测试流量,避免网络干扰。DUT的端口将设置为PVID1、PCP0、DEI0,允许所有入站帧(无论是否带标记)以指定的出站标记进行中继。

此外,将为VID2创建专门的VLAN表项,将PORT1和PORT2纳入其中,并从VLAN1中移除,以进一步精细化流量管理,为测试提供清晰的网络环境。

IEEE 802.1Qbv标准专门用于管理前向出口流量,本测试案例中将针对端口2进行配置。配置过程需根据网络速度进行差异化设置。以下是针对1Gbps速度下端口2的IEEE 802.1Qbv配置细节:

图4 IEEE 802.1-Qbv配置

配置确保每个队列在每个周期内仅在其分配的时间段内传输流量,同时设置了缓冲间隔以防止流量超出预定时间窗口,确保在此间隔期间不会转发流量。

对于 100M,配置有以下差异:

Cycle time: 10000000ns

Base time: 0s and 0ns

Time intervals changes from 100000ns to 1000000ns and from 25000ns to 250000ns

对于 10G,配置有以下差异:

Cycle time: 100000ns

Base time: 0s and 0ns

Time intervals changes from 100000ns to 10000ns and from 25000ns to 2500ns

图5 1G 的 IEEE 802.1Qbv 配置

Novus ONE PLUS测试站配置

为确保测试结果的准确性,Novus ONE PLUS测试站需经过精心配置。本测试涉及构建两个具备以太网和精确时间协议(PTP,IEEE 802.1AS-2020)功能的拓扑结构,其中拓扑1充当主设备,拓扑2作为从设备。关键配置参数包括点对点(P2P)延迟机制、多播设置、域编号0、优先级设置为128,以及时钟类别6。

完成IEEE 802.1AS-2020的同步配置后,接下来将定义八个具有不同优先级的流量流,以模拟和测试网络在不同服务等级下的表现。

图6 Novus ONE PLUS 流量配置

测试连接设置

为确保测试的准确性,本测试需完成两个关键设置:首先,DUT需与Paragon-X设备相连,通过端口1对端口1的直接连接和PPS同步,精确计算传输延迟。

图7 Paragon-X测试设置

其次,在Keysight NovusONE PLUS测试站上,将进行特定的配置以适应IEEE 802.1Qbv标准的测试要求,确保测试环境能够精确评估时间敏感网络的性能。

图8 IEEE 802.1Qbv Novus ONE PLUS 测试设置

四、测试结果分析

1、预期结果

本测试的核心在于验证IEEE 802.1Qbv的抖动控制和窗口合规性。为确保精确测量,测试站(Novus ONE PLUS)与待测设备(DUT)之间的同步偏移需控制在特定范围内:1G速度下不超过100纳秒,10G速度下不超过50纳秒,100M速度下不超过500纳秒。Novus ONE PLUS将记录统计数据以检查并确认这一偏移量。

2、取得成果

测试首先确认了DUT与测试台(Novus ONE PLUS和Calnex)之间的同步精度。利用Calnex设备,我们计算并记录了同步误差,确保了在不同速度下的测量均在可接受范围内。进一步地,Novus ONE PLUS用于检查持续同步的一致性,并确认了DUT能够正确识别测试站为主站(GM)。

接下来,通过开发的Python脚本,我们检查了IEEE 802.1Qbv的窗口合规性。脚本利用Novus ONE PLUS记录的时间戳,确保每个帧都严格在其分配的时隙内到达。结果显示,所有帧均未出现窗口违规,表明IEEE 802.1Qbv配置正确,抖动控制稳定。

图9 IEEE 802.1Qbv结果
图10 延迟结果

图9和图10分别展示了不同速度和优先级下的抖动结果和存储转发延迟结果。数据显示,在所有测试条件下,系统均表现出良好的性能,抖动和延迟均符合预期。

图11 AS基准下队列门控窗口
图12 不良AS同步

最后,为了凸显IEEE 802.1AS-2020同步协议的重要性,我们还进行了100%帧速率的测试,人为制造同步失败的情况。结果如图12所示,缺乏同步导致帧在错误时隙到达,引发窗口违规,从而证明了精确同步的必要性。

结语

本次测试成功验证了虹科RELY-TSN12和虹科RELY-10TSN12设备的TSN功能,以及正确配置TSN的重要性。测试结果证实了IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv在控制抖动和防止窗口违规方面的有效性。此外,测试还突出了同步在TSN网络中的核心作用。

作为更大TSN测试计划的一部分,本次测试为进一步的IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv测试奠定了基础。未来的工作将继续深化对这些标准的理解,并探索它们在更广泛场景中的应用。

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