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

Tronlong--

TSN簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)的一套協(xié)議標準。該標準定義了以太網(wǎng)數據傳輸的時(shí)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(guān)鍵數據的傳輸提供穩定一致的服務(wù)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(gè)協(xié)議，工作在OSI七層網(wǎng)絡(luò )模型中的第二層—數據鏈路層。

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據在同一網(wǎng)絡(luò )中傳輸，使得標準以太網(wǎng)具有確定性傳輸的優(yōu)勢，并通過(guò)廠(chǎng)商獨立的標準化進(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提供微秒級確定性服務(wù)，保證各行業(yè)的實(shí)時(shí)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(chē)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 )復雜度，實(shí)現周期性數據和非周期性數據同時(shí)傳輸。

以工業(yè)為例，當前周期性控制數據使用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸，非周期性數據使用標準以太網(wǎng)傳輸。TSN通過(guò)其調度機制能夠實(shí)現周期性數據和非周期性數據在同一網(wǎng)絡(luò )中傳輸，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了整個(gè)通信中的網(wǎng)絡(luò )復雜性。

（3）TSN統一網(wǎng)絡(luò )傳輸，提高經(jīng)濟性。

TSN能夠幫助實(shí)現信息技術(shù)(IT)與運營(yíng)技術(shù)(OT)融合，統一的網(wǎng)絡(luò )能夠減少開(kāi)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)鐘同步機制

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

IEEE1588協(xié)議簡(jiǎn)稱(chēng)精確時(shí)鐘協(xié)議PTP(Precision Timing Protocol)，它的全稱(chēng)是“網(wǎng)絡(luò )測量和控制系統的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標準”(IEEE1588 Precision Clock Synchronization Protocol)，用于同步計算機網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)鐘。

IEEE1588其工作的基本原理，是通過(guò)主從節點(diǎn)之間進(jìn)行同步數據幀的發(fā)送，記錄數據幀的發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間信息進(jìn)行工作，并且將該時(shí)間信息添加到該數據幀中。從節點(diǎn)獲取這些時(shí)間信息，并計算從節點(diǎn)本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的傳輸延時(shí)，對本地時(shí)鐘進(jìn)行糾正，使之與主節點(diǎn)時(shí)鐘同步。

開(kāi)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(shí)鐘同步、PTP對時(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(kāi)發(fā)環(huán)境如下：

Windows開(kāi)發(fā)環(huán)境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

虛擬機：VMware15.5.5

Linux開(kāi)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(kāi)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(shí)鐘同步機制進(jìn)行PTP（高精度時(shí)間同步協(xié)議）對時(shí)測試。

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

Target# vi ptp.cfg

Target# cat ptp.cfg

ptp.cfg配置文件添加如下內容：

[global]

tx_timestamp_timeout 600

圖 2 評估板1

圖3 評估板2

下文為IEEE1588對時(shí)測試，請使用一根網(wǎng)線(xiàn)將2個(gè)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。

執行如下命令，將2個(gè)評估板配置為靜態(tài)IP，并測試評估板之間的網(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(jìn)入評估板1文件系統，執行如下命令，進(jìn)行對時(shí)測試。

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

圖 6

進(jìn)入評估板2文件系統，執行如下命令，進(jìn)行對時(shí)測試。下圖第一列紅色框打印的信息為2個(gè)評估板的對時(shí)時(shí)差，單位為ns；查看s2時(shí)鐘的master offset數據，可見(jiàn)IEEE1588對時(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"可停止測試。

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

圖 7

參數解析：

（1）命令參數解析如下：

表 1

參數	解析
-i eth0	指定網(wǎng)絡(luò )端口
-m	打印測試信息
-H	使用硬件時(shí)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）打印信息參數解析如下：

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

b)s0、s1、s2：不同的時(shí)鐘伺服狀態(tài)；

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