翼辉信息SylixOS TSN解决方案助力用户消除两大难题

时间敏感性网络（TSN，Time-Sensitive Networking）作为新一代网络技术的代表，为工业自动化、汽车电子和轨道交通等领域提供了低延迟、高可靠的通信保障。翼辉信息 SylixOS 作为硬实时、高性能的完全自主可控的大型实时嵌入式操作系统，时刻与行业客户保持密切沟通，紧跟时代发展趋势。如今，正式加入 TSN 网络支持，可为行业客户提供更高效、更可靠的解决方案，助力智能制造和工业互联迈向新高度。

有了 SylixOS TSN，用户可直接解决目前存在的两大问题：

关键帧可靠性：TSN 可以实现通过关键帧提前预约资源，尽量规避因网络拥塞造成延时抖动甚至是丢失。

传输准时性：TSN 采用门控等流量整形机制，只允许关键帧在其预约的时间段进入网络，避免故障流/恶意流占用正常流的资源，保证传输准时性。

TSN 简介

TSN 是一套基于 IEEE 802.1 标准的网络协议集合，与传统以太网“尽力而为”的传输方式不同，TSN 通过时间同步和流量调度，确保数据包在预定时间窗口内精准送达，为以太网提供确定性、低延迟和高可靠性的通信能力。TSN网络协议簇涉及到的协议可以分为 4 大类：

Synchronization：时间同步协议；

Latency：低时延协议；

Reliability：可靠性协议；

Resource Management：资源管理协议；

SylixOS TSN 特点

封闭的网络环境

TSN 一般被使用在封闭拓扑的网络。它适用于网络拓扑预先规划，业务按需部署，端系统关键流量预先设置的情况。

类似“封闭的高铁线路”

关键流离线规划

TSN 网络里一般需要提前规划每一条关键数据流在网络中的传输时间，如：

每 20ms 执行一次“传感器 — PLC — 执行器” 流；

这 20ms 的周期中，第 5ms 开始，从传感器网络接口出，第 8ms 时经过交换机进入 PLC 网络接口，第 12ms 从 PLC 接口发出，经过交换在第 15ms 时到达执行器。

类似“高铁时刻表”

关键流资源预约

TSN 根据每个关键数据流的帧在网络中出现的时间和空间，为其预约资源，如：

接口的缓冲区

链路的带宽

帧通过提前预约资源，尽量规避因网络拥塞造成延时抖动甚至是丢失。

类似“高铁购票”

网络准入控制

TSN 采用门控等流量整形机制，只允许关键帧在其预约的时间段进入网络，避免故障流/恶意流占用正常流的资源。

类似“高铁检票口”

详解 SylixOS TSN 解决方案

翼辉支持两种类型的 TSN 解决方案，以满足行业用户不同的业务需求：

1、交换侧 TSN 方案

SylixOS 在交换侧 TSN 方案中支持如物芯 KD6630/KD6530 等车规级 Switch 芯片。

2、终端侧 TSN 方案

SylixOS 在终端侧 TSN 方案中支持SylixOS 在交换侧 TSN 方案中支持常见的嵌入式 TSN 网卡控制器，如基于 DesignWare 网卡 IP 核设计的嵌入式处理器（飞腾、瑞芯微、龙芯、芯驰等系列）、MPSOC 等。

此外，一些高端网卡如，intel 网卡（i350，x710 等）、沐创网卡、网迅网卡等，SylixOS 也已支持其 TSN 相关协议。

基于 SylixOS TSN 解决方案的协议

基于上述这两种解决方案， SylixOS 网络已经支持包括IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1CB等在内的多项 TSN 常用网络协议，并还在不断丰富。

TSN 时间同步协议

在 TSN 协议簇中，时间同步协议是基础。TSN 提供的流量整形等其他协议均需基于通信双方实现高精度的时间同步后，才能正常配置并作用。

SylixOS 内核支持报文收发的软、硬时间戳等功能，配合相关应用工具，即可以实现纳秒级的 gPTP 时间同步功能。

方案验证

a. 设备间实现 PTP 时钟的时间同步

在 SylixOS 设备上运行 ptp4l 程序，开启指定网卡的时间同步功能：

b. PTP 时钟同步到系统时钟

实现 PTP 时钟同步后，借助 phc2sys 工具，将已经同步好的 PTP 时钟向系统时钟实现同步：

TSN 其他协议

1、流量整形

IEEE 802.1Qbv 协议通过时间门控和调度机制保证关键数据的确定性传输。它是 TSN 技术的核心组成部分。

以下是基于 SylixOS 交换侧解决方案实现 IEEE802.1Qbv 的验证场景：

方案验证

a. 不使用 TSN 协议，网络无负载

设备 A 和设备 B 进行通信，实测结果最大通信时延6775ns，最小6074ns，通信时延抖动约700ns。

b. 不使用 TSN 协议，网络有负载

当通过攻击设备，尝试加入占满带宽的恶意负载时，实测结果最大通信时延7415ns，最小6023ns，通信时延抖动增加到约 1400ns，是原先的1 倍。

c.使用 TSN 协议，网络有负载

同样通过攻击设备，尝试加入占满带宽的恶意负载，同时，加入 TSN 的 Qbv 协议支持，再次实测，可见通信结果恢复正常。

2、冗余传输

IEEE802.1 CB 是一款基于“帧复制与消除”以实现可靠性的 TSN 协议。它通过冗余传输提高以太网的可靠性，确保关键数据流在网络故障或丢包情况下仍能可靠传输。

如下两台运行 SylixOS 的设备均具备两个网卡，且均支持 IEEE802.1CB 协议：

方案验证

两台设备做 ping 操作时，如果仅对 802.1CB 协议配置帧复制功能，即可在 Hub 上清晰的抓到自动完成帧复制功能的 ICMP 报文：

如果继续加入帧消除的配置，双方设备即可正常实现通信，且即使两条链路中的一条链路存在异常，也不影响通信。

结论

通过上述的不同的协议测试可以看出，在不同的业务需求场景下 SylixOS TSN 均可有效解决关键帧不可靠性传输不准时性的问题，并且所实现效果与 TSN 相比传统以太网的数据传输的效果类似。

TSN 对于传统以太网数据传输效果图

未 来

除此之外，SylixOS 对 TSN 的支持还在持续深化与完善。翼辉信息始终秉承“坚如磐石，万无一失”的核心理念，持续加大对 SylixOS 网络技术的研发投入，紧跟行业前沿趋势，以创新驱动发展。翼辉信息致力于为用户提供卓越的技术产品和行业方案，通过不断推出高可靠性、高安全性的网络功能与解决方案，携手用户推动产品的高效落地，共同开创更广阔的应用前景。