時間敏感網絡原型與驗證系統
(一)項目背景
工業互聯網將給制造行業帶來技術革命,各工業強國都已將其納入國家發展戰略。德國政府 在 2011 年推出的《高技術戰略》率先推出“工業 4.0”,并在 2013 年的漢諾威工業博覽會上正式 推出;同年,美國通用電氣(GE)提出了工業互聯網概念,受到世界各國廣泛關注。在我國制定的“中 國制造 2025”、“新基建” 和“互聯網 +”等重大戰略中,均明確提出要加快和完善工業互聯網 的發展。工業互聯網實現人、機、物的互聯,通過傳感器對工業現場設備進行實時感知,借助大數 據分析技術對各環節實現準確有效的控制,從而提高生產效率。隨著我國將推動制造業高端化、智 能化、綠色化的宏偉目標列入“十四五”規劃,工業互聯網得到了前所未有的發展。時間敏感網 絡(Time Sensitive Network, TSN)作為工業互聯網的一項關鍵技術,能夠為各生產要素之間信息傳 遞提供實時性確定性保障,也因此越來越受到重視。時間敏感網絡 TSN 的前身是音視頻橋接技術 (Audio Video Bridging,AVB),包括流預留協議(Stream Reservation Protocol,SRP)、時間敏感應 用的時序和同步(IEEE 802.1AS)以及時間敏感流的轉發和排隊增強(IEEE 802.1Qav)等,通過增 強以太網標準提高音視頻傳輸的實時性。2012 年,AVB 工作組正式更名為 TSN。從之前的音視頻 領域逐漸擴展到車載以太網領域、工業控制領域甚至本文中的航空航天領域。TSN 的核心思想是提 出可互操作的系統,并支持多個制造商、協議和機構在同一個網絡上共享,而數據使用相同的程序 邏輯進行分析。TSN 作為二層網絡結構,使得越來越多的公司可以利用此結構上實現 OT(Operational Technology)和 IT(Information Technology)的集成。
(二)項目簡介
TSN 技術的研究基于網絡與交換技術,先后得到了工業界和政府部門的連續多年的課題支持。目前我們已經掌握核心關鍵技術,基于 FPGA、嵌入式系統和軟件,研究并建立了如下原型驗證系統:
1. 基于 TSN 的交換系統
支持 4~16 個 1G/10G 以太網接口(光電),流量調度和整形,門控調度、逐流過濾、門控和測量;802.1AS 時鐘同步,主從同步精度達到 30~50ns,SyncE 和外部鎖相環支持下可達到 1~2ns
2. 基于 TSN 的終端系統
1G/10G 以太網接口(光電),硬件和協議棧業務接口,終端流量調度和整形,門控調度、逐流過濾、 門控和測量;與交換機匹配的 802.1AS 時鐘同步
3. TSN 協議分析與測量工具原型
TSN 流量發生器、部分協議測試原型(持續研究開發中)、TSN 流量 TAP 等
4. TSN 業務調度算法和調度軟件原型
(三)關鍵技術
802.1AS 同步技術;
802.1Qav、802.1Qbv、802.1Qci 等流量控制管理技術;
TSN 協議分析與測試技術;
TSN 業務調度算法;
西安電子科技大學
2023-07-20