時間敏感網(wǎng)絡原型與驗證系統(tǒng)
(一)項目背景
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將給制造行業(yè)帶來技術革命,各工業(yè)強國都已將其納入國家發(fā)展戰(zhàn)略。德國政府 在 2011 年推出的《高技術戰(zhàn)略》率先推出“工業(yè) 4.0”,并在 2013 年的漢諾威工業(yè)博覽會上正式 推出;同年,美國通用電氣(GE)提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng) +”等重大戰(zhàn)略中,均明確提出要加快和完善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 的發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)人、機、物的互聯(lián),通過傳感器對工業(yè)現(xiàn)場設備進行實時感知,借助大數(shù) 據(jù)分析技術對各環(huán)節(jié)實現(xiàn)準確有效的控制,從而提高生產(chǎn)效率。隨著我國將推動制造業(yè)高端化、智 能化、綠色化的宏偉目標列入“十四五”規(guī)劃,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)得到了前所未有的發(fā)展。時間敏感網(wǎng) 絡(Time Sensitive Network, TSN)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一項關鍵技術,能夠為各生產(chǎn)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(wǎng)絡 TSN 的前身是音視頻橋接技術 (Audio Video Bridging,AVB),包括流預留協(xié)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(fā)和排隊增強(IEEE 802.1Qav)等,通過增 強以太網(wǎng)標準提高音視頻傳輸?shù)膶崟r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(wǎng)領域、工業(yè)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(tǒng),并支持多個制造商、協(xié)議和機構在同一個網(wǎng)絡上共享,而數(shù)據(jù)使用相同的程序 邏輯進行分析。TSN 作為二層網(wǎng)絡結構,使得越來越多的公司可以利用此結構上實現(xiàn) OT(Operational Technology)和 IT(Information Technology)的集成。
(二)項目簡介
TSN 技術的研究基于網(wǎng)絡與交換技術,先后得到了工業(yè)界和政府部門的連續(xù)多年的課題支持。目前我們已經(jīng)掌握核心關鍵技術,基于 FPGA、嵌入式系統(tǒng)和軟件,研究并建立了如下原型驗證系統(tǒng):
1. 基于 TSN 的交換系統(tǒng)
支持 4~16 個 1G/10G 以太網(wǎng)接口(光電),流量調(diào)度和整形,門控調(diào)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(huán)支持下可達到 1~2ns
2. 基于 TSN 的終端系統(tǒng)
1G/10G 以太網(wǎng)接口(光電),硬件和協(xié)議棧業(yè)務接口,終端流量調(diào)度和整形,門控調(diào)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(xié)議分析與測量工具原型
TSN 流量發(fā)生器、部分協(xié)議測試原型(持續(xù)研究開發(fā)中)、TSN 流量 TAP 等
4. TSN 業(yè)務調(diào)度算法和調(diào)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(xié)議分析與測試技術;
TSN 業(yè)務調(diào)度算法;
西安電子科技大學
2023-07-20