導讀：本文旨在驗證時間敏感網絡（TSN）中時間感知整形器（TAS）的性能，通過實施IEEE 802.1Qbv和IEEE 802.1AS-2020標準測試用例，確保其在網絡中的準確性。我們選用了虹科RELY-TSN12和虹科RELY-10TSN12設備作為待測對象，并利用Calnex公司的Paragon-X與Keysight公司的Novus ONE PLUS測試臺進行全面評估。文章將詳細介紹測試流程、配置、設置以及關鍵的測試結果，展示TAS在控制抖動和防止窗口違規方面的實際表現，為您提供深入了解TSN技術應用的窗口。
圖1 測試設置
在某些應用和行業中，確保高優先級數據幀在預定時隙內準時傳輸至關重要。時間感知整形器（IEEE 802.1Qbv）保障了控制數據在規定時隙內的準時傳輸，同時維持了可接受的抖動和延遲。本文旨在驗證時間感知整形器的性能，通過分析結果來監測窗口違規并評估抖動，確保網絡通信的準確性和可靠性。
以太網在航空航天和國防領域的通信應用日益增多，其中時間敏感網絡（TSN）作為確保通信準確性的關鍵技術，正迅速成為主流。TSN通過時間感知整形器（TAS），基于IEEE 802.1Qbv標準，實現了網絡流量的周期性分配，并通過設置優先級窗口來控制數據包的傳輸順序。
為了實現網絡節點間的精確時間同步，IEEE 802.1AS-2020同步協議被引入，保障了納秒級別的時間一致性。盡管TSN技術尚屬新興，但行業組織如Avnu以及技術公司虹科SoC-e、Keysight（Novus ONE PLUS）和Calnex（Paragon-X）正在積極開發必要的測試計劃和工具，旨在驗證TSN設備的性能、標準合規性以及不同設備間的互操作性，從而推動這一技術的發展和應用。
虹科TSN交換機架構如圖2所示，其核心功能包括Rx接口端口接收的幀從電信號到數字信號的轉換，以及交換矩陣引擎基于MAC地址表和VLAN配置進行幀路由。出口數據包處理模塊依據IEEE 802.1Qbv標準對輸出緩沖區的幀進行排序，確保它們在預定時間窗口內正確轉發。該模塊與1588計時器（IEEE 802.1AS-2020）同步，保障了Tx端口的精確時隙轉發。
圖2 虹科IP Core架構
虹科SoC-e平臺采用AMD Xilinx Ultrascale＋MPSoC系統，其中處理系統（PS）負責軟件處理，而可編程邏輯（PL）基于FPGA實現交換和TSN功能。
PS通過虹科SoC-e的定制Linux發行版進行配置，該系統內嵌了設置交換和TSN功能所需的命令，并通過內部端口與PL系統通信，實現PL寄存器的配置。圖3展示了完整的虹科RELY-TSN-BRIDGE＋10TSN12 TSN交換機架構。
圖3 虹科RELY-TSN12
本次測試選用了兩款設備：基于MTSN IP核的虹科RELY-TSN12（1Gbps）和基于TSN TGES IP核的虹科RELY-10TSN12（10Gbps），以評估不同速度下的TSN性能。
交換機配置可通過CLI、Netconf或Web界面進行，本測試選擇Netconf來設置IEEE 802.1Qbv和VLAN，而IEEE 802.1AS-2020同步協議則通過Web界面配置。
本測試的主要目的是精確評估IEEE 802.1Qbv的性能，重點檢查窗口違規情況和測量幀的抖動。為此，必須確保待測設備（DUT）與測試站之間達到納秒級的同步。
我們將使用Paragon-X測試設備來精確計算DUT的接收（Rx）和發送（Tx）延遲，并通過迭代調整，最小化PPS（脈沖每秒）差異，確保與測試站的同步。完成這些校準步驟后，DUT將連接到Novus ONE PLUS測試站，并配置IEEE 802.1AS-2020協議。在此配置中，DUT的第一個端口將作為主端口，第二個端口作為從端口，同時配置發送優先級為7的數據包，驗證同步協議的準確性。
我們將使用Netconf協議對DUT進行IEEE 802.1Qbv和VLAN配置，確保測試的精確性。測試將覆蓋100M、1G和10G三種速度，其中虹科RELY-TSN12設備將用于100M和1G測試，而虹科RELY-10TSN12設備將用于所有三種速度的測試。
統一的VLAN配置將應用于所有測試速度，確保PORT1和PORT2均屬于VLAN2，以此隔離測試流量，避免網絡干擾。DUT的端口將設置為PVID1、PCP0、DEI0，允許所有入站幀（無論是否帶標記）以指定的出站標記進行中繼。
此外，將為VID2創建專門的VLAN表項，將PORT1和PORT2納入其中，并從VLAN1中移除，以進一步精細化流量管理，為測試提供清晰的網絡環境。
IEEE 802.1Qbv標準專門用于管理前向出口流量，本測試案例中將針對端口2進行配置。配置過程需根據網絡速度進行差異化設置。以下是針對1Gbps速度下端口2的IEEE 802.1Qbv配置細節：
配置確保每個隊列在每個周期內僅在其分配的時間段內傳輸流量，同時設置了緩沖間隔以防止流量超出預定時間窗口，確保在此間隔期間不會轉發流量。
Time intervals changes from 100000ns to 1000000ns and from 25000ns to 250000ns
Time intervals changes from 100000ns to 10000ns and from 25000ns to 2500ns
圖5 1G 的 IEEE 802.1Qbv 配置
為確保測試結果的準確性，Novus ONE PLUS測試站需經過精心配置。本測試涉及構建兩個具備以太網和精確時間協議（PTP，IEEE 802.1AS-2020）功能的拓撲結構，其中拓撲1充當主設備，拓撲2作為從設備。關鍵配置參數包括點對點（P2P）延遲機制、多播設置、域編號0、優先級設置為128，以及時鐘類別6。
完成IEEE 802.1AS-2020的同步配置后，接下來將定義八個具有不同優先級的流量流，以模擬和測試網絡在不同服務等級下的表現。
圖6 Novus ONE PLUS 流量配置
為確保測試的準確性，本測試需完成兩個關鍵設置：首先，DUT需與Paragon-X設備相連，通過端口1對端口1的直接連接和PPS同步，精確計算傳輸延遲。
圖7 Paragon-X測試設置
其次，在Keysight NovusONE PLUS測試站上，將進行特定的配置以適應IEEE 802.1Qbv標準的測試要求，確保測試環境能夠精確評估時間敏感網絡的性能。
圖8 IEEE 802.1Qbv Novus ONE PLUS 測試設置
本測試的核心在于驗證IEEE 802.1Qbv的抖動控制和窗口合規性。為確保精確測量，測試站(Novus ONE PLUS)與待測設備(DUT)之間的同步偏移需控制在特定范圍內：1G速度下不超過100納秒，10G速度下不超過50納秒，100M速度下不超過500納秒。Novus ONE PLUS將記錄統計數據以檢查并確認這一偏移量。
測試首先確認了DUT與測試臺（Novus ONE PLUS和Calnex）之間的同步精度。利用Calnex設備，我們計算并記錄了同步誤差，確保了在不同速度下的測量均在可接受范圍內。進一步地，Novus ONE PLUS用于檢查持續同步的一致性，并確認了DUT能夠正確識別測試站為主站（GM）。
接下來，通過開發的Python腳本，我們檢查了IEEE 802.1Qbv的窗口合規性。腳本利用Novus ONE PLUS記錄的時間戳，確保每個幀都嚴格在其分配的時隙內到達。結果顯示，所有幀均未出現窗口違規，表明IEEE 802.1Qbv配置正確，抖動控制穩定。
圖9 IEEE 802.1Qbv結果
圖9和圖10分別展示了不同速度和優先級下的抖動結果和存儲轉發延遲結果。數據顯示，在所有測試條件下，系統均表現出良好的性能，抖動和延遲均符合預期。
圖11 AS基準下隊列門控窗口
圖12 不良AS同步
最后，為了凸顯IEEE 802.1AS-2020同步協議的重要性，我們還進行了100%幀速率的測試，人為制造同步失敗的情況。結果如圖12所示，缺乏同步導致幀在錯誤時隙到達，引發窗口違規，從而證明了精確同步的必要性。
本次測試成功驗證了虹科RELY-TSN12和虹科RELY-10TSN12設備的TSN功能，以及正確配置TSN的重要性。測試結果證實了IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv在控制抖動和防止窗口違規方面的有效性。此外，測試還突出了同步在TSN網絡中的核心作用。
作為更大TSN測試計劃的一部分，本次測試為進一步的IEEE 802.1AS-2020和IEEE 802.1Qbv測試奠定了基礎。未來的工作將繼續深化對這些標準的理解，并探索它們在更廣泛場景中的應用。
