TSN時鐘同步 | PTP對時案例演示——基于NXP i.MX 8M Plus

Tronlong--

TSN簡介

TSN介紹

時間敏感網絡(TSN：Time Sensitive Networking)是IEEE802.1工作組中的TSN任務組開發的一套協議標準。該標準定義了以太網數據傳輸的時間敏感機制，為標準以太網增加了確定性和可靠性，以確保以太網能夠為關鍵數據的傳輸提供穩定一致的服務級別。

TSN是一組IEEE 802.1協議標準，包括802.1AS-Rev、802.1Qbv、802.1Qbu、802.1CB等多個協議，工作在OSI七層網絡模型中的第二層—數據鏈路層。

圖 1

TSN是目前國際產業界正在積極推動的全新工業通信技術。時間敏感型網絡允許周期性與非周期性數據在同一網絡中傳輸，使得標準以太網具有確定性傳輸的優勢，并通過廠商獨立的標準化進程，已成為廣泛聚焦的關鍵技術。

TSN主要價值特點：

（1）TSN提供微秒級確定性服務，保證各行業的實時性需求。

TSN可達到10us級的周期傳輸，性能優于主流的工業以太網。并且，TSN面向音視頻、工業、汽車等多種行業，將實時性延伸至更高的層次。

（2）TSN降低整個通信網絡復雜度，實現周期性數據和非周期性數據同時傳輸。

以工業為例，當前周期性控制數據使用工業以太網傳輸，非周期性數據使用標準以太網傳輸。TSN通過其調度機制能夠實現周期性數據和非周期性數據在同一網絡中傳輸，進一步簡化了整個通信中的網絡復雜性。

（3）TSN統一網絡傳輸，提高經濟性。

TSN能夠幫助實現信息技術(IT)與運營技術(OT)融合，統一的網絡能夠減少開發部署成本，降低控制器等產品網絡配置所需的工程時間。

時鐘同步機制

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

IEEE1588協議簡稱精確時鐘協議PTP(Precision Timing Protocol)，它的全稱是“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準”(IEEE1588 Precision Clock Synchronization Protocol)，用于同步計算機網絡中的時鐘。

IEEE1588其工作的基本原理，是通過主從節點之間進行同步數據幀的發送，記錄數據幀的發送時間和接收時間信息進行工作，并且將該時間信息添加到該數據幀中。從節點獲取這些時間信息，并計算從節點本地時鐘與主時鐘的時間偏差和網絡節點之間的傳輸延時，對本地時鐘進行糾正，使之與主節點時鐘同步。

開發環境

本文主要介紹的是基于創龍科技TLIMX8MP-EVM評估板的TSN時鐘同步、PTP對時案例，創龍科技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評估板。

本次案例演示的開發環境如下：

Windows開發環境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

虛擬機：VMware15.5.5

Linux開發環境：Ubuntu20.04.6 64bit

U-Boot：U-Boot-2022.04

Kernel：Linux-5.15.71

Linux SDK：L5.15.71_2.2.0

硬件開發環境：創龍科技TLIMX8MP-EVM評估板

案例測試

本文主要演示基于TSN的時鐘同步機制進行PTP（高精度時間同步協議）對時測試。

請準備2個創龍科技TLIMX8MP-EVM評估板，分別執行如下命令，創建ptp.cfg配置文件，并配置超時參數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對時測試，請使用一根網線將2個評估板的ETH1網口直接連接。本次測試中，評估板1的ETH1網口作為Master，評估板2的ETH1網口作為Slave。

執行如下命令，將2個評估板配置為靜態IP，并測試評估板之間的網絡連通性。

Target# ifconfig eth0 192.168.1.10 netmask 255.255.255.0 //配置評估板1靜態IP

Target# ifconfig eth0 192.168.1.20 netmask 255.255.255.0 //配置評估板2靜態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

進入評估板1文件系統，執行如下命令，進行對時測試。

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

圖 6

進入評估板2文件系統，執行如下命令，進行對時測試。下圖第一列紅色框打印的信息為2個評估板的對時時差，單位為ns；查看s2時鐘的master offset數據，可見IEEE1588對時功能基本正常。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	指定網絡端口
-m	打印測試信息
-H	使用硬件時間戳
-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），即對時時差；

b)s0、s1、s2：不同的時鐘伺服狀態；

c)path delay：從主設備發送同步消息的延遲（以ns為單位）。