科普:基于FMU模型的TSN交换机仿真

01.TSN简介

互联网的快速发展和各种新兴应用的产生,极大改变了人们的生活和工作方式,诸多行业需要毫秒级甚至更低的确定低时延网络连接,其应用对时间尤为敏感。

▲典型行业应用的流量特征和QoS(Quality of Service,服务质量)需求

 

为了满足确定有界低时延传输需求,工业界做出了诸多尝试与努力,如TTEthernet、FlexRay等,但都仅限于特定的应用场景,不具备互操作性与互连接性。时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,TSN)是IEEE 802.1工作组于2012年成立的一个子任务组,自成立起开发了时钟同步、流量调度、网络配置系列标准集。贝加莱(B&R)、TTTech、德国SEW等多个企业和联盟组织加入了TSN技术研究。

▲TSN相关标准的发布过程

 

简单来说,TSN是从传统以太网中衍生出来的一种技术,指在非确定性以太网中实现确定性最小时间延时的协议族,更能满足时间敏感性应用的要求。TSN提供基于时间同步的周期性流量整形及调度、数据无缝冗余传输、路径预留和网络配置,近年来得到了广泛关注和应用,已出现支持TSN的芯片和产品。结合应用层的OPC-UA(OLE for process control-unified aichitecture)技术,TSN能够提供实时、高确定性并且真正独立于设备厂商的工业通信网络,实现工业网络的IT与OT的融合,为实时数据传输提供更可靠和高效的解决方案。

在应用场景上,TSN因其特性被广泛应用于自动驾驶和工业制造,包括但不限于下列领域:

工业自动化:工厂自动化、机器人控制、智能制造

智能交通系统:车辆之间的通信、交通信号控制、车辆定位跟踪

医疗保健:远程医疗诊断、手术机器人、医疗设备监控

航空航天:在飞行控制系统、航空电子设备通信、卫星通信

物联网:智能家居、智能城市、智能农业

汽车:高级辅助驾驶系统数据、车载娱乐设备数据、车载诊断系统数据

TSN的场景用途非常广泛,适用于各种需要高实时性、可靠性和安全性的应用领域。其强大的时序保证、流量调度、优先级控制等特性,使得TSN在未来的网络通信中将发挥越来越重要的作用。

 

02.TSN交换机与仿真

TSN交换机是一种支持TSN技术的工业以太网交换机,属于以太网交换机的升级产品之一。与传统交换机相比,TSN交换机具有体量小、功耗低、延迟低、可靠性高、抖动频率低、数据传输能力强、适用端口多等优点。

实际项目开发时,由于TSN交换机价格过高或者半实物测试过于繁琐,开发人员往往希望使用TSN交换机的虚拟仿真模型,以便先行验证项目的可行性和完成度。

 

TSN交换机仿真主要涉及以下两个方面:

交换机网口的仿真:用于和外部设备进行数据包的交互;

对内部接收到的数据包进行仿真模拟的处理。

 

在此基础上,本文通过编译TAP网卡和交换机的FMU模型,实现TSN交换机虚拟仿真模型的构建。

*TAP网卡:一种常用于虚拟化环境中监控和捕获网络流量的虚拟网络设备,可模拟物理网络交换机的接口。

*FMU模型:一种仿真领域常见的模型交换格式,通过提供一种标准化的模型交换格式,使得不同仿真工具和环境之间可以方便地共享模型。

 

具体模型原理如下图所示:

 

▲TSN交换机仿真模型原理图

 

上图中,外部设备通过TAP网卡的FMU模型实现与TSN交换机仿真模型的数据包交互,交换机内部对数据包的处理则由交换机的FMU模型来完成。

 

03.TSN交换机仿真模型案例

在完成TSN交换机虚拟仿真模型的搭建后,可通过下列实验来验证其网络可达性和对数据包的处理是否实现了TSN技术集。

 

编辑

▲TSN交换机仿真模型验证实验设计图

 

设置3台外部输入设备PC1、PC2,并设置输出设备PC3,将其IP地址分别设置为192.168.5.55、192.168.5.66、192.168.5.77。通过wireshark软件来抓取PC1、PC2发出的数据包和PC3接收的数据包,比较PC3所接收到的数据包优先级,即可确认该TSN交换机仿真模型的有效性。

*wireshark:网络封包分析平台,支持用户监视、分析或重定向经过虚拟端口的网络流量。

 

拟定PC2的优先级高于PC1,在PC1、PC2同时发送数据包的情况下,经过TSN交换机仿真模型的转发后,PC3应先获取PC2所发出的数据包,而后收取PC1所发出的数据包。

 

实验过程如下图所示:

 

▲PC1发送一个数据包给PC3

 

▲PC2同时发送一个数据包给PC3

 

▲实验结果表明,PC3先收到PC2发来的数据包,后收到PC1发来的数据包,实验验证成功。

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