科普：基于 FMU 模型的 TSN 交换机仿真

2024-04-30
浙江
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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。

▲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：