1.TSN技術

1.1TSN簡介

時效性網絡（Time-Sensitive Networking）也稱為時間敏感網絡，簡稱TSN，是IEEE 802.1工作小組中的Time-Sensitive Networking（TSN）工作小組發展的系列標準。此標準會定義以太網上時間敏感傳輸的機制。

此計劃主要是定義IEEE 802.1Q–虛擬局域網的衍生內容。這些衍生內容特別強調傳輸的超低延遲以及高可用性?？赡艿膽冒ㄊ褂迷谲囉镁W絡或工業控制上，結合實時影音串流以及實時控制串流的整合性網絡。AVnu聯盟特別成立的工業小組也正在定義TSN網絡元件的相容性以及互操作性要求。

TSN有著帶寬、安全性和互操作性等方面的優勢，能夠很好滿足未來萬物互聯的要求。其主要的工作原理是優先適用(IEEE P802.3br)機制，在傳輸中讓關鍵數據包優先處理。這意味著關鍵數據不必等待所有的非關鍵數據完成傳送后才開始，從而確保更快速的傳輸路徑。

EEA應用

針對TSN在電子電氣架構（EEA, electrical and electronic architecture）中的研究集中在基于域控制器（DCU, domain control unit）的EEA、基于區域的EEA、新型EEA架構。在基于DCU的EEA中，TSN作為骨干以太網，可以保證數據在交換機中的傳輸時延符合自動駕駛要求。在基于區域的EEA中，TSN用于車載中央計算機（VCC, vehicle central computer）和區域控制器之間的實時信號傳輸，通過冗余保障可靠性。新型EEA架構還引入了SDN、基于網絡互聯協議的可擴展面向服務的中間件（SOME/IP, scalable service-oriented middleware over internet protocol）等技術。基于SDN架構和TSN實時傳輸功能，能夠按需配置，實現中央監控。IVI、遠程信息處理、監控功能域都可以通過 TSN與VCC連接，用于遠程加速等場景。TSN和SOME/IP融合使IVN可以被標準化，從而增強互操作性。

航空與航天

對于TSN在航天方面上應用，目前IEEE 802和SAE Avionics Networks AS-1 A2目前正在合作，為航空航天板載以太網通信定義TSN概要。這個名為IEEE P802.1DP/SAE AS 6675的項目還沒有發布初稿，所以現在談規范的細節還為時過早。到目前為止，工作一直集中在收集用例上，并且期望TSN概要文件可以應用于軍事和客運飛機、直升機、甚至衛星。對于這些用例，聯合項目正在研究提供時間同步（IEEE 802.1AS）、流量整形（IEEE 802.1 Qav和IEEE 802.1Qbv）、冗余（IEEE 802.1CB）、過濾和監管（IEEE 802.1Qci）以及配置和管理（IEEE 802.1Qcc）的機制。即使在項目的最后有一個單一的規范，它也可能包含多個概要文件。例如，它可以有一個同步配置文件（即，使用預定流量）和一個異步配置文件。

在民航中，對于航空器的網絡分為三個域：飛行控制域（ACD）、航空公司信息服務領域、乘客信息及娛樂服務領域。其中飛行控制域是事關飛行安全的重要部分。在軍用航空中，飛行器系統也類似商用系統的飛行控制域，但同時需要根據不同的任務和飛行器類型搭載任務系統，其中包括高可靠性的武器系統、高性能任務執行計算機、通信系統等。當前航空航天網絡中，主要包含四類：ARINC 664上的飛行控制域（以太網配置文件）、商用以太網上的PIESD/AISD（客艙/乘客系統）、在非以太網總線上有更高的性能和可靠性的子系統、傳統總線如1553、1760、FC。而TSN的主要目標是在TSN標準支持這些需求的范圍內，解決所有4個類別的網絡需求。

對于航空航天網絡，需要關注到以下幾個要點：性能、費用、壽命、可行性和成熟度、故障率、保證性、易于集成、靈活的/混合的保證網絡。其中性能要求中，帶寬、抖動等會是非常重要的因素，而TSN網絡可以極大提高帶寬并減小抖動。同時隨著TSN的標準推進，IEEE組織正在研究成本可控的TSN認證網絡以降低使用費用。

綜上所述，未來TSN將會成為航空器上可認證的、基于標準的、確定性的、高帶寬的網絡。

綜合設計

車載TSN的綜合設計主要集中在建模、設計、可行性分析、測試和仿真環境。

車輛是一個分布式的嵌入式系統，TSN通信的整體建模方法對時序屬性和要求進行建模，有助于支持時序分析，而進一步將其整合到基于模型和組件的軟件開發框架中，可使其具有互操作性。目前，還缺少對于復雜應用場景的建模。汽車通信的整體解決方案可以通過集成TSN、汽車開放系統架構自適應平臺提供確定性的高速通信。應用、虛擬機、虛擬機監視器三種級別都可用于處理虛擬化的異構平臺中TSN實時傳輸問題。已有設計方法可以結合真實的車輛數據進一步完善。

應用有監督和無監督的機器學習確定TSN配置的可行性，能夠權衡用戶可調的準確率和計算時間。基于構件化分析框架和實時演算也可進行TSN的可行性分析。此外，還需要考慮有無保持和釋放機制的CBS，TAS，Qbu的可調度性，分析系統整體的可行性，包括軟件、硬件、軟硬件結合、車規級設計等。

設計真實的測試平臺有助于研究不同負載下車載TSN的時延和抖動性能。基于OMNeT++模擬器和INET框架的IVN建模和仿真環境，包括TSN仿真模型、現場總線、網關、車輛網絡建模工具，能更好地評估、優化、調試新的網絡架構。但是現有仿真環境還可以將Qci、Qch等標準的關鍵特征整合到其中。

2. TSN測試平臺設備介紹

2.1 Calnex Paragon-X

英國卡耐斯解決方案有限公司 (Calnex) 致力于同步領域測試解決方案研究和產品開發已超過12年，是全球網絡同步和損傷測試測量領域的領導者。卡耐斯所提供的測試解決方案及產品已廣泛應用于移動通信、金融交易系統、云服務提供商服務系統、智能電網、汽車以太網、航天軍工通信系統等行業，至今卡耐斯已將產品交付到全球50多個國家的320多個客戶手中?？退箍偛吭O在英國蘇格蘭的林利斯戈，由出類拔萃的技術專家組成的團隊進行管理，研發中心匯聚了業界最好的工程師，持續推動高品質產品的研發和技術創新。思博倫作為Calnex在中國大陸的唯一指定合作伙伴，負責全部Calnex產品在大陸地區的銷售推廣工作。

Calnex Paragon-X是目前市面上唯一全面支持IEEE 802.1AS協議與精度測試的工具。Paragon-X通過高性能CPU處理器，高速FPGA可編程芯片配合已系統應用軟件實現802.1AS協議仿真、協議一致性分析、802.1AS時間精度測量。

Paragon-X測試儀由高性能CPU處理器提供PTP協議仿真，完整支持PTP所有協議報文的封裝、報頭字段配置和解析、報文收發速率控制、協議報文統計等測試功能。

Paragon-X測試儀由高速PFGA可編程芯片進行PTP時間戳處理，保證時間戳的精準和穩定，并可通過FPGA控制仿真PTP噪聲進行網絡損傷測試。

Paragon-X儀表配套有客戶端應用軟件、CAT測試數據分析和報告軟件、PFV協議一致性分析軟件極大方便測試操作和研發問題定位分析。

Paragon-X儀表主機及配件尺寸如下：

Paragon-X儀表主機尺寸: 45cm x 24cm x 9cm (W x D x H)  

電源適配器尺寸: 17cm x 13cm x 9cm  

儀表運輸箱尺寸: 57cm x 27cm x 47cm

2.2 Spirent C50

廣州綠測用于TSN流量相關協議與性能測試的測試儀表是Spirent C50。Spirent C50是通信高性能數據網絡綜合測試平臺，支持L2-L7高性能測試。數據通信網絡正向著統一的多功能網絡融合，這種趨勢包括：融合的多功能網絡，要求數據、語音、視頻，存儲等多種業務在同一個平臺上承載；更高的端口密度，更大的業務流量，要求更加精確的服務質量控制和策略保障；IPv6部署；更大數量和更多類型的用戶，更高的安全要求。這些都對網絡和產品的測試提出了新的要求。Spirent C50測試儀綜合了性能測試，協議測試，應用層測試和安全測試，提供了一個全新的高密度，高擴展性，集成測試方法學，通用自動化測試框架的綜合測試平臺。

 Spirent C50在業界具有很高的市場認可度，是數據通信領域廣泛認同的、能夠對于網絡及設備進行性能測試和評估分析的標準測量儀表。在北美洲、歐洲、亞洲和中國，被廣泛的用于各國標準機構和認證實驗室、政府實驗室、運營商、網絡通信設備制造商、大學科研機構等相關單位中。特別在運營商測試領域，Spirent C50長期被中國電信，中國移動，中國聯通等運營商接入設備，核心網設備和IDC設備的集采選型測試，成為事實的標準測試工具。

用于TSN測試的Spirent C50，支持16個SFP 1G接口，可支持擴展到1000BASE-T1的車載以太網接口。C50配置時鐘同步卡，支持端口間時鐘同步，支持NTP/PTP/GPS/CDMA外部時鐘源。

Spirent C50設備參數如下：

尺寸： 3U高/ 16.53”寬/ 19.75”深

重量：14kg

供電要求：115 V—230 V, 50/60 Hz–750 W max

運行環境要求：5℃-35℃，濕度10%-90%

3.時鐘同步測試解決方案介紹

3.1時間服務器授時精度評估方案測試用例

被測試時鐘服務器能支持北斗和GPS兩種衛星源

跟蹤GNSS的時間誤差產生測試

3.2 TSN Bridge/End Station同步精度評估方案測試用例

4.協議一致性測試解決方案介紹

4.1 協議開發測試平臺TTworkbench介紹

TTworkbench是一種具備完整特性的集成式測試開發和執行環境（IDE），適用于任意類型的測試自動化項目。這種功能強大且對用戶非常友好的工具使用戶能夠測試各類軟件產品和服務，完全不需要擔心技術、操作系統或實施領域所造成的隔閡。對于有TSN一致性測試需求的用戶，TTworkbench可以直接搭載在擁有多個BroadR-Reach 100BASE-T1端口的Spirent C50測試平臺上。

TTworkbench的優勢體現在以下幾個方面：

1、多合一開發概念

2、以文本和/或圖形格式提供快速、方便的測試定義

3、具備完整支持的測試自動化

4、TTCN-3中技術完全獨立的測試系統設計

5、持續支持最新版的TTCN-3

6、初期設計階段的測試

7、具備極高的重復利用能力并可方便地執行預先定義好的測試

8、可與測試系統快速集成

9、通過對缺陷的快速、高效跟蹤實現可靠的測試套裝

10、預裝TTpluginsTCP 和UDP (免費)

11、可通過多種TTplugins實現更高的擴充能力

12、支持所有TTCN-3擴展: 

完全支持：高級參數化、行為類型和擴展TRI

部分支持：TTCN-3性能和實時測試，并與連續信號建立接口

TTworkbench由以下幾個部分組建而成：

1、TTman: 管理、執行和分析TTCN-3匯編測試套裝

• 根據項目的要求，定義、執行、保存和繼續使用測試行動
• 不同層級的文本和圖形日志
• 帶分析支持的測試數據視圖
• 跟蹤TTCN-3源功能
• 選擇和配置測試適配器及運行時插件（端口、編碼解碼器、外部功能）
• 統計數據視圖
• 生成測試報告(HTML, PDF, Excel, Word)
• 批量模式測試的腳本編制
• 命令行和客戶端服務器選項

2、CL編輯器：對用戶友好的基于文本的測試定義（包括T3Doc）

• CL Editor screenshot
• 完全支持TTCN-3 ETSI標準
• 文本格式和語義強調
• 帶源導航的文本注釋和錯誤報告
• 代碼折疊、代碼模板
• TTCN-3數據生成和修改向導
• 內容輔助
• 模塊依存關系圖表
• 顯示規格結構的綱要頁面
• 快速修正支持
• 重構
• T3Doc HTML導出

3、TTthree: 將TTCN-3模塊匯編為測試執行文件

• TTthree screenshot
• 獨立于平臺的匯編和執行
• 完全支持TTCN-3 ETSI標準
• 通過標準化的TTCN-3運行時接口（TRI/XTRI、TRI RT/XTRI RT）實現與測試設備的靈活適配
• 通過標準化的TTCN-3控制接口（TCI）實現與外部編碼解碼器的輕松集成
• 支持C、C#和Java映射
• 適用于二進制編碼解碼器的編碼解碼器生成器
• 命令行選項

4、GFT 編輯器：對用戶友好的圖形化測試規格和文檔

• GFT Editor screenshot
• 測試案例以GFT序列圖的方式實現圖形化設計和可視化
• 原生TTCN-3數據導入
• TTCN-3核心語言的在線生成
• TTCN-3核心語言中GFT（圖像）的自動生成
• 圖像至GIF（文檔）的靈活導出方式

5、捕捉與回放向導：根據蹤跡生成TTCN-3腳本

• Capture & Replay Wizard screenshot
• 根據蹤跡生成TTCN-3腳本
• Pcap蹤跡文件支持（由Wireshark和tcpdump等使用）廣泛的捕捉格式適用于幾乎所有類型的網絡通信
• 來自多個來源的實時消息捕捉
• 支持控制臺輸入/輸出：腳本生成能力適用于各類基于終端的通信
• 更多信息: CaptureAndReplay.pdf
• First Steps User's Guide

6、TTdebug:TTCN-3源代碼級別的調試器

• TTdebug screenshot
• 可同時對基于Java的測試適配器和編碼解碼器執行透明的TTCN-3調試
• 基于圖形用戶界面的臨界點和觀察點設置/刪除
• 手動暫停/繼續測試套裝的運行
• 對暫停的測試套裝分步執行
• 查看多個組件的狀態和堆棧蹤跡
• 對基礎或結構類型的本地和組件變量的內容，以及本地參數的內容，進行查看和修改
• 查看計時器的狀態，并手動觸發超時
• 查看端口隊列的狀態
• 操縱隊列中消息的順序
• 查看隊列中消息的內容

7、RPDE: 運行時插件開發環境

• RPDE screenshot
• 開發TTCN-3運行時擴展插件的直觀框架
• 在純文本模式和圖形用戶界面模式中編輯TTCN-3運行時插件的所有特性

4.2 協議一致性測試床與套件介紹

Spirent C50通過兩個測試端口與被測TSN交換機進行對接。安裝在PC上的TTworkbench測試平臺運行TSN一致性測試套件對被測設備進行測試。測試套通過在發送端構建針對不同協議功能與特征的特殊流量模型，在接收端捕捉被測TSN交換機轉發的數據幀并進行幀解析與流量分析，驗證被測TSN交換機的功能實現與協議一致性。

Spirent TSN一致性測試套件目前支持IEEE 802.1Qbv/802.1Qbu/802.1Qci/802.1CB 4個協議的測試，共約150個測試用例。用例包括：

• IEEE 802.1Qbv
• IEEE 802.1Qbu
• IEEE 802.1Qci
• IEEE 802.1CB

4.3 測試用例范例

5.Testcenter TSN交換機性能測試解決方案

5.1基本功能和性能測試

基本功能、性能和QoS測試的項目包括：

• 二層組網能力
• 流量性能
• QoS能力
• 互通性測試

測試儀表的主要工作就是仿真各種真實的測試流量，并對接收流量進行分析，驗證被測系統的能力。

流量發生

Testcenter 每端口能夠并發支持多條獨立的測試流，每條測試流都可以定義獨立的協議頭，凈荷，標簽，QoS參數等等, 在流量發送方面，有下列適合TSN測試的特點：

大規模系統測試流量生成能力：Testcenter 每端口可以支持多條獨立的測試流，支持復雜的系統測試。當一個TSN網絡內包括較大數量的終端。每個終端又包括不同優先級和不同應用類型的流量。這就要求在系統測試中，測試儀表能產生大量獨立的測試流。Testcenter 每端口可以支持多條獨立測試流，對每條測試流進行獨立流量的帶寬，優先級，協議內容，調度方式編輯，能模擬最真實的現網流量，去測試TSN系統真實的工作能力。

真實網絡流量模型：能夠產生經過任意QoS調度的測試流量(即CBR，VBR，UBR組合業務)，用現網場景證網絡和設備。Testcenter 支持的流量調度模型包括:

①基于端口流量調度: 仿真經過RR調度以后的流量

②基于測試流的流量調度: 仿真經過WRR 調度以后的流量

③基于優先級的流量調度: 仿真經過絕對優先級調度以后的流量。根據現網運營經驗,設備在突發流量下產生故障的概率比恒定流量下要大。Testcenter 基于優先級的流量調度模式，可以在一個端口下產生恒定流量和突發流量的混合流量。

④用戶自定義流量調度：用戶可以任意定義不同測試流和測試幀的發包順序， 對于復現真實網絡中的故障，或者把真實網絡中場景引入到日常測試中的需求，這是一個合適的工具。

結果分析

在統計方面，Testcenter 每端口能實時分析多條獨立的測試流(Stream)，為每條測試流提供了50多個實時統計流量，以圖和表方式顯示，可以充分反映到每一路終端的每種業務的業務質量。統計直觀豐富，準確，有標準依據。

這些統計量包括:

• 速率和幀總數：包括收/發幀總數，收發幀的速率，包括bps, fps,Bps等單位統計;
• 幀的順序性：包括丟包，順序，亂序，重復和遲到統計，統計分為總數和速率；
• 時延：最大/最小/平均時延，短期時延(過去1秒內的時延，可作為實時時延變化),時延分布；
• 抖動：最大/最小/平均抖動，短期抖動(過去1秒內的抖動，可作為實時抖動變化),抖動分布；
• 各種類型錯包等統計量：CRC錯，IP checksum錯，TCP和UDP checksum 錯，基于PRBS的誤碼率。

TSN系統上承載的業務包括數據，語音和視頻的Triple play 業務，Testcenter 支持的很多關鍵統計量，對上層業務的質量有關聯性很強的參考意義，很多統計量的定義和測量方法，依據RFC 及相關標準，對Triple Play 業務的質量評估非常準確有效：

• 支持MEF10/RFC3393/RFC 4689 抖動統計；
• 支持MEF10/RFC4737 丟包和幀的順序性統計；
• 支持1秒實時時延和抖動變化統計;
• 支持時延分布和抖動分布統計。實時時延/抖動統計和時延/抖動分布統計，測試長時間測試中業務轉發是否一直穩定，能夠反映很多被最大/最小/平均統計量掩蓋的問題。

5.2 基準性能測試

• RFC 2544 吞吐量，丟包率，時延和背靠背緩沖能力基準性能測試；
• RFC 5160 IPv6 基準性能測試；
• RFC 2889 二層交換設備基準性能測試；
• RFC 3918 組播基準性能測試；

Testcenter 為這些基準性能測試提供了自動化測試套件，并產生標準測試報告：

5.3 TSN協議測試

Testcenter可以提供包括IEEE 802.1AS (-Rev), IEEE 802.1Qat, IEEE 802.1Qav, IEEE 1722, IEEE 1733,          IEEE 802.1Qci, IEEE 802.1Qbv, IEEE 802.3br & IEEE 802.1Qbu等協議仿真，在同一個端口仿真巨量end point device，測試協議容量與穩定性。Testcenter支持在同一個端口進行AVB/TSN與non-AVB/TSN的混合流量發送，配合上文提到的流量調度功能和實時分析統計功能，可以對TSN功能與性能進行全面細致的評估。

Testcenter可以使能測試端口與被測交換機通過gPTP進行時鐘同步，并使用此時鐘來指導流量發送，從而可精確測量802.1Qbv的門控精度。

5.4 測試結果數據挖掘

TSN系統包含大量終端，每個終端還需要轉發多種不同類型，不同優先級的業務，所以系統測試會產生大量的測試流。測試人員既需要測試儀表覆蓋所有測試流量，能反映不同問題的豐富的測試數據，也需要測試儀表提供在大量測試數據中，能便捷發現問題統計量，快速進行問題定位的手段。Testcenter 強大的數據挖掘功能，能幫助測試人員在系統測試中，能快速定位問題業務并進行故障定位的手段，其主要功能包括:

Interesting Stream: 按照服務質量標準對測試流進行過濾。Testcenter 用戶可以實現定義測試不通過的標準，比如：

丟包總數>100

時延>100us

抖動>50us

對這些標準，我們可以進行與/非/或操作，然后應用于測試結果。Testcenter 會從大量測試結果中，過濾出符合條件的測試流，也就是存在性能或者功能問題的業務，快速進行問題定位。

動態結果視圖(Dynamic Result View, DRV): 用戶可以自定義結果視圖，結果視圖中的統計量，可以是用戶關心的Testcenter 定義的標準統計量，也可以統計量之間的運算結果。 結果視圖可保存和重用。

5.5測試自動化

傳統的測試自動化主要著眼于實現可執行的測試腳本，一方面需要測試工程師掌握一定的編程技能，另一方面用戶還需要設計一套調度，運行測試腳本的自動化框架，這兩點往往是很多用戶開展測試自動化的瓶頸?；诖?，TestCenter圖形界面上集成了Command Sequencer測試工具，使得用戶能夠更方便，快捷的開展測試自動化工作。它使測試工程師能夠利用拖放式的用戶圖形界面，選擇命令并根據用戶定義的次序執行它們；并且支持條件判斷以及循環的功能。

不僅如此，我們將提供更為全面的自動化解決方案。

• iLO （iTest Lab Optimizer）配合物理層交換機，提供客戶可視化的實驗室管理。
• iTest 通過錄制回放的方式，簡化了測試環境的配置工作。

iTest 友好的NoCode編程界面，以及強大的結果分析功能，使得測試例開發變得簡單。

iTest 同時也是自動化執行平臺，幫助客戶實現測試例的調度，執行，以及報告生成。