OpenTSN網(wǎng)絡(luò)時間同步與交換延時的初步測試結(jié)果
發(fā)布時間：2019-08-01
基于OpenTSN環(huán)境和TSN-Insight機制，我們對環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中4個TSN交換機的同步精度和基于CQF整形的TSN流轉(zhuǎn)發(fā)延時進(jìn)行了測試。初步驗證了目前實現(xiàn)方案的有效性，也發(fā)現(xiàn)了一些潛在的bug。
一、同步精度測試
OpenTSN環(huán)境的同步精度基于TSN-Insight的Beacon機制測試，即每個交換機在固定時間（每1ms開始時）向Insight設(shè)備發(fā)送beacon分組（基于PTP協(xié)議擴充），由于Beacon分組基于PTP協(xié)議格式，因此沿途交換機會記錄該分組的透明時鐘值。Insight設(shè)備收到beacon分組時，通過透明時鐘的修正（類似AS6802標(biāo)準(zhǔn)中的固化操作）即可推斷這些beacon源自TSN交換機之間的時間偏差。
與常規(guī)的秒脈沖機制相比，基于Beacon機制的精度測量具有實現(xiàn)簡單，無需專業(yè)的測試設(shè)備的優(yōu)點（TSN-Insight的PTP協(xié)議擴展和Beacon機制詳見參考文獻(xiàn)[1][2]，我們也將在后續(xù)文章中介紹）。
無背景流時，四個交換機時鐘（從）與主時鐘的偏差絕大多數(shù)時間可以控制在100ns以內(nèi)，交換機1和交換機2在個別時間（周期性出現(xiàn)）的偏差會突破100ns，如圖1所示。
圖1 無背景流時的同步精度
使用TSN-Insight軟件，同時分析上報攜帶同步精度的Beacon分組的透明時鐘時發(fā)現(xiàn)，源自交換機1和交換機2的Beacon分組的透明時鐘值也會周期性的跳高，因此懷疑在Insight分析處理流程中或者在TSN交換機中Beacon產(chǎn)生邏輯中可能還存在bug待解決。
圖2 源自不同TSN交換機Beacon分組的透明時鐘值
通過測試儀可以向TSN網(wǎng)絡(luò)中注入背景流。在10M和100M背景流下，TSN交換機之間的同步如圖3和圖4所示。
圖3 10M背景流干擾下的同步精度
圖4 100M背景流干擾下的同步精度
由圖4可以看出，在某些條件下，交換機2的同步誤差超過300ns，而且在第200個采樣點之后，同步精度突然變得更高，優(yōu)于50ns，具體的原因待查。
二、TSN流的轉(zhuǎn)發(fā)確定性測試
我們基于802.1Qch標(biāo)準(zhǔn)中提出的CQF整形模型以及典型的時間槽配置對10M TSN流的交換性能進(jìn)行了測試。
FAST-ANT測試儀通過令牌桶機制控制10Mbps帶寬數(shù)據(jù)流的發(fā)送，由于令牌是周期性增加的，因此發(fā)送的數(shù)據(jù)流具有周期性的特點，符合TSN流的定義。測試中每個分組的大小為固定的256字節(jié)。
根據(jù)CQF模型，分組在經(jīng)過n個交換機時，延時可確定性保證在(n-1)*D和（n+1）*D之間。在測試中時間槽D配置為250us。因此分組在經(jīng)過1、2、3、4跳交換機后，延時應(yīng)該分別在[0，500us]，[250us，750us]，[500us，1000us]以及[750us，1250us]之間。實測結(jié)果如圖5所示，符合預(yù)期。TSN分組的主要延時位于CQF隊列中的延時，由于隊列切換時間為250us，因此分組的延時主要由其進(jìn)入隊列時間到隊列切換時間之間的差值決定，因此隨著時間的變化，分組延時成鋸齒形變化也是符合預(yù)期的。
圖5 基于CQF整形的轉(zhuǎn)發(fā)延時確定性測試
三、初步測試結(jié)論
（1）TSN-Insight的Beacon機制可有效監(jiān)測TSN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的同步狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)同步異常，是OpenTSN驗證對TSN關(guān)鍵技術(shù)驗證必不可少的組成部分；
（2）基于OpenTSN中的同步機制，在規(guī)模有限的網(wǎng)絡(luò)中，可以取得優(yōu)于200ns的同步延時，但同步系統(tǒng)或Insigt系統(tǒng)的Beacon機制在實現(xiàn)中可能存在bug需要解決；
（3）TSN中基于802.1Qbv/802.1Qch的整形機制可以保證轉(zhuǎn)發(fā)延時的確定性。
參考論文：
[1] 楊毅等，ePTP:一種天基超算平臺交換網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測機制，2019年軟件定義衛(wèi)星高峰論壇，優(yōu)秀論文；
[2] Tianyu Bu, Yi Yang, Xiangrui Yang etc. TSN-Insight: An EfficientNetwork Monitor for TSN Networks，APNET’2019 poster
