Linux和TSN网络
时间敏感网络是传统以太网的扩展，实现实时能力和确定性通信。终端通常是基于Linux OS 的，它的实时能力是通过PREEMPT-RT 补丁实现的。而设备的实时性网络是通过时间敏感性网络技术实现。到目前为止，大多数Linux OS 的TSN 都是通过特殊的解决方案实现的，那么，是否能够在主流的Linux 中实现TSN 网络呢？时间同步和流量调度都已经能够实现了。但是并没有实现完整的TSN 标准。本文
时间敏感网络是传统以太网的扩展，实现实时能力和确定性通信。终端通常是基于Linux OS 的，它的实时能力是通过PREEMPT-RT 补丁实现的。而设备的实时性网络是通过时间敏感性网络技术实现。到目前为止，大多数Linux OS 的TSN 都是通过特殊的解决方案实现的，那么，是否能够在主流的Linux 中实现TSN 网络呢？时间同步和流量调度都已经能够实现了。但是并没有实现完整的TSN 标准。
本文介绍如何在标准的Linux 系统中配置TSN ，主要是linuxptp，tc 等工具。
TSN 解决什么问题
TSN 主要解决两个问题：
- 全网络设备实现时钟同步
- 实时数据和非实时数据在一个网络中同传，并且保证实时数据具有优先级。
TSN 解决方案
TSN 硬件支持
TSN 的核心思想是在原有以太网的基础上，增加了硬件消息队列，每个队列安装优先级排队，由硬件消息调度器在全局时钟的控制下控制队列消息的发送开关（Gate）。这样就能够保证实时数据能够以最快的时间发送出去，并且消息的发送是有序的。不会造成冲突。其结构示意图如下：
其中每个时间片都有一个用户指定的持续时间。在每个时间片期间，用户通过指定与每个队列对应的哪些门（可能单个或多个门）“打开”或“关闭”来配置可以传输的流量优先级/队列
tsn 消息的软件调度算法
软件调度的方法是：
将网络发送分成若干的时间片（time slice）
应用程序发送的所有消息包都带有一个优先级（PRI），根据优先级映射到一组时间片（time slice）。例如：
| PRI | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| TC | 0 | 0 | 1 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
在上面的表格中，优先级2 的消息包映射到TC1，优先级3的消息映射到TC2. 时间片的数量和时间是可以设置的。
最后，将时间片映射到tsn 以太网的硬件队列。同样地，也可以使用软件设置。
如此一来，不同优先级的消息包能够在不同的时间片映射到硬件队列中。
VLAN 设置
消息包的优先等级是如何设定的呢，它是通过VLAN 的PCP 转化而来的。
TSN基于IEEE 802.1Q[7]的虚拟局域网（virtual local area network，VLAN）和优先级标准构建的。
TSN 将VLAN 的优先等级信息PCP自动转化为数据包的优先等级（PRI）。
VLAN 帧结构
因此，TSN 是构建在VLAN 之上的。
时间同步协议PTP
显然，要实现数据的周期性时隙传输，必备的条件是网络中的所有设备和交换机需要使用全网统一时钟，这样才能够避免数据帧的发送冲突。实现时分复用（TDM time division multplexer）。在TSN中，使用IEEE1588/PTP 实现全网精确时钟同步。
Linux 内核具有支持PTP 硬件时钟（PHC）的子系统·，可以使用POSIX 时钟显示该时钟。通过·POSIX 接口读取，设置和控制。PTP 协议不是Linux 内核的一部分，在用户空间，使用linuxptp 实现IEEE 1588 和IEEE 802.1AS-1 的PTP 协议。在TSN 中通过802.1AS 完成同步，它是IEEE1588 的一部分，并且做了某些扩展，例如在Wifi 中的时间同步。TNS 目前计划实现IEEE802.1AS-2020.它在主流Linux 上还没有实现。
值得一提的是，并非所有的以太网硬件接口都支持IEEE1588。有的设备上linux ptp 是软件实现的。精度大打折扣。
PTP4L 的使用
在linux 中 ，使用Linux PTP 控制IEEE5188/PTP 的时间同步功能。
安装
git clone git://git.code.sf.net/p/linuxptp/code linuxptp
cd linuxptp
sudo make
sudo make install
inuxptp主要包含2个程序：ptp4l和phc2sys
1.ptp4l 进行时钟同步，实时网卡时钟与远端的时钟同步(比如TSN交换机），支持1588 和 802.1AS 两种协议
2.phc2sys 将网卡上的时钟同步到操作系统，或者反之.
ptp4l -i eth2 -2 –m -s -f gPTP.cfg
phc2sys -a -r --transportSpecific=1 -m --step_threshold=1000
# phc2sys还可以写成这样，功能是一样的
phc2sys -s eth2 -c CLOCK_REALTIME --transportSpecific=1 -m --step_threshold=1000 -wLinux 中的调度算法
Linux 的应用程序通过socket 接口实现通信。网络协议栈处理数据包。网络协议有TCP/IP,UDP、IP和原始的以太网数据包和硬件控制。网络栈通过调度，类和过滤器等来配置。这些机制已经建立了许多年。由于TSN 是以太网的扩展，因此，TSN 的Linux 实现仍然使用这些机制。TSN直接将它集成到Linux 网络栈中，基本原理如下图所示：
Linux内核控制网络硬件的访问，保证数据包在正确的时间发送。这就是时间隙管理组件（Time Slot Management component）。然而内核需要正确的配置。由于需求来自于应用程序， 协议栈通过Qdiscs配置。
Qdisc 对应一个数据包调度器，作为TSN 实现的一部分，各种Qdiscs 开发了出来，并且集成到主流Linux内核中。
数据包调度方法
TSN 开发了几种数据包调度算法：
- MQPRIO
MQPRIO qdisc 是一个简单的队列规则，可以通过优先级以及优先级对应的流量等级，将不同流量映射到硬件队列的区间。连续的流量等级可以1对1的映射到硬件的队列上。
- ETF (Earliest TxTime First)
ETF会在发送时间(txtime)到达之前的一段时间(delta) 缓存数据包，这个时间可以由delta选项控制。
- ETS
ETS基于预先设定的周期性门控制列表，动态地为出口队列提供开/关控制的机制。ETS定义了一个时间窗口，是一个时间触发型网络（Time-trigged）。这个窗口在这个机制中是被预先确定的。这个门控制列表被周期性的扫描，并按预先定义的次序为不同的队列开放传输端口。
在Linux 中 ETS 被称为Time Aware Priority Shaper (TAPRIO)。我们·这里主要采用taprio
Linux 中的配置方法
使用Linux 原有的tc 命令来设置Qdiscs。
tc 命令
Linux操作系统中的流量控制器TC（Traffic Control）在2001 年被导入，用于Linux内核的流量控制，主要是通过在输出端口处建立一个队列来实现流量控制。
tc qdisc ... dev dev parent classid [ handle major: ] taprio
num_tc tcs
map P0 P1 P2 ... queues count1@offset1 count2@offset2
...
base-time base-time clockid clockid
sched-entry <command 1> <gate mask 1> <interval 1>
sched-entry <command 2> <gate mask 2> <interval 2>
sched-entry <command 3> <gate mask 3> <interval 3>
sched-entry <command N> <gate mask N> <interval N>
num_tc：使用的流量等级，最大支持16个等级
map: 将优先级 (VLAN PRI) 0 -15映射到特定的流量等级
queues: 为每个流量等级提供队列的数量和范围。每个流量等级的队列范围不能重叠且必须连续
base-time：
指定调度的起始时刻，单位是纳秒，参考时钟由clockid指定。如果'base-time'是过去的时间，那么调度开始时间为base-time + (N * cycle-time)，其中N比现在时刻大的最小整数。"cycle-time" 所有调度项目的时间总和，也就是调度周期
一般默认设置为0（因为时钟是同步的，所以在所有设备上设置一个相同的值即可）
clockid：指定qdisc参考的内部时钟
sched-entry：
门控制的调度项目，sched-entry <command> <gatemask> <interval>
<command> 只支持"S"
<gate mask> 每一位（ bit）对应流量等级的开关状态（例如：bit 0 代表流量等级0/TC0）0 表示关闭，1表示打开
<interval>标志当前门控状态持续的时间
flags：
0x01: txtime支持模式，qdisc通过发送时间戳判断数据包的发送周期
0x02: full-offload模式, GCL直接传递给网卡，并且交给网卡执行，在这个模式下不需要设置clockid，默认网卡参考的时钟是/dev/ptpN (N 可以通过如下指令获取 ethtool -T eth0 | grep 'PTP Hardware Clock' ) (如果设备仅作为bridge，只需要通过ptp4l同步/dev/ptpN即可，并不需要phc2sys将/dev/ptpN同步到系统时钟)：
例子
配置与使用
系统配置
在本实验中，我们使用一台DELL 的台式机和一台Atom x6000e 处理器为基础的工业电脑Up Squared 6000 。Dell 电脑中扩展了一个i210 网卡，它支持tsn。而Atom x6000e 带有两个千兆网口，并且支持tsn。两台机器通过网线直连。均运行ubuntu OS。
Step 1 VLAN 的配置
加载 8021q模块到内核:
sudo modprobe 8021q添加VLAN
sudo ip link add link enp4s0 name enp4s0.1 type vlan id 1 egress-qos-map 2:2 3:3egress-qos-map 参数定义了linux 内部的包优先级SO_PRORITY到VLAN PCP 的映射关系。
配置VLAN IP:
sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev enp4s0.10激活VLAN:
sudo ifconfig enp1s0.10 up
验证
可以使用 ifconfig 和ping 命令验证设置的VLAN
yao@yao-UPN-EHL01:~$ ping 10.0.0.1
PING 10.0.0.1 (10.0.0.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.0.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.055 ms
64 bytes from 10.0.0.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.052 ms
64 bytes from 10.0.0.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.051 ms
64 bytes from 10.0.0.1: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.052 ms
注意：在本次实验中，一台设备的VLAN 设为 10,0.0.1 另一台设为 10.0.0.2.
Step 2 LinuxPTP 运行
主设备
sudo ptp4l -i enp1s0 -m -H从设备
sudo ptp4l -i enp4s0 -m -H -s与系统时钟建立联系
sudo phc2sys -m -s enp4s0 -w
注意：linuxPTP 需要关闭防火墙！
ufw disbale运行的结果
表明同步效果相当好。抖动12us ,时延21us
Step 3 在Linux 中配置整形和调度算法
tc qdisc replace dev enp4s0 parent root handle 100 taprio \
num_tc 3 \
map 0 0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 \
queues 1@0 1@1 1@2 \
base-time 0000 \
sched-entry S 4 125000 \
sched-entry S 2 125000 \
sched-entry S 1 250000 \
clockid CLOCK_TAI参数：
num_tc=3
时间片数量为3。
流量等级映射到VLAN优先级（PRI）
| PRI | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| TC | 0 | 0 | 1 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表示优先等级为2 的数据包映射到TC1，而优先等级3 的数据包映射到TC3。
queues 1@0 1@1 1@2
该参数表示映射时间片（TC）到硬件队列 。（注意Intel i210 默认硬件队列为4 有的文章中提到能够使用（ethtool -L tx 3 来设置硬件队列数量，但是我尝试该条命令不成功）
- 流量等级0 <-> 队列1,
- 流量等级1 <-> 队列2,
- 流量等级2 <-> 队列3
这样 PRI=2的数据包会通过队列2发送，这样 PRI=3的数据包会通过队列3发送。
调度方法
每个调度周期：
打开TC2（bit = 2，b100）对应的队列125000纳秒；
打开TC1 （bit = 1，b010）对应的队列125000纳秒,
打开TC0 （bit = 0，b001）对应的队列250000纳秒
网卡硬件offload： flags 2 （因此不需要clockid）
对应的队列结构。
使用程序测试：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
int ret = -1;
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (-1 == sockfd)
{
printf("socket open err.");
return -1;
}
struct sockaddr_in local_addr = {0};
local_addr.sin_family = AF_INET;
local_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.0.0.1");
local_addr.sin_port = htons(6000);
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr));
int opt = 2;
setsockopt(sockfd , SOL_SOCKET , SO_PRIORITY , &opt , sizeof(opt));
struct sockaddr_in sock_addr = {0};
sock_addr.sin_family = AF_INET;
sock_addr.sin_port = htons(6000);
sock_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.0.0.2");
char sendbuf[]={"hello world, I am a UDP socket."};
int cnt = 10;
while(1)
{
ret = sendto(sockfd, sendbuf, sizeof(sendbuf)-1, 0, (struct sockaddr*)&sock_addr, sizeof(sock_addr));
//printf("ret = %d \n",ret);
usleep(20000);
}
/*struct sockaddr_in recv_addr;
socklen_t addrlen = sizeof(recv_addr);
char recvbuf[1024] = {0};
while(1)
{
ret = recvfrom(sockfd, recvbuf, 1024, 0,(struct sockaddr*)&recv_addr,&addrlen);
printf("[recv from %s:%d]%s \n",inet_ntoa(*(struct in_addr*)&recv_addr.sin_addr.s_addr),ntohs(recv_addr.sin_port),recvbuf);
}*/
close(sockfd);
}在两台机器中，一个运行send另一个运行recieve。程序要略作修改。在wireshark 中可以检测到VLAN 中的内容。
同步情况的测试
可以编写一个程序产生一个脉冲信号，通过示波器测量。
tsn 的性能，可以使用一个软件发送大量非实时信息，看实时数据是否受到影响。
结束语
本文介绍了在标准的Linux OS 中，配置时间敏感网络的方法。下一步，要结合tsn 交换机做进一步测试。本人也是初学，敬请高人点拨。
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