【实时Linux实战系列】实时以太网与 TSN 基础

在实时系统中，网络通信的实时性和可靠性是确保系统正常运行的关键。实时以太网和时间敏感网络（TSN）技术为实时数据传输提供了强大的支持。TSN通过一系列协议和机制，确保数据能够在预定的时间内可靠传输，满足工业自动化、汽车网络和音视频传输等领域对实时性的严格要求。本文将介绍实时以太网与TSN的基础知识，包括PREEMPT_RT下的配置流程，以及如何实现精准报文收发。

核心概念

实时网络通信需求

实时网络通信要求数据能够在严格的时间约束内传输，以确保系统的实时性和可靠性。在工业自动化、汽车网络等领域，实时数据传输对于系统的正常运行至关重要。

时间敏感网络（TSN）

TSN是一组协议和标准，旨在为以太网提供确定性低延迟和高可靠性的数据传输能力。TSN的核心功能包括时间同步、流量调度、帧抢占和流过滤等

相关协议

• IEEE 802.1AS：用于时钟同步，确保网络中的所有设备具有共同的时间参考

• IEEE 802.1Qbv：定义了时间感知整形器（TAS），用于流量调度和时隙划分

• IEEE 802.1Qbu：支持帧抢占，允许高优先级流量中断低优先级帧的传输

环境准备

硬件环境

• 计算机：支持Linux操作系统的计算机。

• 支持TSN的网络设备：例如支持TSN功能的网卡或交换机

软件环境

• 操作系统：实时Linux发行版，例如带有PREEMPT_RT补丁的Linux内核

• 开发工具：GNU C编译器（GCC）、GDB调试器、Make工具等。

• 版本信息：

  • Linux内核版本：5.10或更高（建议使用带有PREEMPT_RT补丁的内核）

    • GCC版本：9.3或更高。

    • GDB版本：8.2或更高。

环境安装与配置

1. 安装实时Linux内核

   • 下载带有PREEMPT_RT补丁的Linux内核源码：

   • wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.10.tar.xz
     wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/5.10/patch-5.10-rt23.patch.xz

   • 解压并应用补丁：

      

     tar -xf linux-5.10.tar.xz
     cd linux-5.10
     xz -d ../patch-5.10-rt23.patch.xz
     patch -p1 < ../patch-5.10-rt23.patch

   • 配置内核并编译：

   • make menuconfig
     make -j$(nproc)
     sudo make modules_install install

   • 安装开发工具

     • 安装GCC和GDB：

     • sudo apt-get update
       sudo apt-get install build-essential gdb

   • 安装TSN相关工具

     • 安装iproute2、linuxptp和ethtool：

     • sudo apt-get install iproute2 linuxptp ethtool

   • 验证环境

     • 检查内核版本：

uname -r

输出应包含-rt，例如5.10.0-rt23

• 检查GCC版本：

• gcc --version

  输出应显示版本号为9.3或更高。

实际案例与步骤

配置TSN网络

1. 配置时间同步（IEEE 802.1AS）

   • 安装并配置linuxptp：

   • sudo apt-get install linuxptp

   • 启动PTP服务：

   • sudo systemctl start ptp4l

   • 配置流量调度（IEEE 802.1Qbv）

     • 使用iproute2配置网络策略：

     • sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1: tbf rate 100mbit burst 10kb latency 10ms

   • 配置帧抢占（IEEE 802.1Qbu）

     • 使用ethtool配置帧抢占：

     • sudo ethtool -K eth0 tx-early-on

测试TSN功能

1. 发送和接收报文

   • 使用iperf或netcat测试报文传输：

   • sudo apt-get install iperf
     iperf -c 

• 验证报文传输的实时性

  • 使用tcpdump或wireshark捕获和分析报文：

  • sudo tcpdump -i eth0

常见问题与解答

问题1：如何验证TSN配置是否成功？

解决方案： 使用tcpdump或wireshark捕获和分析报文，检查报文的时间戳和优先级

。

问题2：如何配置时间同步（IEEE 802.1AS）？

解决方案： 安装并配置linuxptp，启动PTP服务：

sudo apt-get install linuxptp
sudo systemctl start ptp4l

问题3：如何配置流量调度（IEEE 802.1Qbv）？

解决方案： 使用iproute2配置网络策略：

sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1: tbf rate 100mbit burst 10kb latency 10ms

问题4：如何配置帧抢占（IEEE 802.1Qbu）？

解决方案： 使用ethtool配置帧抢占：

sudo ethtool -K eth0 tx-early-on

实践建议与最佳实践

实用操作技巧

• 定期验证配置：定期使用tcpdump或wireshark验证TSN配置是否成功。

• 监控网络性能：使用工具监控网络性能，确保实时数据传输的稳定性和可靠性。

• 调整配置：根据实际需求调整TSN配置，优化网络性能。

最佳实践

• 合理选择硬件：确保网络设备支持TSN功能，例如支持TSN的网卡或交换机

• 结合多种协议：结合使用IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv和IEEE 802.1Qbu等协议，全面优化实时网络性能。

• 备份配置文件：在修改配置文件之前，建议备份原始文件，以便在出现问题时快速恢复。

总结

通过本篇文章的学习，我们了解了实时以太网与TSN的基础知识，包括PREEMPT_RT下的配置流程和精准报文收发的实现方法。TSN技术为实时网络通信提供了强大的支持，能够满足工业自动化、汽车网络和音视频传输等领域对实时性的严格要求。希望读者能够将所学知识应用到实际项目中，进一步提升系统的性能和可靠性。