TSN测试解决方案

1.TSN技术

1.1TSN简介

时效性网络（Time-Sensitive Networking）也称为时间敏感网络，简称TSN，是IEEE 802.1工作小组中的Time-Sensitive Networking（TSN）工作小组发展的系列标准。此标准会定义以太网上时间敏感传输的机制。

此计划主要是定义IEEE 802.1Q–虚拟局域网的衍生内容。这些衍生内容特别强调传输的超低延迟以及高可用性。可能的应用包括使用在车用网络或工业控制上，结合实时影音串流以及实时控制串流的整合性网络。AVnu联盟特别成立的工业小组也正在定义TSN网络元件的相容性以及互操作性要求。

TSN有着带宽、安全性和互操作性等方面的优势，能够很好满足未来万物互联的要求。其主要的工作原理是优先适用(IEEE P802.3br)机制，在传输中让关键数据包优先处理。这意味着关键数据不必等待所有的非关键数据完成传送后才开始，从而确保更快速的传输路径。

1.2 TSN技术应用

TSN使用标准以太网提供分布式时间同步和确定性通信。因此，任何需要分布式测量或控制的应用都可以从TSN中受益。客户可使用TSN进行简单的分布式同步测量、下一代计算机数控加工的改进、新型半导体加工机器以及未来的电网研究等。

视频/音频传输

TSN最初来源于视频领域的应用需求，传输音频和视频信息的网络需要遵守严格的时序规则。如果音频或视频分组不能按指定的时序规则到达目的地，则接收设备（例如视频屏幕或扬声器）可能会发生视频帧被丢弃、音频伪像的情况。此外，这种网络还需要可预测的延迟，保证视频和相关音频流之间的同步。另一方面，赛事的实况转播有很多高清的数据要通过网络传输到处理中心，对带宽的需求极大。而且为了最大限度的提供实时性，这些图像、音频必须实现高实时的传输与处理，可以想象其对带宽和实时性的需求。

汽车驾驶

目前大多数的汽车控制系统非常复杂。比如说：刹车、引擎、悬挂等采用CAN总线。而灯光、车门、遥控等采用LIN系统。实际上，所有上述系统都可以用支持低延时且具有实时传输机制的TSN进行统一管理。可以降低给汽车和专业的A/V设备增加网络功能的成本及复杂性。

在车辆中，实时功能对于某些应用至关重要。为确保这些实时功能可用，必须在以太网控制器中设置具有直接访问硬件资源的机制。TSN使构建可扩展的以太网网络成为可能。为此，不同的消息按照其可用性分为了不同的等级，并对其延迟和优先级进行了分类，每个消息类被分配到一个固定的带宽。此外，TSN 还支持冗余以太网系统，并且，为确保稳定的数据交换，定义了安全标准。

IEEE音频/视频桥接工作组定义了相关机制和协议，以确保低延迟数据正常交换、并在时间上同步应用。音频/视频桥接（AVB）主要应用在娱乐系统。如今驾驶员辅助系统的广泛引入，要求在发送和接收行为方面有更严格的规范。因此，IEEE TSN工作组延续了AVB的工作，该工作组的重点是研究确定性数据传输机制，进一步减少以太网网络中的延迟，更加稳定和安全地传输数据。

车辆对外通信也是车载TSN的重要应用场景。车辆移动性和车联网（V2X, vehicle to everything）通信的TSN互连方法，可以创造一个更安全的自动驾驶环境。此外，利用TSN确定性地传输第5代移动通信系统（5G, the fifth generation of mobile communications system）-V2X控制信号理论上可行，但面对复杂场景还需要大量的实验验证和数据积累。

工业物联网

工业物联网是未来TSN最广泛的一个应用，所有需要实时监控或是实时反馈的工业领域都需要TSN网络。比如：机器人工业、深海石油钻井以及银行业等等。

标准以太网的本质是一种非确定性网，但在工业领域必须要求确定性，一组数据包裹必须完整、实时、确定性的到达目的地，因此较新的TSN标准增加了中心控制、所有网络设备的时间同步以及更低的延迟等特性。为了达到尽可能低的绝对延迟，IEEE 802.1Qbv 定义了一个时间感知整形器，它可以无视定时流量门的存在。TSN消除了标准以太网由于交通“拥堵”导致的非确定性。

TSN除了解决以太网的不确定性问题，还正在解决工业领域总线的复杂性问题。如今工业中每种总线有着不同的物理接口、传输机制、对象字典，每种不同的技术背后都有不同的厂商在支持，难以统一。而且即使是采用了以太网来标准各个总线，仍然会在互操作层出现问题，这使得对于IT应用，如大数据分析、订单排产、能源优化等应用遇到了障碍。

TSN还可以用于支持大数据的服务器之间的数据传输。全球的工业已经入了物联网(Internet of Things，IoT)的时代，毫无疑问TSN是改善物联网互联效率的最佳途径。

EEA应用

针对TSN在电子电气架构（EEA, electrical and electronic architecture）中的研究集中在基于域控制器（DCU, domain control unit）的EEA、基于区域的EEA、新型EEA架构。在基于DCU的EEA中，TSN作为骨干以太网，可以保证数据在交换机中的传输时延符合自动驾驶要求。在基于区域的EEA中，TSN用于车载中央计算机（VCC, vehicle central computer）和区域控制器之间的实时信号传输，通过冗余保障可靠性。新型EEA架构还引入了SDN、基于网络互联协议的可扩展面向服务的中间件（SOME/IP, scalable service-oriented middleware over internet protocol）等技术。基于SDN架构和TSN实时传输功能，能够按需配置，实现中央监控。IVI、远程信息处理、监控功能域都可以通过 TSN与VCC连接，用于远程加速等场景。TSN和SOME/IP融合使IVN可以被标准化，从而增强互操作性。

航空与航天

对于TSN在航天方面上应用，目前IEEE 802和SAE Avionics Networks AS-1 A2目前正在合作，为航空航天板载以太网通信定义TSN概要。这个名为IEEE P802.1DP/SAE AS 6675的项目还没有发布初稿，所以现在谈规范的细节还为时过早。到目前为止，工作一直集中在收集用例上，并且期望TSN概要文件可以应用于军事和客运飞机、直升机、甚至卫星。对于这些用例，联合项目正在研究提供时间同步（IEEE 802.1AS）、流量整形（IEEE 802.1 Qav和IEEE 802.1Qbv）、冗余（IEEE 802.1CB）、过滤和监管（IEEE 802.1Qci）以及配置和管理（IEEE 802.1Qcc）的机制。即使在项目的最后有一个单一的规范，它也可能包含多个概要文件。例如，它可以有一个同步配置文件（即，使用预定流量）和一个异步配置文件。

在民航中，对于航空器的网络分为三个域：飞行控制域（ACD）、航空公司信息服务领域、乘客信息及娱乐服务领域。其中飞行控制域是事关飞行安全的重要部分。在军用航空中，飞行器系统也类似商用系统的飞行控制域，但同时需要根据不同的任务和飞行器类型搭载任务系统，其中包括高可靠性的武器系统、高性能任务执行计算机、通信系统等。当前航空航天网络中，主要包含四类：ARINC 664上的飞行控制域（以太网配置文件）、商用以太网上的PIESD/AISD（客舱/乘客系统）、在非以太网总线上有更高的性能和可靠性的子系统、传统总线如1553、1760、FC。而TSN的主要目标是在TSN标准支持这些需求的范围内，解决所有4个类别的网络需求。

对于航空航天网络，需要关注到以下几个要点：性能、费用、寿命、可行性和成熟度、故障率、保证性、易于集成、灵活的/混合的保证网络。其中性能要求中，带宽、抖动等会是非常重要的因素，而TSN网络可以极大提高带宽并减小抖动。同时随着TSN的标准推进，IEEE组织正在研究成本可控的TSN认证网络以降低使用费用。

综上所述，未来TSN将会成为航空器上可认证的、基于标准的、确定性的、高带宽的网络。

综合设计

车载TSN的综合设计主要集中在建模、设计、可行性分析、测试和仿真环境。

车辆是一个分布式的嵌入式系统，TSN通信的整体建模方法对时序属性和要求进行建模，有助于支持时序分析，而进一步将其整合到基于模型和组件的软件开发框架中，可使其具有互操作性。目前，还缺少对于复杂应用场景的建模。汽车通信的整体解决方案可以通过集成TSN、汽车开放系统架构自适应平台提供确定性的高速通信。应用、虚拟机、虚拟机监视器三种级别都可用于处理虚拟化的异构平台中TSN实时传输问题。已有设计方法可以结合真实的车辆数据进一步完善。

应用有监督和无监督的机器学习确定TSN配置的可行性，能够权衡用户可调的准确率和计算时间。基于构件化分析框架和实时演算也可进行TSN的可行性分析。此外，还需要考虑有无保持和释放机制的CBS，TAS，Qbu的可调度性，分析系统整体的可行性，包括软件、硬件、软硬件结合、车规级设计等。

设计真实的测试平台有助于研究不同负载下车载TSN的时延和抖动性能。基于OMNeT++模拟器和INET框架的IVN建模和仿真环境，包括TSN仿真模型、现场总线、网关、车辆网络建模工具，能更好地评估、优化、调试新的网络架构。但是现有仿真环境还可以将Qci、Qch等标准的关键特征整合到其中。

2. TSN测试平台设备介绍

2.1 Calnex Paragon-X

英国卡耐斯解决方案有限公司 (Calnex) 致力于同步领域测试解决方案研究和产品开发已超过12年，是全球网络同步和损伤测试测量领域的领导者。卡耐斯所提供的测试解决方案及产品已广泛应用于移动通信、金融交易系统、云服务提供商服务系统、智能电网、汽车以太网、航天军工通信系统等行业，至今卡耐斯已将产品交付到全球50多个国家的320多个客户手中。卡耐斯总部设在英国苏格兰的林利斯戈，由出类拔萃的技术专家组成的团队进行管理，研发中心汇聚了业界最好的工程师，持续推动高品质产品的研发和技术创新。思博伦作为Calnex在中国大陆的唯一指定合作伙伴，负责全部Calnex产品在大陆地区的销售推广工作。

Calnex Paragon-X是目前市面上唯一全面支持IEEE 802.1AS协议与精度测试的工具。Paragon-X通过高性能CPU处理器，高速FPGA可编程芯片配合已系统应用软件实现802.1AS协议仿真、协议一致性分析、802.1AS时间精度测量。

Paragon-X测试仪由高性能CPU处理器提供PTP协议仿真，完整支持PTP所有协议报文的封装、报头字段配置和解析、报文收发速率控制、协议报文统计等测试功能。

Paragon-X测试仪由高速PFGA可编程芯片进行PTP时间戳处理，保证时间戳的精准和稳定，并可通过FPGA控制仿真PTP噪声进行网络损伤测试。

Paragon-X仪表配套有客户端应用软件、CAT测试数据分析和报告软件、PFV协议一致性分析软件极大方便测试操作和研发问题定位分析。

Paragon-X仪表主机及配件尺寸如下：

Paragon-X仪表主机尺寸: 45cm x 24cm x 9cm (W x D x H)

电源适配器尺寸: 17cm x 13cm x 9cm

仪表运输箱尺寸: 57cm x 27cm x 47cm

2.2 Spirent C50

广州绿测用于TSN流量相关协议与性能测试的测试仪表是Spirent C50。Spirent C50是通信高性能数据网络综合测试平台，支持L2-L7高性能测试。数据通信网络正向着统一的多功能网络融合，这种趋势包括：融合的多功能网络，要求数据、语音、视频，存储等多种业务在同一个平台上承载；更高的端口密度，更大的业务流量，要求更加精确的服务质量控制和策略保障；IPv6部署；更大数量和更多类型的用户，更高的安全要求。这些都对网络和产品的测试提出了新的要求。Spirent C50测试仪综合了性能测试，协议测试，应用层测试和安全测试，提供了一个全新的高密度，高扩展性，集成测试方法学，通用自动化测试框架的综合测试平台。

Spirent C50在业界具有很高的市场认可度，是数据通信领域广泛认同的、能够对于网络及设备进行性能测试和评估分析的标准测量仪表。在北美洲、欧洲、亚洲和中国，被广泛的用于各国标准机构和认证实验室、政府实验室、运营商、网络通信设备制造商、大学科研机构等相关单位中。特别在运营商测试领域，Spirent C50长期被中国电信，中国移动，中国联通等运营商接入设备，核心网设备和IDC设备的集采选型测试，成为事实的标准测试工具。

用于TSN测试的Spirent C50，支持16个SFP 1G接口，可支持扩展到1000BASE-T1的车载以太网接口。C50配置时钟同步卡，支持端口间时钟同步，支持NTP/PTP/GPS/CDMA外部时钟源。

Spirent C50设备参数如下：

尺寸： 3U高/ 16.53”宽/ 19.75”深

重量：14kg

供电要求：115 V—230 V, 50/60 Hz–750 W max

运行环境要求：5℃-35℃，湿度10%-90%

3.2 TSN Bridge/End Station同步精度评估方案测试用例

测试编号	TN 01
测试项目	802.1AS time-aware Bridge时间误差测试
测试目的	验证被测设备在802.1AS组网中作为time-aware Bridge时性能是否符合组网要求
测试环境

测试编号	TN 02
测试项目	802.1AS time-aware Bridge网络异常测试
测试目的	验证被测设备在802.1AS组网中作为time-aware Bridge时遇到网络异常时处理能力
测试环境

4.协议一致性测试解决方案介绍

4.1 协议开发测试平台TTworkbench介绍

TTworkbench是一种具备完整特性的集成式测试开发和执行环境（IDE），适用于任意类型的测试自动化项目。这种功能强大且对用户非常友好的工具使用户能够测试各类软件产品和服务，完全不需要担心技术、操作系统或实施领域所造成的隔阂。对于有TSN一致性测试需求的用户，TTworkbench可以直接搭载在拥有多个BroadR-Reach 100BASE-T1端口的Spirent C50测试平台上。

TTworkbench的优势体现在以下几个方面：

1、多合一开发概念

2、以文本和/或图形格式提供快速、方便的测试定义

3、具备完整支持的测试自动化

4、TTCN-3中技术完全独立的测试系统设计

5、持续支持最新版的TTCN-3

6、初期设计阶段的测试

7、具备极高的重复利用能力并可方便地执行预先定义好的测试

8、可与测试系统快速集成

9、通过对缺陷的快速、高效跟踪实现可靠的测试套装

10、预装TTpluginsTCP 和UDP (免费)

11、可通过多种TTplugins实现更高的扩充能力

12、支持所有TTCN-3扩展:

完全支持：高级参数化、行为类型和扩展TRI

部分支持：TTCN-3性能和实时测试，并与连续信号建立接口

TTworkbench由以下几个部分组建而成：

1、TTman: 管理、执行和分析TTCN-3汇编测试套装

根据项目的要求，定义、执行、保存和继续使用测试行动
不同层级的文本和图形日志
带分析支持的测试数据视图
跟踪TTCN-3源功能
选择和配置测试适配器及运行时插件（端口、编码解码器、外部功能）
统计数据视图
生成测试报告(HTML, PDF, Excel, Word)
批量模式测试的脚本编制
命令行和客户端服务器选项

2、CL编辑器：对用户友好的基于文本的测试定义（包括T3Doc）

CL Editor screenshot
完全支持TTCN-3 ETSI标准
文本格式和语义强调
带源导航的文本注释和错误报告
代码折叠、代码模板
TTCN-3数据生成和修改向导
内容辅助
模块依存关系图表
显示规格结构的纲要页面
快速修正支持
重构
T3Doc HTML导出

3、TTthree: 将TTCN-3模块汇编为测试执行文件

TTthree screenshot
独立于平台的汇编和执行
完全支持TTCN-3 ETSI标准
通过标准化的TTCN-3运行时接口（TRI/XTRI、TRI RT/XTRI RT）实现与测试设备的灵活适配
通过标准化的TTCN-3控制接口（TCI）实现与外部编码解码器的轻松集成
支持C、C#和Java映射
适用于二进制编码解码器的编码解码器生成器
命令行选项

4、GFT 编辑器：对用户友好的图形化测试规格和文档

GFT Editor screenshot
测试案例以GFT序列图的方式实现图形化设计和可视化
原生TTCN-3数据导入
TTCN-3核心语言的在线生成
TTCN-3核心语言中GFT（图像）的自动生成
图像至GIF（文档）的灵活导出方式

5、捕捉与回放向导：根据踪迹生成TTCN-3脚本

Capture & Replay Wizard screenshot
根据踪迹生成TTCN-3脚本
Pcap踪迹文件支持（由Wireshark和tcpdump等使用）广泛的捕捉格式适用于几乎所有类型的网络通信
来自多个来源的实时消息捕捉
支持控制台输入/输出：脚本生成能力适用于各类基于终端的通信
更多信息: CaptureAndReplay.pdf
First Steps User's Guide

6、TTdebug:TTCN-3源代码级别的调试器

TTdebug screenshot
可同时对基于Java的测试适配器和编码解码器执行透明的TTCN-3调试
基于图形用户界面的临界点和观察点设置/删除
手动暂停/继续测试套装的运行
对暂停的测试套装分步执行
查看多个组件的状态和堆栈踪迹
对基础或结构类型的本地和组件变量的内容，以及本地参数的内容，进行查看和修改
查看计时器的状态，并手动触发超时
查看端口队列的状态
操纵队列中消息的顺序
查看队列中消息的内容

7、RPDE: 运行时插件开发环境

RPDE screenshot
开发TTCN-3运行时扩展插件的直观框架
在纯文本模式和图形用户界面模式中编辑TTCN-3运行时插件的所有特性

4.2 协议一致性测试床与套件介绍

Spirent C50通过两个测试端口与被测TSN交换机进行对接。安装在PC上的TTworkbench测试平台运行TSN一致性测试套件对被测设备进行测试。测试套通过在发送端构建针对不同协议功能与特征的特殊流量模型，在接收端捕捉被测TSN交换机转发的数据帧并进行帧解析与流量分析，验证被测TSN交换机的功能实现与协议一致性。

Spirent TSN一致性测试套件目前支持IEEE 802.1Qbv/802.1Qbu/802.1Qci/802.1CB 4个协议的测试，共约150个测试用例。用例包括：

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

4.3 测试用例范例

项目编号：PN 01

分项目编号：PN 01A

测试项目：验证被测设备对IEEE 802.1Qbv时间感知流量整形调度功能的支持情况。

测试类型：必选

实验环境：

5.Testcenter TSN交换机性能测试解决方案

5.1基本功能和性能测试

基本功能、性能和QoS测试的项目包括：

二层组网能力
流量性能
QoS能力
互通性测试

测试仪表的主要工作就是仿真各种真实的测试流量，并对接收流量进行分析，验证被测系统的能力。

流量发生

Testcenter 每端口能够并发支持多条独立的测试流，每条测试流都可以定义独立的协议头，净荷，标签，QoS参数等等, 在流量发送方面，有下列适合TSN测试的特点：

大规模系统测试流量生成能力：Testcenter 每端口可以支持多条独立的测试流，支持复杂的系统测试。当一个TSN网络内包括较大数量的终端。每个终端又包括不同优先级和不同应用类型的流量。这就要求在系统测试中，测试仪表能产生大量独立的测试流。Testcenter 每端口可以支持多条独立测试流，对每条测试流进行独立流量的带宽，优先级，协议内容，调度方式编辑，能模拟最真实的现网流量，去测试TSN系统真实的工作能力。

真实网络流量模型：能够产生经过任意QoS调度的测试流量(即CBR，VBR，UBR组合业务)，用现网场景证网络和设备。Testcenter 支持的流量调度模型包括:

①基于端口流量调度: 仿真经过RR调度以后的流量

②基于测试流的流量调度: 仿真经过WRR 调度以后的流量

③基于优先级的流量调度: 仿真经过绝对优先级调度以后的流量。根据现网运营经验,设备在突发流量下产生故障的概率比恒定流量下要大。Testcenter 基于优先级的流量调度模式，可以在一个端口下产生恒定流量和突发流量的混合流量。

④用户自定义流量调度：用户可以任意定义不同测试流和测试帧的发包顺序，对于复现真实网络中的故障，或者把真实网络中场景引入到日常测试中的需求，这是一个合适的工具。

结果分析

在统计方面，Testcenter 每端口能实时分析多条独立的测试流(Stream)，为每条测试流提供了50多个实时统计流量，以图和表方式显示，可以充分反映到每一路终端的每种业务的业务质量。统计直观丰富，准确，有标准依据。

这些统计量包括:

速率和帧总数：包括收/发帧总数，收发帧的速率，包括bps, fps,Bps等单位统计;
帧的顺序性：包括丢包，顺序，乱序，重复和迟到统计，统计分为总数和速率；
时延：最大/最小/平均时延，短期时延(过去1秒内的时延，可作为实时时延变化),时延分布；
抖动：最大/最小/平均抖动，短期抖动(过去1秒内的抖动，可作为实时抖动变化),抖动分布；
各种类型错包等统计量：CRC错，IP checksum错，TCP和UDP checksum 错，基于PRBS的误码率。

TSN系统上承载的业务包括数据，语音和视频的Triple play 业务，Testcenter 支持的很多关键统计量，对上层业务的质量有关联性很强的参考意义，很多统计量的定义和测量方法，依据RFC 及相关标准，对Triple Play 业务的质量评估非常准确有效：

支持MEF10/RFC3393/RFC 4689 抖动统计；
支持MEF10/RFC4737 丢包和帧的顺序性统计；
支持1秒实时时延和抖动变化统计;
支持时延分布和抖动分布统计。实时时延/抖动统计和时延/抖动分布统计，测试长时间测试中业务转发是否一直稳定，能够反映很多被最大/最小/平均统计量掩盖的问题。

5.4 测试结果数据挖掘

TSN系统包含大量终端，每个终端还需要转发多种不同类型，不同优先级的业务，所以系统测试会产生大量的测试流。测试人员既需要测试仪表覆盖所有测试流量，能反映不同问题的丰富的测试数据，也需要测试仪表提供在大量测试数据中，能便捷发现问题统计量，快速进行问题定位的手段。Testcenter 强大的数据挖掘功能，能帮助测试人员在系统测试中，能快速定位问题业务并进行故障定位的手段，其主要功能包括:

Interesting Stream: 按照服务质量标准对测试流进行过滤。Testcenter 用户可以实现定义测试不通过的标准，比如：

丢包总数>100

时延>100us

抖动>50us

对这些标准，我们可以进行与/非/或操作，然后应用于测试结果。Testcenter 会从大量测试结果中，过滤出符合条件的测试流，也就是存在性能或者功能问题的业务，快速进行问题定位。

动态结果视图(Dynamic Result View, DRV): 用户可以自定义结果视图，结果视图中的统计量，可以是用户关心的Testcenter 定义的标准统计量，也可以统计量之间的运算结果。结果视图可保存和重用。

5.5测试自动化

传统的测试自动化主要着眼于实现可执行的测试脚本，一方面需要测试工程师掌握一定的编程技能，另一方面用户还需要设计一套调度，运行测试脚本的自动化框架，这两点往往是很多用户开展测试自动化的瓶颈。基于此，TestCenter图形界面上集成了Command Sequencer测试工具，使得用户能够更方便，快捷的开展测试自动化工作。它使测试工程师能够利用拖放式的用户图形界面，选择命令并根据用户定义的次序执行它们；并且支持条件判断以及循环的功能。

不仅如此，我们将提供更为全面的自动化解决方案。

iLO （iTest Lab Optimizer）配合物理层交换机，提供客户可视化的实验室管理。
iTest 通过录制回放的方式，简化了测试环境的配置工作。

iTest 友好的NoCode编程界面，以及强大的结果分析功能，使得测试例开发变得简单。

iTest 同时也是自动化执行平台，帮助客户实现测试例的调度，执行，以及报告生成。

关于绿测

广州绿测电子科技有限公司（简称：绿测科技）成立于2015年11月，是一家专注于耕耘测试与测量行业的技术开发公司。绿测科技以“工程师的测试管家”的理念向广大客户提供专业的管家服务。绿测科技的研发部及工厂设立于广州番禺区，随着公司业务的发展，先后在广西南宁、深圳、广州南沙、香港等地设立了机构。绿测科技经过深耕测试与测量领域多年，组建了一支经验丰富的团队，可为广大客户提供品质过硬的产品及测试技术服务等支持。

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测试目的	测试时钟服务器能够支持北斗和GPS两种卫星源
测试配置

测试目的	验证被测设备跟踪GNSS时，1PPS/ToD和PTP输出的时间误差
测试配置