OpenTSN網絡時間同步與交換延時的初步測試結果
發布時間：2019-08-01
基于OpenTSN環境和TSN-Insight機制，我們對環形網絡中4個TSN交換機的同步精度和基于CQF整形的TSN流轉發延時進行了測試。初步驗證了目前實現方案的有效性，也發現了一些潛在的bug。
一、同步精度測試
OpenTSN環境的同步精度基于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設備發送beacon分組（基于PTP協議擴充），由于Beacon分組基于PTP協議格式，因此沿途交換機會記錄該分組的透明時鐘值。Insight設備收到beacon分組時，通過透明時鐘的修正（類似AS6802標準中的固化操作）即可推斷這些beacon源自TSN交換機之間的時間偏差。
與常規的秒脈沖機制相比，基于Beacon機制的精度測量具有實現簡單，無需專業的測試設備的優點（TSN-Insight的PTP協議擴展和Beacon機制詳見參考文獻[1][2]，我們也將在后續文章中介紹）。
無背景流時，四個交換機時鐘（從）與主時鐘的偏差絕大多數時間可以控制在100ns以內，交換機1和交換機2在個別時間（周期性出現）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現，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網絡中注入背景流。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，優于50ns，具體的原因待查。
二、TSN流的轉發確定性測試
我們基于802.1Qch標準中提出的CQF整形模型以及典型的時間槽配置對10M TSN流的交換性能進行了測試。
FAST-ANT測試儀通過令牌桶機制控制10Mbps帶寬數據流的發送，由于令牌是周期性增加的，因此發送的數據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。
根據CQF模型，分組在經過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。因此分組在經過1、2、3、4跳交換機后，延時應該分別在[0，500us]，[250us，750us]，[500us，1000us]以及[750us，1250us]之間。實測結果如圖5所示，符合預期。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期的。
圖5 基于CQF整形的轉發延時確定性測試
三、初步測試結論
（1）TSN-Insight的Beacon機制可有效監測TSN網絡內部的同步狀態，發現同步異常，是OpenTSN驗證對TSN關鍵技術驗證必不可少的組成部分；
（2）基于OpenTSN中的同步機制，在規模有限的網絡中，可以取得優于200ns的同步延時，但同步系統或Insigt系統的Beacon機制在實現中可能存在bug需要解決；
（3）TSN中基于802.1Qbv/802.1Qch的整形機制可以保證轉發延時的確定性。
參考論文：
[1] 楊毅等，ePTP:一種天基超算平臺交換網絡狀態監測機制，2019年軟件定義衛星高峰論壇，優秀論文；
[2] Tianyu Bu, Yi Yang, Xiangrui Yang etc. TSN-Insight: An EfficientNetwork Monitor for TSN Networks，APNET’2019 poster
