TSN —
Time-Sensitive Networking.

00 TSN nedir — IEEE 802.1 ailesi ve motivasyon

TSN (Time-Sensitive Networking), IEEE 802.1 çalışma grubunun geliştirdiği, standart Ethernet üzerinde zaman garantili (deterministik) iletişim sağlayan standartlar bütünüdür. Amaç; EtherCAT veya PROFINET gibi özel protokollere gerek kalmadan, IT ve OT ağlarını tek bir Ethernet altyapısında birleştirmektir.

Standart Ethernet, CSMA/CD ve best-effort iletim modeliyle tasarlanmıştır. İki paket aynı anda gönderilirse çakışma olur; iletim gecikmesi değişkendir (jitter). Endüstriyel otomasyon, ses/video yayını ve araç içi ağlar ise garantili gecikme ve sıfıra yakın jitter gerektirir. TSN bu ihtiyacı standart donanım üzerinde karşılar.

TSN standartlar ailesi

01 802.1Qbv — Gate Control List ve TDMA zamanlama

IEEE 802.1Qbv (Time-Aware Shaper, TAS), her çıkış kuyruğu için bir kapı (gate) tanımlar. Bu kapılar, kesin zamanlara göre açılıp kapatılarak belirli bir trafik sınıfının belirli zaman diliminde iletilmesi garantilenir.

Temel kavramlar

GCL örneği — 1 ms döngü

  Zaman (µs):  0    200    250    1000
               │     │      │       │
  TC7 (krit.)  ████████             │  (200 µs açık)
  Guard band         ████           │  (50 µs kapalı)
  TC0-6 (BE)              ██████████  (750 µs açık)

  GCL:
  [0]  gates=0x80  duration=200000 ns   (sadece TC7 açık)
  [1]  gates=0x00  duration=50000  ns   (guard band)
  [2]  gates=0x7F  duration=750000 ns   (TC0-6 açık)
  cycle-time = 1000000 ns (1 ms)

02 802.1Qav — Credit-Based Shaper

IEEE 802.1Qav (Credit-Based Shaper, CBS), akış bazlı bant genişliği rezervasyonu yapar. Her sınıf için bir "kredi" sayacı tutulur; frame ancak kredi pozitifken gönderilebilir. Bu mekanizma, ses/video akışları için garanti edilmiş bant genişliği ve sınırlı gecikme sağlar.

CBS parametreleri

Kredi hesabı örneği

CBS, TAS (802.1Qbv) ile birlikte kullanılır: TAS "ne zaman" göndereceğini belirlerken CBS "ne kadar" göndereceğini kontrol eder. Tipik bir TSN ağında ses/video akışları CBS ile, kritik kontrol mesajları ise TAS ile yönetilir.

03 802.1AS — gPTP ve ağ senkronizasyonu

IEEE 802.1AS (Generalized Precision Time Protocol, gPTP), TSN'in saat senkronizasyon standardıdır. IEEE 1588v2 (PTP) profilini endüstriyel Ethernet için özelleştirir ve tüm ağ düğümlerinin nanosaniye hassasiyetinde aynı zamana hizalanmasını sağlar.

gPTP hiyerarşisi

Sync mesajlaşma akışı

Grandmaster                 Slave
    │                          │
    │── Sync (t1) ────────────►│  (t2 slave'de ölçülür)
    │── Follow_Up (t1) ───────►│
    │                          │
    │◄─ Delay_Req (t3) ────────│  (t3 slave'de ölçülür)
    │── Delay_Resp (t4) ───────►│
    │                          │
    │  offset = ((t2-t1)-(t4-t3)) / 2
    │  delay  = ((t2-t1)+(t4-t3)) / 2

gPTP vs IEEE 1588v2 farkları

04 Linux TC alt sistemi — taprio ve ETF qdisc

Linux traffic control (TC) alt sistemi, ağ paketlerinin sıralamasını ve zamanlamasını yönetir. TSN için iki kritik qdisc (queueing discipline) mevcuttur: taprio (TAS/802.1Qbv) ve ETF (Earliest TxTime First).

taprio — Time-Aware Priority Shaper

taprio, 802.1Qbv'nin Linux implementasyonudur. Gate Control List'i doğrudan kernel'da uygular ve donanım desteği varsa (hardware offload) NIC'in timestamp donanımına devret.

# taprio konfigürasyonu — 1 ms döngü, 4 kuyruk
# TC7: 200 µs kritik pencere | TC0-6: 750 µs | guard 50 µs
tc qdisc replace dev eth0 parent root handle 100 taprio \
    num_tc 4 \
    map 3 3 3 3 3 3 3 0 1 2 0 0 0 0 0 0 \
    queues 1@0 1@1 1@2 1@3 \
    base-time 0 \
    sched-entry S 0x08 200000 \
    sched-entry S 0x00 50000  \
    sched-entry S 0x07 750000 \
    clockid CLOCK_TAI \
    flags 0x2       # 0x2 = software mode, 0x0 = hardware offload

ETF — Earliest TxTime First

ETF qdisc, pakete gömülü SO_TXTIME zaman damgasına göre iletimi zamanlar. taprio'nun alt qdisc'i olarak kullanılır ve nanosaniye hassasiyetinde paket gönderim zamanlaması sağlar.

# ETF'yi taprio alt qdisc'i olarak ekle
tc qdisc add dev eth0 parent 100:1 etf \
    offload \
    clockid CLOCK_TAI \
    delta 200000    # 200 µs önceden kuyruğa al

# ETF + taprio için socket konfigürasyonu (C kodu):
# setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_TXTIME, &sk_txtime, sizeof(sk_txtime));
# cmsg ile SCM_TXTIME zaman damgası gönder

CBS — Credit-Based Shaper qdisc

# CBS qdisc (802.1Qav için)
tc qdisc add dev eth0 parent 100:2 cbs \
    idleslope 75000    \   # 75 Kbit/s
    sendslope -925000  \   # sendslope = idle - port_speed
    hicredit  30       \   # byte cinsinden
    locredit  -38      \
    offload 1              # NIC hardware offload

05 linuxptp — ptp4l, phc2sys, ts2phc

linuxptp, Linux için IEEE 1588 ve 802.1AS uyumlu PTP implementasyonudur. ptp4l PTP protokolünü çalıştırır, phc2sys NIC hardware clock'u sistem saatiyle senkronize eder ve ts2phc ise GPS/1PPS sinyalinden hardware clock'u disipline eder.

ptp4l konfigürasyonu (gPTP profili)

# /etc/ptp4l.conf — gPTP (802.1AS) profili
[global]
gmCapable               1
priority1               128
priority2               128
logAnnounceInterval     0      # 1 saniyede 1 announce
logSyncInterval         -3     # 8 ms'de 1 sync (2^-3)
logMinDelayReqInterval  -3
network_transport       L2     # Ethernet L2 (gPTP)
delay_mechanism         P2P    # Peer delay (gPTP zorunluluğu)
egressLatency           0
ingressLatency          0
time_stamping           hardware  # NIC hardware timestamping
tsproc_mode             filter
delay_filter            moving_median
delay_filter_length     10
clockServoDomain        0

[eth0]                         # TSN NIC arayüzü

# ptp4l başlatma
sudo ptp4l -f /etc/ptp4l.conf -i eth0 -m &

# phc2sys: NIC PHC → CLOCK_REALTIME
sudo phc2sys -s eth0 -c CLOCK_REALTIME \
             -O 0 -R 8 -f /etc/ptp4l.conf -m &

# phc2sys: CLOCK_REALTIME → CLOCK_TAI (taprio için)
sudo phc2sys -s CLOCK_REALTIME -c CLOCK_TAI \
             -O -37 -R 8 &

# Senkronizasyon durumunu izle
sudo pmc -u -b 0 'GET CURRENT_DATA_SET'
# offset from master: -5 ns
# mean path delay: 234 ns

ts2phc — GPS ile hardware clock senkronizasyonu

# /etc/ts2phc.conf
[global]
ts2phc.master 1          # Bu cihaz Grandmaster
leapfile /usr/share/zoneinfo/leap-seconds.list

[eth0]                   # TSN NIC
ts2phc.extts_polarity rising

[/dev/pps0]              # GPS 1PPS sinyali
ts2phc.master 1

linuxptp araçları özeti

06 LLDP ve komşu keşfi

LLDP (Link Layer Discovery Protocol, IEEE 802.1AB), ağ cihazlarının komşularını keşfetmesi ve yeteneklerini ilan etmesi için kullanılır. TSN ağlarında her düğüm LLDP ile IEEE 802.1Qbv ve 802.1AS desteğini diğer düğümlere bildirir.

TSN ile ilgili LLDP TLV'ler

# lldpd kurulumu ve konfigürasyon
sudo apt install lldpd

# Konfigürasyon dosyası /etc/lldpd.conf
configure system description "TSN Edge Node v1.0"
configure lldp tx-interval 5       # Her 5 saniyede bir yayın
configure lldp tx-hold 4           # TTL = tx-interval × tx-hold

sudo systemctl enable lldpd
sudo systemctl start lldpd

# Komşuları listele
sudo lldpcli show neighbors
# -------------------------------------------------------------------------------
# Interface:    eth0, via: LLDP, RID: 1, Time: 0 day, 00:02:34
#   Chassis:
#     ChassisID: mac aa:bb:cc:dd:ee:01
#     SysName:   tsn-switch-01
#     MgmtIP:    192.168.1.1
#   Port:
#     PortID:    ifname eth1
#     PortDescr: TSN Port 1 (802.1Qbv)

# Yetenekleri göster
sudo lldpcli show neighbors details | grep -A5 802.1

07 TSN destekli NIC'ler — Intel i210/i225 ve NXP LS1028A

TSN performansı büyük ölçüde NIC donanımına bağlıdır. Hardware timestamp, hardware taprio offload ve çoklu TX kuyruğu desteği olmadan yazılım tabanlı TSN'in jitter'ı yüzlerce mikrosaniyeye çıkabilir.

Intel I210 / I225

# I225 hardware taprio offload kontrolü
ethtool -k eth0 | grep -E "tx-checksum|hw-tc-offload"
# hw-tc-offload: on   (taprio hardware offload aktif)

# I225 timestamp yetenekleri
ethtool -T eth0
# Capabilities:
#         hardware-transmit     (SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE)
#         software-transmit     (SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE)
#         hardware-receive      (SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE)
#         hardware-raw-clock    (SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE)
# PTP Hardware Clock: 0
# Hardware Transmit Timestamp Modes:
#         off                   (HWTSTAMP_TX_OFF)
#         on                    (HWTSTAMP_TX_ON)

# I225 için hardware taprio
tc qdisc replace dev eth0 parent root taprio \
    num_tc 4 \
    map 3 3 3 3 3 3 3 0 1 2 0 0 0 0 0 0 \
    queues 1@0 1@1 1@2 1@3 \
    base-time 0 \
    sched-entry S 0x08 200000 \
    sched-entry S 0x07 800000 \
    clockid CLOCK_TAI \
    flags 0x0    # 0x0 = hardware offload

NXP LS1028A (SoC)

LS1028A, entegre TSN switch çekirdeği içeren bir SoC'tur. ENETC (Ethernet Controller) ve Felix switch donanımı ile tam 802.1Qbv/Qav/AS desteği sunar; ayrı NIC gerekmez.

08 Pratik: taprio + ETF ile deterministik UDP gönderim

Bu bölümde Intel I225 NIC'e sahip bir Linux makinesinden, taprio + ETF qdisc kombinasyonunu kullanarak nanosaniye hassasiyetinde zamanlı UDP paket gönderimi gerçekleştirilir.

Sistem hazırlığı

# 1. PTP senkronizasyonu başlat
sudo ptp4l -f /etc/ptp4l.conf -i eth0 -m &
sudo phc2sys -s eth0 -c CLOCK_REALTIME -O 0 -R 8 -m &
sudo phc2sys -s CLOCK_REALTIME -c CLOCK_TAI -O -37 -R 8 &

# 2. Senkronizasyonu doğrula (offset < 1 µs beklenir)
sudo pmc -u -b 0 'GET CURRENT_DATA_SET' | grep offset
# offsetFromMaster   -143

# 3. taprio + ETF konfigürasyonu (I225 hardware offload)
sudo tc qdisc del dev eth0 root 2>/dev/null
sudo tc qdisc add dev eth0 parent root handle 100 taprio \
    num_tc 2 \
    map 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 \
    queues 1@0 1@1 \
    base-time $(date +%s)000000000 \
    sched-entry S 0x01 300000 \
    sched-entry S 0x02 700000 \
    clockid CLOCK_TAI \
    flags 0x0

sudo tc qdisc add dev eth0 parent 100:1 etf \
    offload clockid CLOCK_TAI delta 200000

SO_TXTIME ile zamanlı UDP gönderici

/* tsn_sender.c — ETF + SO_TXTIME ile deterministik UDP */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/net_tstamp.h>
#include <linux/errqueue.h>

#define DST_IP    "192.168.1.2"
#define DST_PORT  5000
#define CYCLE_NS  1000000ULL   /* 1 ms */
#define OFFSET_NS 200000ULL    /* pencere başından 200 µs sonra */

int main(void)
{
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    /* SO_TXTIME'ı etkinleştir */
    struct sock_txtime sk_txtime = {
        .clockid = CLOCK_TAI,
        .flags   = 0,
    };
    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_TXTIME,
               &sk_txtime, sizeof(sk_txtime));

    /* VLAN önceliği 7 (TC7) için SO_PRIORITY */
    int prio = 7;
    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_PRIORITY, &prio, sizeof(prio));

    struct sockaddr_in dst = {
        .sin_family = AF_INET,
        .sin_port   = htons(DST_PORT),
    };
    inet_pton(AF_INET, DST_IP, &dst.sin_addr);

    struct timespec now;
    clock_gettime(CLOCK_TAI, &now);
    uint64_t txtime = (uint64_t)now.tv_sec * 1000000000ULL
                    + now.tv_nsec;
    /* Bir sonraki döngü sınırına hizala */
    txtime = (txtime / CYCLE_NS + 1) * CYCLE_NS + OFFSET_NS;

    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        char buf[64];
        snprintf(buf, sizeof(buf), "TSN frame %d txtime=%lu", i, txtime);

        /* Kontrol mesajında txtime gönder */
        char cmsg_buf[CMSG_SPACE(sizeof(uint64_t))];
        struct iovec  iov = { buf, strlen(buf) };
        struct msghdr msg = {
            .msg_name       = &dst,
            .msg_namelen    = sizeof(dst),
            .msg_iov        = &iov,
            .msg_iovlen     = 1,
            .msg_control    = cmsg_buf,
            .msg_controllen = sizeof(cmsg_buf),
        };
        struct cmsghdr *cm = CMSG_FIRSTHDR(&msg);
        cm->cmsg_level  = SOL_SOCKET;
        cm->cmsg_type   = SCM_TXTIME;
        cm->cmsg_len    = CMSG_LEN(sizeof(uint64_t));
        memcpy(CMSG_DATA(cm), &txtime, sizeof(txtime));

        sendmsg(sock, &msg, 0);

        txtime += CYCLE_NS;  /* Sonraki döngü */
    }

    close(sock);
    return 0;
}

Gecikme ölçümü

# Alıcı tarafta RX timestamp ile gecikme ölç
# SO_TIMESTAMPING ile hardware RX zamanını al
python3 -c "
import socket, struct, time
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.bind(('0.0.0.0', 5000))
# SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE | SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_TIMESTAMPING, 0x28)
while True:
    data, _, _, ts = s.recvmsg(1024, 1024)
    print(f'Alındı: {data[:20]}, HW TS: {ts}')
"

# cyclictest ile sistem latency ölçümü
sudo cyclictest -p80 -t1 -n -i1000 -l10000 \
                --policy=fifo \
                -h400 -q | tail -5
# Max: 18 µs (TSN + PREEMPT_RT ile)