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ethernet

前言​

S100芯片提供多个标准千兆/万兆以太网控制器, 支持传统的以太网报文收发, PTP/TSN 时间敏感性网络, 以及 EtherCAT 主站等特性。

S600芯片提供多个标准千兆/万兆以太网控制器, 支持传统的以太网报文收发, PTP/TSN 时间敏感性网络, 以及 EtherCAT 主站等特性。

控制器内置硬件多队列, MTL 二层传输层, DMA 引擎等。以实现上述各种场景的报文收发。
本文主要包括网卡使用指南, 开发板 Bringup, 关键特性描述等。

名词解释​

缩略语英文全名中文解释
PTPPrecision Time Protocol精确时钟协议
PHCPTP Hardware ClockPTP 时钟
TSNTime-Sensitive Networking时间敏感网络
CBSCredit-Based Shaper基于信用的整形器机制
ESTEnhancements to Scheduled Traffic增强型整形机制
FPEFrame Preemption帧抢占
tctraffic control流量控制

网卡特性介绍​

特性解释S100
配置网口数量配置双网口
接口mac--phy 接口支持 SGMII
PPS秒脉冲, pps out/in✅
TSOTCP 分段卸载✅
多队列网卡多队列功能✅
AVB/TSN时间敏感性网络✅
C22/C45MDIO PHY 数据协议✅
特性解释S600
配置网口数量配置3x gmac + 3x xgmac
其中前2个 gmac 和 pcie 复用 phy
接口mac--phy 接口支持 SGMII/USXGMII
PPS秒脉冲, pps out/in✅
TSOTCP 分段卸载✅
多队列网卡多队列功能✅
AVB/TSN时间敏感性网络✅
C22/C45MDIO PHY 数据协议✅

网络配置​

U-Boot​

  • 配置 IP
      setenv ipaddr x.x.x.x
      setenv gatewayip x.x.x.x
      setenv netmask x.x.x.x
  • 配置 VLAN
      setenv vlan xx
  • 配置 MAC 地址
      setenv ethaddr xx:xx:xx:xx:xx:xx          //设置eth mac地址
      env del -f ethaddr                        //删除mac地址
  • 切换当前使用的 eth
      setenv ethact eth0
      setenv ethact eth1
      # 如果U-Boot支持双网卡可以切换成功。单网卡切换无效。

Linux/Ubuntu​

注意
  • 建议使用 Network Management, 即 Ubuntu 桌面进行网卡配置。
  • 下述手动通过 ip, ethtool 等命令配置为次选方案。可自行结合 Ubuntu 版本以及网络资料判断是否生效。
  • 配置 IP
      ip addr add 192.168.1.10/24 dev eth0.10 //推荐
      或者
      ifconfig eth0.10 192.168.1.10 netmask 255.255.255.0
  • 配置 VLAN
      ip link add link eth0 name eth0.10 type vlan id 10                                //添加vlan id 10
      ip link set eth0.10 type vlan egress 0:5 1:5 2:5 3:5 4:5 5:5 6:5 7:5          //配置vlan priority 5

软件介绍​

代码位置​

  • U-Boot ETH 代码位置
    drivers/net/hobot_super_gmac.c
    drivers/net/hobot_super_xpcs.c
    drivers/net/hobot_super_xgmac.c
    drivers/net/hobot_s600_xpcs.c
  • Kernel ETH 代码位置
   hobot-drivers/ethernet/hobot/hobot_eth_super_main.c
   hobot-drivers/ethernet/hobot/hobot_eth_super_mdio.c
   hobot-drivers/ethernet/hobot/hobot_eth_super_ptp.c
   hobot-drivers/ethernet/hobot/hobot_eth_super_tc.c
   hobot-drivers/ethernet/hobot/core/...
   hobot-drivers/ethernet/hobot/dma/...

网络驱动开发​

U-Boot ETH 开发​

硬件连接​

  • 参考 S100设计原理图
  • 参考 S600设计原理图

设备树配置​

    // 配置hsis mode以及参考时钟选择, 如combo phy的复用情况, 参考时钟的来源等。
    hsis0: hsis0 {
        status = "okay";
        compatible = "hobot,super-hsis";
        hsi-mode = <4>; /* 4:pcie x2 + gmac0/1; 8:pcie0 x1 + pcie1 x1 + GMAC0/1; */
        refclk-mode = <0>; /* 0:internal ref clock; 1:external ref clock; */
        #address-cells = <2>;
        #size-cells = <2>;
        ranges;
        /*hsis reg, XPCS0, XPCS1, ETH phy, PCIE phy*/
        reg = <0x0 0x33000000 0x0 0x10000>,
            <0x0 0x33200000 0x0 0x80000>,
            <0x0 0x33280000 0x0 0x80000>,
            <0x0 0x330e0000 0x0 0x10000>,
            <0x0 0x330d0000 0x0 0x10000>;
    };
    // 配置hsis mode以及参考时钟选择, 如combo phy的复用情况, 参考时钟的来源, 以及phy眼图信号相关参数。
    hsis0: hsis0 {
        status = "okay";
        compatible = "hobot,super-hsis";
        hsi-mode = <4>;
        refclk-mode = <0>;/* 0:internal; 1:external; */
        xpcs-speed = <0 0 0 5000 10000 10000>; /*gmac0, gmac1, gmac2, xgmac0, xgmac1, xgmac2*/
        hobot-txeq = <0 0 0 1 2 4>; /* gmac0/1/2 xgmac0/1/2 tx equalization control*/
        hobot-vboost = <5 5 5 5 5 5>; /*gmac0/1/2 xgmac0/1/2*/
        #address-cells = <2>;
        #size-cells = <2>;
        ranges;
        /*hsis reg, XPCS0, XPCS1, ETH phy, PCIE phy, XPCS2, XPCS3,XPCS4, XPCS5*/
        reg = <0x0 0x33000000 0x0 0x10000>,
            <0x0 0x33200000 0x0 0x80000>,
            <0x0 0x33280000 0x0 0x80000>,
            <0x0 0x330e0000 0x0 0x10000>,
            <0x0 0x330d0000 0x0 0x10000>,
            <0x0 0x33300000 0x0 0x80000>,
            <0x0 0x33380000 0x0 0x80000>,
            <0x0 0x33400000 0x0 0x80000>,
            <0x0 0x33480000 0x0 0x80000>;
    };
  • xpcs-speed: 根据不同的 speed 设置 xpcs。
  • hobot-txeq: 设置不同档位的眼图参数，取值范围[0, 10]，默认是4档，sgmii 不需要调整。
  • hobot-vboost: 眼图幅值系数，0不使能。

mdio phy 配置​

  • phy 连接情况参考原理图和硬件说明
  • 软件主要需要关注其中的 reset 管脚以及 phy addr 地址
    // drobot-s100-soc.dtsi, 芯片默认的eth配置; 可以被具体board的dts覆盖
    eth0: eth0 {
            status = "disabled";
            compatible = "hobot,super-gmac";
            /*MAC, XPCS, ETH PHY, PCIE PHY, hsis reg*/
            reg = <0x0 0x330f0000 0x0 0x10000>,
                    <0x0 0x33200000 0x0 0x80000>;
            phy-handle = <&phy1>;
            phy-mode = "sgmii";
            managed = "in-band-status";
            pinctrl-names = "default";
            pinctrl-0 = <&peri_emac>;
            #address-cells = <1>;
            #size-cells = <0>;
    };

    // drobot-s100-rdk.dts, 根据实际板子情况, 配置属性。 主要phy节点, reset管脚, phy addr等。
    // 以及mdio pinmux, function配置等。
    &eth0 {
        status = "okay";
        hobot,managed = "sgmii-autoneg";
        phy-handle = <&phy0>;
        phy-reset-gpios = <&hsi_port0 10 0>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        phy0: phy@0 {
                compatible = "ethernet-phy-ieee802.3-c22";
                reg = <0xe>;
        };
    };
    // hobot-s600-soc.dtsi, 芯片默认的eth配置。可以被具体board的dts覆盖
    eth2: gmac2 {
        status = "disabled";
        compatible = "hobot,super-gmac";
        /*MAC, XPCS*/
        reg = <0x0 0x33110000 0x0 0x10000>,
                <0x0 0x33380000 0x0 0x80000>;
        phy-mode = "sgmii";
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        fixed-link {
                speed = <1000>;
                full-duplex;
        };
    };
    // drobot-s600-rdk.dts, 根据实际板子情况, 配置属性。 主要phy节点, reset管脚, phy addr等。
    // 以及mdio pinmux, function配置等。
    &eth2 {
        status = "okay";
        hobot,managed = "sgmii-autoneg";

        phy-handle = <&phy2>;
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&hsi_emac_mdc_hsi2_emac_mdc_hsi2 &hsi_emac_mdio_hsi2_emac_mdio_hsi2>;
        phy2: phy@2 {
                #address-cells = <1>;
                #size-cells = <0>;
                reset-gpios = <&gpio_exp_24 8 GPIO_ACTIVE_LOW>;
                reset-delay-us = <10000>;
                reset-post-delay-us = <150000>;
                compatible = "ethernet-phy-ieee802.3-c22";
                reg = <0x2>;
        };
    };

MAC2MAC​

  • 在 MAC TO MAC 直连情况下, 需要配置为 fixed-link
  • 例如
    // eth0默认节点配置可参考drobot-s100-soc.dts
    // 实际板级配置可在对应dts中描述, 例如可参考drobot-s100-rdk.dts。
    // MAC2MAC场景, 主要就是配置成fixed-link模式。即固定好速率, 双工模式等。
    &eth0 {
        status = "okay";
        fixed-link {
            speed = <1000>;
            full-duplex;
        };
    };
    // S600开发板也类似, 在板级dts中重写成fixed-link模式即可。
    &eth3 {
        status = "okay";
        fixed-link {
            speed = <10000>;
            full-duplex;
        };
    };

U-Boot 下命令介绍​

  • mii： phy 读写命令（C22协议） 执行网络命令（如 ping）后初始化网络接口，否则 mdio 命令会执行异常。
      mii info   <addr>                    //display MII phy info
      mii read   <addr> <reg>              //read  MII phy <addr> register <reg>
  • mdio： phy 读写命令（C45）
      mdio list                           //List MDIO buses
      mdio read <phydev> [<devad>.]<reg>  //read phy register at <devad>.<reg>
  • md： 查看统计计数
    通过 md 命令读写寄存器查看报文统计计数用于调试。
      md[.b, .w, .l, .q] address

Linux ETH 开发​

  • 驱动代码在 hobot-drivers/ethernet 目录, 可参考软件介绍的描述。
  • 控制器驱动部分大部分不需要进行修改, 主要任务还是结合开发板硬件, 配置相关设备树。

hsis 模式配置​

注意
  • 由于 S100以太网和 pcie 的 phy 部分都有复用关系。所以特别需要注意 hsis 模块的配置。
  • 包括 Lane 使用的配置, 以及参考时钟配置等。特别需要注意的是, 由于 U-Boot 中启动时也会配置一次,
  • 所以需要确保 U-Boot 的 hsis 配置和 Kernel 是一致的。否则可能会导致实际 Lane 配置不对的情况。
注意
  • 由于 S600以太网和 pcie 的 phy 部分都有复用关系。所以特别需要注意 hsis 模块的配置。
  • 包括 Lane 使用的配置, 以及参考时钟配置等。特别需要注意的是, 由于 U-Boot 中启动时也会配置一次,
  • 所以需要确保 U-Boot 的 hsis 配置和 Kernel 是一致的。否则可能会导致实际 Lane 配置不对的情况。
    &hsis0 {
            hsi-mode = <0x4>;  /* 0x1: pcie x4, 0x4: pcie x2 + gmac0 + gmac1, 0x8: pcie0 x1 + pcie1 x1 + gmac0 + gmac1 >
            refclk-mode = <0>; /* 0:internal; 1:external; */
    };
    &hsis0 {
            hsi-mode = <2>;  /* 0x1: pcie x4, 0x2: pcie x2x2, 0x4: pciex2 + ethx2 */
            refclk-mode = <0>; /* 0:internal; 1:external; */

            xpcs-speed = <0 0 0 1000 10000 10000>;  /*gmac0, gmac1, gmac2, xgmac0, xgmac1, xgmac2*/
            hobot-txeq = <0 0 0 1 2 4>; /* gmac0/1/2 xgmac0/1/2 tx equalization control*/
            hobot-vboost = <5 5 5 5 5 5>; /*gmac0/1/2 xgmac0/1/2*/
    };

网卡和 PHY 配置​

    // 芯片默认网卡节点可以参考drobot-s100-soc.dtsi
    // 板级相关的配置, 根据实际硬件连接情况来。例如传统sgmii phy模式的情况, 可参考rdk-v0p5.dtsi中的节点。
    &ethernet0 {
            status = "okay";
            phy-handle = <&phy0>;
            hobot,managed = "sgmii-autoneg";
            pinctrl-names = "default";
            pinctrl-0 = <&peri_emac>;
            mdio {
                    #address-cells = <0x1>;
                    #size-cells = <0x0>;
                    phy0: phy@0 {
                            compatible = "ethernet-phy-ieee802.3-c22";
                            reg = <0x2>;
                    };
            };
    };
    // 芯片默认网卡节点可以参考drobot-s600-soc.dtsi
    // 板级相关的配置, 根据实际硬件连接情况来。例如传统sgmii phy模式的情况, 可参考rdk-s600-mcb.dtsi中的节点。
    /* gmac2 */
    &ethernet2 {
            status = "okay";
            phy-handle = <&phy2>;
            hobot,managed = "sgmii-autoneg";
            pinctrl-names = "default";
            phy-mode = "sgmii";
            pinctrl-0 = <&hsi_emac_mdc_hsi2_emac_mdc_hsi2 &hsi_emac_mdio_hsi2_emac_mdio_hsi2>;
            mdio {
                    #address-cells = <0x1>;
                    #size-cells = <0x0>;
                    reset-gpios = <&gpio_exp_24 8 GPIO_ACTIVE_LOW>;
                    reset-delay-us = <10000>;
                    reset-post-delay-us = <150000>;
                    phy2: phy@2 {
                            compatible = "ethernet-phy-ieee802.3-c22";
                            reg = <0x2>;
                    };
            };
    };

MAC 和 PHY 常见配置​

  • 参考上述的设备树内容, 以及 dts 文件中的更完整信息
  • 描述下常见的 phy 配置参数
    • reset-delay-us：表示复位时间。
    • reset-post-delay-us：表示解复位后延时时间（phy 从解复位到完成初始化的时间）。
    • ethernet-phy-ieee802.3-c22: mdio compatible 兼容名, 说明 phy mdio 走的是 C22协议。
      常见的如 RTL 千兆 phy 都支持这个协议。
    • ethernet-phy-ieee802.3-c45: mdio compatible 兼容名, 说明 phy mdio 走的是 C45协议。
      参考手册万兆 PHY, 以及一些高端 PHY 会走 C45协议。
  • MAC 相关常见一些配置
    • sgmii-autoneg：配置 SGMII 自协商。
    • phy-mode: 与 phy 的连接方式。如 sgmii, usxgmii 等。
    • xpcs-speed: xpcs 工作速率, 例如配置成1000, 强制 xpcs 1G sgmii mode
    • hobot,xgmac_gmii: xgmac 工作在 gmii 模式
  • 更多高级特性配置, 可参考后续章节

MAC2MAC​

  • 和 U-Boot 下类似, MAC2MAC 场景, 最主要就是配置成 fixed-link 模式
    // eth0默认节点配置可参考drobot-s100-soc.dts
    // 实际板级配置可在对应dts中描述, 例如可参考drobot-s100-rdk.dts。
    // MAC2MAC场景, 主要就是配置成fixed-link模式。即固定好速率, 双工模式等。
    &ethernet0 {
        status = "okay";
        fixed-link {
            speed = <1000>;
            full-duplex;
        };
    };
  • fixed-link 常用节点含义描述
    • speed（整型，必须），表示链接速率，可以设置为10、100、1000。
    • full-duplex（布尔型，可选），表示双工方式，缺省是半双工方式。
    • pause（布尔型，可选），表示是否使能 pause，缺省禁止 pause。
    • asym-pause（布尔型，可选），表示是否使能 asym-pause，缺省禁止 asym-pause。
    • link-gpio（gpio-list，可选），表示是否可以读取 gpio 以确定链接是否已启动。

TSO​

  • 即 TCP Segmentation Offload, 现代网卡硬件支持 TCP 分段卸载功能, 以减轻 TCP 分段业务的 cpu 负载。
  • TSO 开启后， 内核的 GSO(Generic Segmentation Offload)会自动开启。
  • 可以通过 hobot, tso 标记进行网卡硬件 tso 功能的控制。
    hobot,tso = <1>;            // 打开网卡TSO功能

XGMAC 配置成1G 模式​

  • 该功能仅 S600万兆网卡需要。(S100默认就是1G 千兆模式)
  • 主要通过设备树 hsis, 以及独对应网卡节点进行配置, 例如
    hsis0: hsis0 {
        status = "okay";
        compatible = "hobot,super-hsis";
        xpcs-speed = <0 0 0 1000 10000 10000>; /*gmac0, gmac1, gmac2, xgmac0, xgmac1, xgmac2*/
    };
    ethernet3: xgmac0@0x33130000 {
        compatible = "hobot,hobot_xgmac";
        hobot,xgmac_gmii;
    };
  • xpcs-speed: 配置1000前置 xpcs 工作在1G sgmii 模式
  • hobot,xgmac_gmii: 强制 xgmac 工作在 gmii 模式下

中断聚合​

    ethernet3: xgmac0@0x33130000 {
        compatible = "hobot,hobot_xgmac";
        hobot,disable_coal;
    };
  • hobot,disable_coal; # 网卡默认是开启中断聚合功能的, 可以通过该标记关闭中断聚合功能

RSS​

  • 接收端缩放, 即多队列网卡硬件支持的接收端负载均衡技术
  • 通常是万兆网卡, 例如 S600需要该项技术
    ethernet3: xgmac0@0x33130000 {
        compatible = "hobot,hobot_xgmac";
        hobot,multi_irq;
        hobot,rss_en;
    };
  • RSS 网卡接收端缩放技术, 简单说就是网卡硬件通过计算数据包五元组(IP，端口, 协议)的 hash 值, 然后将网卡的中断, 通过相关策略, 分发到不同核心。以进行接收端 cpu 负载均衡的行为。
  • 所以该技术依赖网卡硬件的 hash 算法, RSS 特性支持, 以及网卡多中断机制。
  • hobot,multi_irq; # 网卡多中断支持, 注册多中断的不同 ISR 处理。
  • hobot,rss_en; # 网卡接收端缩放功能使能。

HSIS, XPCS​

    hsis0: hsis0 {
        status = "okay";
        compatible = "hobot,super-hsis";
        hsi-mode = <4>;
        refclk-mode = <0>;/* 0:internal; 1:external; */
        xpcs-speed = <0 0 0 5000 10000 10000>; /*gmac0, gmac1, gmac2, xgmac0, xgmac1, xgmac2*/
        hobot-txeq = <0 0 0 1 2 4>; /* gmac0/1/2 xgmac0/1/2 tx equalization control*/
        hobot-vboost = <5 5 5 5 5 5>; /*gmac0/1/2 xgmac0/1/2*/
    };
注意
  • 开机启动时的 hsis, xpcs 配置, 是采用的 U-Boot 中 hsis 的配置。
  • Linux 中的 hsis 配置, 仅用于休眠唤醒时, 对 hsis mode 和 xpcs 模式的恢复。
  • 所以, 当需要修改 hsis 配置时, 需要确保与 U-Boot hsis 节点同步修改。

队列​

  • 现代网卡都是多队列网卡。
  • 对于队列调度策略, 优先级配置等, 可以通过设备树进行配置。
    ethernet4: xgmac0@0x33140000 {
        compatible = "hobot,hobot_xgmac";
        hobot,mtl-rx-config {
            hobot,rx-queues-to-use = <8>;
            hobot,rx-sched-sp;
            queue0 {
                hobot,dcb-algorithm;
                hobot,priority = <0x1>;
            };
            queue1 {
                hobot,avb-algorithm;
                hobot,route-ptp;
            };
            ...
        };
        hobot,mtl-tx-config {
            hobot,tx-queues-to-use = <8>;
            hobot,tx-sched-wrr;
            queue0 {
                hobot,dcb-algorithm;
            };
            queue1 {
                hobot,avb-algorithm;
                hobot,priority = <0x2>;
            };
            ...
        };
    };
  • hobot,mtl-tx-config 配置：
属性描述
hobot,tx-sched-wrr多队列时 round robin 调度，当没有 tsn 或业务优先级需求时 可以选择 rr 调度
hobot,tx-sched-sp严格优先级调度
hobot,avb-algorithm发送队列 avb 机制可用于 tsn
hobot,dcb-algorithm队列0以及 rr 调度时，须配置成 dcb 模式
  • hobot,mtl-rx-config 配置：
属性描述
hobot,rx-sched-sp接收严格优先级调度，接收队列无 rr 调度。
hobot,avb-algorithm接收队列 avb 机制可用于接收 gptp 报文
hobot,dcb-algorithmdcb 机制用于根据 vlan 优先级选择接收队列。从而达到不同的 napi 线程承接不同优先级的任务
提示
  • 根据业务需求配置队列调度机制和队列的模式。
  • 当配成多队列时，队列均分硬件 buf，无多队列需求时，可以只保留一个队列独占全部硬件 buf

网卡常用命令介绍​

ethtool​

  • ethtool： 查看统计计数，设置 phy 等， 支持以下命令。
    # 查看统计计数
    ethtool -S eth0

    # 显示时间戳能力
    ethtool -T eth0

    # 进行Loopback测试
    ethtool -t eth0 offline

    # 控制TSO功能开关
    ethtool -K eth0 tso on/off

    # 控制checksum功能开关
    ethtool -K eth0 rx-checksum on/off

    # 切换网络速率
    ethtool -s eth0 speed 100 duplex full autoneg on

    # 开启帧抢占
    ethtool hobot_gmac --set-fp eth0 fp on

vconfig​

  • 配置 vlan
  • 可用 ip 命令替代
   vconfig add eth0 3

iperf3​

  • 带宽, 丢包等测试。
  • 测试命令
   server: iperf3 -s
   client tcp: iperf3 -c serverip -t 60
   client udp: iperf3 -c serverip -u -b 1G -l 8K -t 60

tcpdump​

  • 抓包工具
  • 测试命令
    tcpdump -i eth1 -e              # 过滤报文并输出到终端
    tcpdump -i eth1 -w eth1.pcap    # 过滤报文保存到文档，可以用wireshark分析

phytool​

  • 可以通过该工具读取和设置 c22/c45 phy 寄存器。
  • 例如
    # 帮助信息
    ADDR := C22 | C45
    C22 := <0-0x1f>
    C45 := <0-0x1f>:<0-0x1f>

    phytool read IFACE/ADDR/REG
    phytool write IFACE/ADDR/REG <0-0xffff>

    # 例子
    root@hobot:~# phytool read eth0/0x7:1/2
    0x002b

    root@hobot:~# phytool read eth1/0xE/2
    0x0141

网卡时间同步​

  • 包含 PTP, PPS, PHC 等技术。

PPS​

  • Pulse Per Second. 秒脉冲, 网卡硬件层面的一种时间同步机制。通常与 PTP(IEEE 1588)/gPTP 配套使用。 以实现汽车, 机器人系统之间的时间同步。
  • 分为 pps in 和 pps out, 即可以作为从设备接收外部高精度的秒脉冲, 也可以作为主设备输出秒脉冲信号。

pps in​

  • pps in 用于以太网 PHC 时间的 snapshot 的触发源。

pps out​

  • eth pps 只支持单个 pps out。
  • 可以通过以下命令进行配置和测试
    ethtool hobot_gmac --set-flex-pps eth0 index 0 fpps on interval 1000000000

PHC snapshot​

  • 即 Ethernet PTP Hardware Clock, 网卡时间同步硬件时间戳。
  • 获取 phc snapshot 时间，用于计算时间差。
  • 举例说明使用方法
    // 打开PHC设备
    phcfd = open(“/dev/ptp0”, O_RDWR);

    // 通过ioctl设置PHC的snapshot源
    struct ptp_extts_request extts_request;
    extts_request.index = phc_snapshot_source;
    extts_request.flags = PTP_ENABLE_FEATURE;
    ioctl(phcfd, PTP_EXTTS_REQUEST, &extts_request);

    // 通过read接口, 获取PHC时间
    struct ptp_extts_event event;
    read(phcfd, &event, sizeof(event));
    phctime->tv_sec = event.t.sec;
    phctime->tv_nsec = event.t.nsec;

    // 设置PHC时间，这个执行完毕，PHC时间会被加上offset
    clockadj_step(FD_TO_CLOCKID(phcfd), offset);

    // 关闭PHC设备
    close(phcfd);

时间同步 gptp​

应用层接口​

  • POSIX 网络与 PTP 硬件时钟 API 对照表
功能分类核心 POSIX API 代码
L2 报文收发socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
bind(fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr));
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_BINDTODEVICE, name, strlen(name)); /* 绑定到指定网卡 */
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &prg, sizeof(prg)); /* 挂载报文过滤器 */
ioctl(sock, SIOCGIFHWADDR, &ifr); /* 获取网卡 MAC 地址 */
报文硬件时间戳ioctl(fd, SIOCSHWTSTAMP, &ifreq); /* 开启硬件时间戳 */
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_TIMESTAMPING, &flags, sizeof(flags)); /* 启用时间戳传递 */
recvmsg(fd, &msg, MSG_ERRQUEUE); /* 获取发送报文硬件时间戳 */
recvmsg(fd, &msg, 0); /* 获取接收报文硬件时间戳 */
获取网卡 PHC 索引socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
ioctl(fd, SIOCETHTOOL, &ifr);
PHC 时间读写open("/dev/ptp0", O_RDWR);
FD_TO_CLOCKID(fd);
clock_gettime(clkid, &ts);
clock_settime(clkid, &ts);
PHC 频率调整clock_adjtime(clkid, &tx); /* 调整频率、时间偏移 */

时间同步步骤​

  • Master
    ptp4l -P -H -2 -i eth0 -p /dev/ptp0 -m
  • Slave
    ptp4l -P -H -2 -i eth0 -p /dev/ptp0 -m -s -l 7
  • 其他
    • 更详细配置参见第三方工具 linuxptp 源码中的 automotive-master.cfg，automotive-slave.cfg，比如减少 ptp 同步完成时间。

TSN​

TSN 介绍​

  • Time-Sensitive Networking, 时间敏感性网络。
  • TSN 由一系列技术标准构成，其主要分为时钟同步、数据调度（即整形器）以及系统配置三个部分相关通用标准。

TSN-VLAN​

  • TSN 在 IEEE 802.1Q 仅指 ISO/OSI 参考模型的第二层数据链路层的标准。
  • 802.1Q 标准的 VLAN，该标准在标准以太网帧中插入4个字节用于定义其特征，TSN 的标签位定义下图所示：
vlan-tag
  • 对 TSN 网络而言，不同优先级或服务等级（class of service，CoS）的服务对应上图中的 PCP 码。优先级代码（prioritycode point，PCP）由3位代码构成；3位 PCP 码定义了0（最低）～7（最高）这8个优先级，传输类型分别对应 基础、最大努力、卓越努力、严苛应用、延时和抖动小于100ms 的视频、延时和抖动小于10ms 的音频、内部网络控制、网络控制。

多队列​

  • VLAN 优先级以及多个协议需要多个队列来承接，多队列是实现 TSN 的基础。
  • 数据包与队列的映射关系由网卡驱动中的 ndo_select_queue 方法实现。

数据调度（整形器）​

基于信用的整形器机制（CBS）（IEEE 802.1-Qav）​
  • 每个队列设置一定的信用值，根据信用值对应带宽，CBS 将队列分为 Class A（Tight delay bound）和 Class B（Loose delay bound）。
增强型整形机制（ EST）（IEEE 802.1Qbv-2015）​
  • EST 由 IEEE 802.1Qbv 定义，也叫 TAS（Time Awareness Shaper）。是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。 Qbv 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，同时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。
tsn-est
  • IEEE 802.1Qbv 规范的框图，说明了门控制列表如何根据为每个事件提供的时间表来管理门关闭（C-close）和打开（O-open）事件。
  • GCL 有以下两部分：
    • 时间间隔：定义时间，以纳秒为单位，在从列表中读取下一个门控制项之前，门控制项是有效的。
    • 门控：定义每个 TC 的门的逻辑1表示的开（O-open）或逻辑0表示的关（C-close）状态。
帧抢占（ FPE）（IEEE 802.1Qbu-2016）​
  • 为了解决 EST 的保护带宽的浪费以及优先级反转问题，引入了抢占标准。因此，TSN 的802.1Qbu 和 IEEE 802.3工作组共同开发了 IEEE 802.3br，即可抢占式 MAC 机制，由可被抢占 MAC（pMAC-Preemptable MAC）和快速 MAC（eMAC-express MAC）组成。pMAC 可以被 eMAC 抢占。 通过抢占，保护带宽可以被减少至最短低优先级帧片段。
tsn-fpe
提示
  • 由于抢占改变了帧的格式，所以对接交换机时也需要对端支持 FPE。

配置验证​

tc​
  • 关于 TSN 各种特性, 通常采用 Linux 原生自带的 tc 命令(即 Traffic Control)进行配置和验证
  • 支持如下几种方式：
提示

SHAPING（限制）、 SCHEDULING（调度）、POLICING（策略）、DROPPING（丢弃）

CBS​
  • 命令格式:
    tc qdisc ... dev dev parent classid [ handle major: ] cbs idleslope <idleslope> sendslope <sendslope> hicredit <hicredit> locredit <locredit> [ offload 0|1 ]
  • 验证：
    ## 配置CBS qdisc，将队列1的带宽设置为 40Mbps，测试带宽
    root@hobot:~# tc qdisc add dev eth0 parent root handle 6666 mqprio num_tc 2 map 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 queues 1@0 1@1 hw 0

    root@hobot:~# tc qdisc replace dev eth0 parent 6666:2 cbs idleslope 40000 sendslope -960000 hicredit 60 locredit -1440 offload 1

    root@hobot:~# tperf eth0 10000 1
    sending 10000 packets: prio=0x1 (class B)
    10000 packets: 9.708405 MB in 2044712 us
    39.829567 Mbps
EST​
  • 命令格式：
    tc qdisc ... dev dev parent classid [ handle major: ] taprio num_tc tsc  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>
    ...
    flags  number
  • 验证:
    ## 队列3每100ms循环发送一次，一次发送10ms
    root@hobot:~# ptp4l -P -H -2 -i eth0 -p /dev/ptp0 -m &

    root@hobot:~# tc qdisc replace dev eth0 parent root handle 100 taprio num_tc 4 map 0 1 2 3 queues 1@0 1@1 1@2 1@3 base-time 1000 sched-entry S 8 10000000 sched-entry S 0 10000000 sched-entry S 0 10000000 sched-entry S 0  10000000 sched-entry S 0  10000000 sched-entry S 0  10000000 sched-entry S 0  10000000 sched-entry S 0  10000000 sched-entry S 0  10000000 sched-entry S 0  10000000 flags 2

    root@hobot:~# tc qdisc show dev eth0
    qdisc taprio 100: root refcnt 9 tc 4 map 0 1 2 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    queues offset 0 count 1 offset 1 count 1 offset 2 count 1 offset 3 count 1
    clockid invalid flags 0x2       base-time 1000 cycle-time 100000000 cycle-time-extension 0
        index 0 cmd S gatemask 0x8 interval 10000000
        index 1 cmd S gatemask 0 interval 10000000
        index 2 cmd S gatemask 0 interval 10000000
        index 3 cmd S gatemask 0 interval 10000000
        index 4 cmd S gatemask 0 interval 10000000
        index 5 cmd S gatemask 0 interval 10000000
        index 6 cmd S gatemask 0 interval 10000000
        index 7 cmd S gatemask 0 interval 10000000
        index 8 cmd S gatemask 0 interval 10000000
        index 9 cmd S gatemask 0 interval 10000000

    root@hobot:~# tperf eth0 10000 3
    sending 10000 packets: prio=0x3 (class A)
    10000 packets: 9.708405 MB in 896210 us
    90.871559 Mbps
  • wireshark 抓包如下图：
tc-est

测试​

功能测试​

  • ping 测试

    • 测试步骤：ping xx.xx.xx.xx

  • ssh

稳定性测试​

  • reboot 测试

    • 进行循环 reboot 测试，并检查网络是否可以 ping 通。

  • 上下电测试

    • 使用继电器进行循环上下电，检查 S100网络是否正常开启。
    • 使用继电器进行循环上下电，检查 S600网络是否正常开启。

  • iperf3 24小时测试

    • tcp 测试
        Server:iperf3 -s
        Client:iperf3 -c x.x.x.x -t 86400
    • udp 测试
        Server:iperf3 -s
        Client:iperf3 -c x.x.x.x -t 86400 -u -b 1G -l 8K

  • up/down 循环测试

    #!/bin/sh
    echo 14 4 1 7 > /proc/sys/kernel/printk
    i=0
    times=10000000000000
    ifconfig eth0 down
    dmesg -c
    while [ $i -le $times ];do
       echo "test times : $i"
       i=$(($i+1))
       echo "~~~~~new begin~~~~~"
       ifconfig eth0 up
       sleep 2
       note=$(dmesg -c | grep "Link is Up" | wc -l)
       echo $note
       if [ 1 -ne $note ]
       then
           echo "!!!error!!, while break!!!!"
           break
       fi
       ifconfig eth0 down
    done

性能测试分析​

拓扑​
  • 直接 S100直连即可
  • 直接 S600直连即可
napi 独立线程化​
  • linux 网络任务由 ksoftirqd/n 处理，默认任务优先级相对较低，独立后可提高 CPU 利用率以及 TSN 的相关的控制。 丢包率在空负载的情况下可以达到0丢包，在大负载情况下可以通过规划项目整体任务的优先级达到性能平衡。
    root@hobot:~# echo 1 > /sys/class/net/eth0/threaded
    root@hobot:~# ps -ef | grep napi
    1705 root 19 0 0 SW [napi/eth0-260]
    1706 root 19 0 0 SW [napi/eth0-259]
    1707 root 19 0 0 SW [napi/eth0-258]
    1708 root 19 0 0 SW [napi/eth0-257]
    1710 root 19 0 3584 S grep napi
    root@hobot:~# iperf3 -s
    -----------------------------------------------------------
    Server listening on 5201
    -----------------------------------------------------------
    Accepted connection from 192.168.1.249, port 58418
    [ 5] local 192.168.1.249 port 5201 connected to 192.168.1.249 port 55021
    [ ID] Interval Transfer Bitrate Jitter Lost/Total Datagrams
    [ 5] 0.00-1.00 sec 98.0 MBytes 822 Mbits/sec 0.022 ms 0/12544 (0%)
    [ 5] 1.00-2.00 sec 108 MBytes 907 Mbits/sec 0.015 ms 0/13841 (0%)
    [ 5] 2.00-3.00 sec 103 MBytes 865 Mbits/sec 0.019 ms 0/13200 (0%)
    [ 5] 3.00-4.00 sec 113 MBytes 947 Mbits/sec 0.019 ms 0/14452 (0%)
    [ 5] 4.00-5.00 sec 114 MBytes 956 Mbits/sec 0.023 ms 0/14586 (0%)
    [ 5] 5.00-6.00 sec 111 MBytes 931 Mbits/sec 0.028 ms 0/14211 (0%)
    [ 5] 6.00-7.00 sec 114 MBytes 953 Mbits/sec 0.020 ms 0/14539 (0%)
    [ 5] 7.00-8.00 sec 105 MBytes 879 Mbits/sec 0.018 ms 0/13410 (0%)
    [ 5] 8.00-9.00 sec 112 MBytes 939 Mbits/sec 0.016 ms 0/14331 (0%)
    [ 5] 9.00-10.00 sec 113 MBytes 946 Mbits/sec 0.024 ms 0/14429 (0%)
    [ 5] 10.00-10.00 sec 112 KBytes 947 Mbits/sec 0.033 ms 0/14 (0%)
    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    [ ID] Interval Transfer Bitrate Jitter Lost/Total Datagrams
    [ 5] 0.00-10.00 sec 1.06 GBytes 915 Mbits/sec 0.033 ms 0/139557 (0%) receiver

调试​

Log​

  • 系统日志
    • dmesg, pstore 日志分析
  • 内存检查
    • 检查内存是否有泄露导致网络包内存无法分配。

Ringbuf​

  • Tx ringbuf

    • 查看/sys/class/net/<interface>/descriptors/dump_tx_desc。
    • 举例：
        cat /sys/class/net/eth0/descriptors/dump_tx_desc
        cat /sys/class/net/eth1/descriptors/dump_tx_desc

  • Rx ringbuf

    • 查看/sys/class/net/<interface>/descriptors/dump_rx_desc。
        cat /sys/class/net/eth0/descriptors/dump_rx_desc
        cat /sys/class/net/eth1/descriptors/dump_rx_desc

统计计数​

  • ethtool -S <interface> 查看报文 mmc 统计信息，以及其他的统计信息。
  • netstat 查看协议栈相关的信息。如协议栈报文计数及 tcp/udp 状态信息等。

开发常见问题排查​

EQOS_DMA_MODE_SWR stuck​
  • 描述: emac 软复位失败。
    1. U-Boot 日志如下：EQOS_DMA_MODE_SWR stuck。
    2. linux 日志：device or resource busy。dmesg 日志如下：
        [ 21.720702] hobot_gmac 330f0000.ethernet eth0: init_dma_engine: Failed to reset dma
        [ 21.720717] hobot_gmac 330f0000.ethernet eth0: hw_setup, DMA engine initilization failed
        [ 21.720723] hobot_gmac 330f0000.ethernet eth0: eth_netdev_open, Hw setup failed
  • 故障排除。
    1. 检查 SGMII 参考时钟是否提供，若使用内部时钟检查 clock 是否使能。
  • 故障排除。
    • 使用 mdio/mii/phytool 命令能否正常读写 phy 寄存器。
    • 检查 phy 时钟、phy 复位、phy 供电等。
    • 检查变压器等。
发送异常​
  • 故障排除。
    • 检查 phy link 是否 UP。
    • 检查工作模式（速率，双工等）。
    • 确认 transmit 接口是否被调用。
    • 确认发送统计计数。
    • 对端查看是否错包等。
    • 使用环回定位故障点。
接收异常​
  • 故障排查
    • 测量 phy tx 时钟。
    • mac 环回，若正常收包。可判定 phy tx 时钟 与 MAC rx 接收配合问题。
    • 查看是否有错包，如果有 ECC 错包可推断是信号质量问题。
大量错包​
  • 故障排除。
    • 检查 clk 是否符合要求。
    • 条件允许的话，测下信号的眼图。
    • 降速测试。

FAQ​

TSN​

  • 问：S100支持哪些 TSN 标准？
  • 问：S600支持哪些 TSN 标准？
  • 答：基于信用的整形器机制（credit-based shaper，CBS）(IEEE 802.1-Qav)、 增强型整形机制（Enhancements to Scheduled Traffic，EST）（IEEE 802.1Qbv-2015）、 帧抢占（Frame Preemption，FPE）（IEEE 802.1Qbu-2016）。

phy​

  • 问：S100适配过哪些 phy？
  • 问：S600适配过哪些 phy？
  • 答：Realtek 8211、Marvell 88E1512、Marvell 88Q2121、Marvell 88Q2220、TI dp83867、Marvell CUX3520。

网络环境​

  • 问：S100无法 ping 通 Windows，Windows 可以 ping 通 S100？
  • 答：检查 Windows 的防火墙是否关闭，windows 自带防火墙如下图：
windows-firwall

U-Boot 调试与升级​

  • 问：U-Boot 网络自协商失败或协商成千兆后无法 PING 通？

  • 答：检查网络是否为6类线。phy 和对端可能在百兆或千兆之间切换，导致 mac 与 phy 之间的速率不匹配。

  • 问：U-Boot 无法读写 phy？

  • 答：检查 phy 是否解复位，软件使用的 mdio 地址与硬件配置是否一致。

  • 问：U-Boot 升级失败（ping 不通）？

  • 答：检查 IP 的配置，serverip，使用小局域网或直连 PC。 检查 MAC 的配置，检查使用的网口是否为期望的网口。 检查网线是否为6类线。

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