基于FAST的TSN交換（7）TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器需求分析與實(shí)現(xiàn)模型
發(fā)布時(shí)間：2019-1-27
TSN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)確定性的分組交換不但需要TSN交換機(jī)，TSN接口適配器以及管理控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)，而且必須能夠清晰的給出時(shí)間敏感流量的規(guī)范特性。由于TSN技術(shù)發(fā)展迅速，新標(biāo)準(zhǔn)和修訂不斷涌現(xiàn)，特別是面向特定行業(yè)的解決方案差異較大，因此不同廠商的TSN設(shè)備互聯(lián)互通十分困難。TSN解決方案提供商必須提供TSN網(wǎng)絡(luò)整套解決方案，在研制TSN交換機(jī)同時(shí)，必須提供配套的網(wǎng)絡(luò)接口適配器和控制軟件的方案。
一、TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器的特點(diǎn)
（1）與商用網(wǎng)卡的比較
由于TSN網(wǎng)絡(luò)具有明顯的行業(yè)特點(diǎn)，不同場(chǎng)景下的TSN交換具有不同的網(wǎng)絡(luò)接口和鏈路，資源預(yù)約方式，時(shí)間同步方式，故障冗余等要求，特別的TSN定義了與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不同的UNI接口，因此構(gòu)建TSN網(wǎng)絡(luò)不能使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口適配器，必須進(jìn)行針對(duì)性的定制。
TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡的比較如下表所示。
（2）TSN接口適配器實(shí)現(xiàn)模型
TSN接口適配器實(shí)現(xiàn)需要考慮外部接口定義以及內(nèi)部處理模型兩方面，如下圖所示。TSN接口適配器的接口包含與結(jié)點(diǎn)CPU連接的接口，與網(wǎng)絡(luò)連接的接口（UNI）以及與配置管理系統(tǒng)連接的接口。
通常TSN接口適配器與控制計(jì)算機(jī)CPU的接口為PCIe接口，可保證較大的傳輸帶寬和較小的延時(shí)，與傳感器/控制器節(jié)點(diǎn)連接的接口為以太網(wǎng)接口（適配器與控制器/傳感器物理分離）或內(nèi)部總線接口（適配器與傳感器/控制器深度集成在一個(gè)SOC系統(tǒng)內(nèi)）。
TSN適配器與網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，本文后續(xù)將會(huì)對(duì)UNI接口進(jìn)行詳細(xì)分析。而對(duì)TSN接口適配器的配置管理接口可采用多樣化的實(shí)現(xiàn)方式，既可以通過(guò)CPU接口，由驅(qū)動(dòng)程序?qū)m配器進(jìn)行管理控制，也可以通過(guò)UNI接口，由外部的集中控制器對(duì)適配器進(jìn)行控制。在特定環(huán)境中，TSN網(wǎng)絡(luò)還可以采用獨(dú)立的總線對(duì)接口適配器的管理甚至是時(shí)間同步進(jìn)行控制。
TSN適配器內(nèi)部邏輯除了比較直觀和標(biāo)準(zhǔn)的“分類標(biāo)記整形與調(diào)度”，“時(shí)間同步”，“配置管理”外，還包含“冗余控制”和“應(yīng)用加速”兩部分。
冗余控制是根據(jù)TSN網(wǎng)絡(luò)特定應(yīng)用場(chǎng)景的需求確定的，例如在艦船上特定應(yīng)用場(chǎng)景需要支持冗余接入備份的雙口功能。
應(yīng)用加速功能是擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)適配器功能，使之具有類似智能網(wǎng)卡的應(yīng)用加速功能，以便減小TSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)體積和功耗對(duì)特定應(yīng)用的加速。一個(gè)典型的場(chǎng)景是將高分辨攝像頭通過(guò)TSN適配器接入網(wǎng)絡(luò)，適配器不但能根據(jù)攝像頭的數(shù)據(jù)流規(guī)范向網(wǎng)絡(luò)預(yù)約資源，保證采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，還可以利用可編程資源，在數(shù)據(jù)傳輸前完成視頻采集數(shù)據(jù)的編解碼和內(nèi)容加解密等處理。這類功能雖然與TSN無(wú)關(guān)，但可以對(duì)全系統(tǒng)整體的處理效率、功耗和體積進(jìn)行優(yōu)化，特別適合汽車、飛機(jī)和衛(wèi)星上數(shù)據(jù)采集和計(jì)算分析的場(chǎng)景。
二、TSN網(wǎng)絡(luò)的用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）設(shè)計(jì)
UNI定義了TSN端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的接口規(guī)范，從物理層的接口速率，線纜長(zhǎng)度，時(shí)間同步，到鏈路層的資源預(yù)約和故障冗余等機(jī)制都需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。
（1）UNI接口速率
目前工業(yè)環(huán)境下TSN網(wǎng)絡(luò)鏈路主要采用100M以太網(wǎng)和1G以太網(wǎng)，對(duì)10/100/1000以太網(wǎng)速率的自動(dòng)協(xié)商并沒有明確的要求。一方面是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)是封閉和確定的，其中接入節(jié)點(diǎn)的帶寬可以預(yù)先規(guī)劃；另一方面是不確定的鏈路協(xié)商速率使得網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和帶寬難以預(yù)知，增加了確定性管理的復(fù)雜性。因此TSN接口適配器在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需求固定網(wǎng)絡(luò)接口的速率，使用簡(jiǎn)單的MAC層處理邏輯，而無(wú)需支持接口速率的自適應(yīng)。
（2）UNI接入電纜長(zhǎng)度
TSN網(wǎng)絡(luò)UNI設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)比較容易忽略的問(wèn)題時(shí)TSN網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)線的長(zhǎng)度。假設(shè)信號(hào)在光纖和電纜上傳輸?shù)乃俣葹槊棵?0萬(wàn)公里（由于存在分布電感和電容，電信號(hào)在電纜中傳輸速度一般按照20萬(wàn)公里估算），那么30m的傳輸延時(shí)約為100ns左右。因此為了提升時(shí)間同步精度，TSN網(wǎng)絡(luò)在規(guī)劃時(shí)必須考慮電纜長(zhǎng)度。如果接口適配器接入網(wǎng)絡(luò)的接入電纜長(zhǎng)度無(wú)法確定，那么可以考慮采用IETF Detnet工作組提出的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)確定性轉(zhuǎn)發(fā)的方案，放松對(duì)時(shí)間同步的要求。
（3）UNI的資源預(yù)約
TSN保證確定性交換的前提就是提前有一個(gè)類似“高鐵運(yùn)行時(shí)刻表”的規(guī)劃圖，生成這個(gè)規(guī)劃圖分為在線兩種和離線方式。在線規(guī)劃方式要求TSN網(wǎng)絡(luò)接口支持類似802.1Qat和802.1Qcc協(xié)議，動(dòng)態(tài)的為時(shí)間敏感業(yè)務(wù)預(yù)約網(wǎng)絡(luò)資源，其優(yōu)點(diǎn)是支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入和退出以及可變的時(shí)間敏感業(yè)務(wù)傳輸需求，但這大大增加了TSN網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜性。
離線規(guī)劃方式主要針對(duì)時(shí)間敏感業(yè)務(wù)傳輸需求是固定的封閉網(wǎng)絡(luò)，例如工廠車間的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，列車骨干網(wǎng)絡(luò)和汽車車載網(wǎng)絡(luò)等。這些網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接口不需采用動(dòng)態(tài)協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)預(yù)約資源，十分適合計(jì)算和存儲(chǔ)能力都十分有限的傳感器和控制器接入TSN網(wǎng)絡(luò)。
離線資源預(yù)約只適用于滿足局域網(wǎng)內(nèi)部交換的確定性，在更大區(qū)域范圍內(nèi)跨網(wǎng)關(guān)或路由器的確定性轉(zhuǎn)發(fā)控制必須采用其他的技術(shù)，如2015年IETF成立的Detnet（確定性網(wǎng)絡(luò)）工作組提出的L3網(wǎng)絡(luò)中的確定性保證機(jī)制，當(dāng)然目前Detnet相關(guān)規(guī)范還在草案階段，與TSN相比，更加不夠成熟。
（4）UNI時(shí)間同步
雖然近年來(lái)一些IETF Detnet工作組針對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)提出了不需要時(shí)間同步的確定性轉(zhuǎn)發(fā)方案，但這些會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)接口和交換對(duì)時(shí)間槽標(biāo)記和映射的復(fù)雜性，難以在局域網(wǎng)中部署。因此TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器必須支持1588時(shí)間同步機(jī)制。
當(dāng)前一些商用網(wǎng)卡如i350，82559，x550等支持1588PTP協(xié)議。但由于這些網(wǎng)卡的時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)必須驅(qū)動(dòng)參與，例如生成follow up同步幀，因此需要占用計(jì)算和存儲(chǔ)資源，難以支持較高頻率的時(shí)間同步，同步精度難以保證。條件許可情況下，TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器應(yīng)由硬件實(shí)現(xiàn)全部的時(shí)間同步功能。
（5）UNI故障冗余
除了具有確定性延時(shí)外，確保分組不丟包的可靠傳輸也是TSN的重要目標(biāo)。TSN 802.1CB規(guī)范定義了為了確保可靠傳輸?shù)膸瑥?fù)制和消除機(jī)制，基本思想是從TSN網(wǎng)絡(luò)接口就將數(shù)據(jù)流劃分成不同的子流，不同的子流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中不同的路徑進(jìn)行傳輸，在子流的匯聚點(diǎn)再進(jìn)行重復(fù)分組的丟棄，以避免路徑故障帶來(lái)的分組丟失。因此，TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器必須支持多個(gè)冗余的網(wǎng)絡(luò)接口接入網(wǎng)絡(luò)，并可根據(jù)需求支持802.1CB等協(xié)議的處理。
后續(xù)我們會(huì)對(duì)基于FAST架構(gòu)和Zynq FPGA的TSN接口適配器的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行分析，歡迎繼續(xù)關(guān)注。
