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一、引言      軟件定義時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在軟件定義網(wǎng)絡(luò)框架下融入了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)既具備軟件定義網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)靈活性、協(xié)議無(wú)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的高適應(yīng)性、轉(zhuǎn)發(fā)控制分離的高效性與可控性，同時(shí)又有低延時(shí)、低抖動(dòng)的時(shí)間敏感特性。該系統(tǒng)通過(guò)軟件流表與隊(duì)列映射的靈活定義，極大放寬了全網(wǎng)流規(guī)劃調(diào)度的難度，增強(qiáng)了TSN網(wǎng)絡(luò)的適用范圍和行業(yè)兼容能力。      時(shí)間敏感是業(yè)務(wù)的屬性，故在業(yè)務(wù)流交互過(guò)程中分組所經(jīng)歷的所有處理環(huán)節(jié)都要滿足時(shí)間敏感特性才能夠真正保證業(yè)務(wù)的時(shí)間要求。TSN一定是一個(gè)完整的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。      湖南新實(shí)是OpenTSN項(xiàng)目的忠實(shí)支持者、貢獻(xiàn)者與推動(dòng)者，OpenTSN 1.0開(kāi)源版本（github與gitee均有下載）受到廣大TSN研究者的熱捧。在該版本基礎(chǔ)上，湖南新實(shí)網(wǎng)絡(luò)與沈陽(yáng)自動(dòng)化所結(jié)合應(yīng)用行業(yè)特性要求做了大量的修改與改進(jìn)，共同研發(fā)了一套較為完整的軟件定義時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 二、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成      軟件定義時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括：端節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)和控制器。其中端節(jié)點(diǎn)可分為實(shí)時(shí)端節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。時(shí)間敏感流路徑上所有交換機(jī)都支持TSN規(guī)范要求。控制器使用SDN控制器Floodlight，部署在普通電腦上。端節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)都使用OpenBox-S4設(shè)備，該設(shè)備核心芯片是Zynq-7020，由雙核CPU+FGPA異構(gòu)組成，采用FAST架構(gòu)搭建網(wǎng)絡(luò)IO系統(tǒng)。通過(guò)軟件靈活配置可運(yùn)行為端節(jié)點(diǎn)或交換機(jī)。       該系統(tǒng)的TSN功能全部由FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)，包括時(shí)鐘同步和Qbv調(diào)度。其中PTP分組同步數(shù)據(jù)根據(jù)硬件流表控制轉(zhuǎn)發(fā)，確保同步分組雙向路徑對(duì)稱。所有分組數(shù)據(jù)均可在不同節(jié)點(diǎn)根據(jù)硬件流表映射不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列和輸出端口，既可有效降低規(guī)劃沖突，又能方便路徑規(guī)劃。所有分組數(shù)據(jù)均根據(jù)硬件相應(yīng)流表轉(zhuǎn)發(fā)，既可由軟件動(dòng)態(tài)配置，也可從本地存儲(chǔ)空間加載規(guī)劃配置好的所有流表。全FPGA實(shí)現(xiàn)功能與靜態(tài)流表加載非常適合在車(chē)載等相對(duì)固定的環(huán)境使用，搭建CPU后則適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用。不僅適應(yīng)BE流的動(dòng)態(tài)變化，TSN流也可以通過(guò)流表方式動(dòng)態(tài)規(guī)劃和配置。       1.端節(jié)點(diǎn)      實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)：實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)CPU運(yùn)行硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含PL側(cè)的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和實(shí)時(shí)應(yīng)用，如rtping和rtudp等。FPGA加載支持TSN功能的硬件邏輯，支持與網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間主節(jié)點(diǎn)同步，支持流表映射和規(guī)劃調(diào)度設(shè)置。      普通節(jié)點(diǎn)：普通節(jié)點(diǎn)運(yùn)行普通操作系統(tǒng)，包含PL側(cè)普通驅(qū)動(dòng)，使用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧功能，支持標(biāo)準(zhǔn)的SOCKET應(yīng)用，如ping和iperf等。FPGA邏輯加載FAST標(biāo)準(zhǔn)5級(jí)流水線功能邏輯。      2.交換機(jī)      交換機(jī)運(yùn)行普通操作系統(tǒng)，包含PL側(cè)普通驅(qū)動(dòng)，使用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧功能，支持標(biāo)準(zhǔn)的SOCKET應(yīng)用。安裝運(yùn)行OVS虛擬交換機(jī)，移植開(kāi)發(fā)OVS流表硬件卸載功能、南向OpenFlow協(xié)議擴(kuò)展支持功能，主要包括對(duì)TSN相關(guān)參數(shù)的配置，如硬件流表配置、門(mén)控列表等。      3.控制器       安裝運(yùn)行于普通電腦上，需要移植開(kāi)發(fā)對(duì)TSN相關(guān)屬性配置的北向APP、北向REST API、控制器支撐模塊、OpenFlow協(xié)議擴(kuò)展模塊等。如TSN同步使能、調(diào)度使能、TSN門(mén)控列表配置、協(xié)議無(wú)關(guān)流表配置等。      4.系統(tǒng)演示環(huán)境      演示系統(tǒng)包含1個(gè)時(shí)鐘主節(jié)點(diǎn)（交換）、8個(gè)時(shí)鐘從節(jié)點(diǎn)（交換）、2個(gè)時(shí)鐘從節(jié)點(diǎn)（實(shí)時(shí)端）、1個(gè)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和2個(gè)BE流普通節(jié)點(diǎn)。交換網(wǎng)絡(luò)連接為田字格，端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流可通過(guò)軟件定義流表的方式做不同的路徑切換。 三、組網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證 1.SDN控制器拓?fù)? 2.SDN流表（端口輸出與TSN隊(duì)列映射） 3.接口狀態(tài)與計(jì)數(shù) 4.實(shí)時(shí)門(mén)控與BUFF統(tǒng)計(jì) 5.實(shí)時(shí)同步狀態(tài) 6.拓?fù)渲亟M網(wǎng) 8.Qbv門(mén)控調(diào)度配置（靈活） 9.實(shí)時(shí)端系統(tǒng)實(shí)時(shí)ping 10.修改調(diào)度門(mén)控 11.新門(mén)控實(shí)時(shí)ping對(duì)比 12.路徑重規(guī)劃后實(shí)時(shí)ping對(duì)比（紅色A路徑，黃色B路徑） 13.實(shí)時(shí)UDP通信測(cè)試 14.協(xié)議無(wú)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)（OT節(jié)點(diǎn)不移植協(xié)議） 四、結(jié)語(yǔ)      軟件定義時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)綜合性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流經(jīng)的每個(gè)層級(jí)和環(huán)節(jié)（應(yīng)用、協(xié)議棧、驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)調(diào)度、網(wǎng)卡、交換機(jī)等）都要求具備實(shí)時(shí)性，缺一不可。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下或流特性要求不同的情況下，系統(tǒng)的解決方案不完全相同。比如端系統(tǒng)不一定要采用帶系統(tǒng)的環(huán)境，可以裸CPU運(yùn)行，也可以使用PLC或純FPGA邏輯等方式。具體要看業(yè)務(wù)的運(yùn)行環(huán)境和時(shí)間敏感需求，完全可以根據(jù)用戶要求實(shí)現(xiàn)各類定制需求。
      上述驗(yàn)證場(chǎng)景只是提供一了整套可能的使用方法，中間許多細(xì)節(jié)也并不完善，時(shí)間精度的控制及全網(wǎng)規(guī)劃調(diào)度也還需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。
      歡迎大家多多交流溝通，多提寶貴意見(jiàn)，共同促進(jìn)TSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及發(fā)展。