基于FAST的TSN交換（7）TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器需求分析與實現(xiàn)模型
發(fā)布時間：2019-1-27
TSN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)確定性的分組交換不但需要TSN交換機，TSN接口適配器以及管理控制系統(tǒng)配合實現(xiàn)，而且必須能夠清晰的給出時間敏感流量的規(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交換機同時，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
（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，不同場景下的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，必須進行針對性的定制。
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接口適配器實現(xiàn)模型
TSN接口適配器實現(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算機CPU的接口為PCIe接口，可保證較大的傳輸帶寬和較小的延時，與傳感器/控制器節(jié)點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)將會對UNI接口進行詳細分析。而對TSN接口適配器的配置管理接口可采用多樣化的實現(xiàn)方式，既可以通過CPU接口，由驅(qū)動程序?qū)m配器進行管理控制，也可以通過UNI接口，由外部的集中控制器對適配器進行控制。在特定環(huán)境中，TSN網(wǎng)絡(luò)還可以采用獨立的總線對接口適配器的管理甚至是時間同步進行控制。
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)用場景的需求確定的，例如在艦船上特定應(yīng)用場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)點體積和功耗對特定應(yīng)用的加速。一個典型的場景是將高分辨攝像頭通過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無關(guān)，但可以對全系統(tǒng)整體的處理效率、功耗和體積進行優(yōu)化，特別適合汽車、飛機和衛(wèi)星上數(shù)據(jù)采集和計算分析的場景。
二、TSN網(wǎng)絡(luò)的用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）設(shè)計
UNI定義了TSN端節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)的接口規(guī)范，從物理層的接口速率，線纜長度，時間同步，到鏈路層的資源預(yù)約和故障冗余等機制都需要進行針對性設(shè)計。
（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10/100/1000以太網(wǎng)速率的自動協(xié)商并沒有明確的要求。一方面是因為網(wǎng)絡(luò)是封閉和確定的，其中接入節(jié)點的帶寬可以預(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)計時可以根據(jù)需求固定網(wǎng)絡(luò)接口的速率，使用簡單的MAC層處理邏輯，而無需支持接口速率的自適應(yīng)。
（2）UNI接入電纜長度
TSN網(wǎng)絡(luò)UNI設(shè)計時一個比較容易忽略的問題時TSN網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)線的長度。假設(shè)信號在光纖和電纜上傳輸?shù)乃俣葹槊棵?0萬公里（由于存在分布電感和電容，電信號在電纜中傳輸速度一般按照20萬公里估算），那么30m的傳輸延時約為100ns左右。因此為了提升時間同步精度，TSN網(wǎng)絡(luò)在規(guī)劃時必須考慮電纜長度。如果接口適配器接入網(wǎng)絡(luò)的接入電纜長度無法確定，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，放松對時間同步的要求。
（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類似“高鐵運行時刻表”的規(guī)劃圖，生成這個規(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，動態(tài)的為時間敏感業(yè)務(wù)預(yù)約網(wǎng)絡(luò)資源，其優(yōu)點是支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動態(tài)加入和退出以及可變的時間敏感業(yè)務(wù)傳輸需求，但這大大增加了TSN網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動的復(fù)雜性。
離線規(guī)劃方式主要針對時間敏感業(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)接口不需采用動態(tài)協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)預(yù)約資源，十分適合計算和存儲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時間同步
雖然近年來一些IETF Detnet工作組針對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)提出了不需要時間同步的確定性轉(zhuǎn)發(fā)方案，但這些會大大增加網(wǎng)絡(luò)接口和交換對時間槽標(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時間同步機制。
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)卡的時間同步實現(xiàn)必須驅(qū)動參與，例如生成follow up同步幀，因此需要占用計算和存儲資源，難以支持較高頻率的時間同步，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)由硬件實現(xiàn)全部的時間同步功能。
（5）UNI故障冗余
除了具有確定性延時外，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，不同的子流通過網(wǎng)絡(luò)中不同的路徑進行傳輸，在子流的匯聚點再進行重復(fù)分組的丟棄，以避免路徑故障帶來的分組丟失。因此，TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器必須支持多個冗余的網(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)我們會對基于FAST架構(gòu)和Zynq FPGA的TSN接口適配器的設(shè)計思路和實現(xiàn)技術(shù)進行分析，歡迎繼續(xù)關(guān)注。
