OpenTSN：支持TSN技術(shù)研究和系統(tǒng)開發(fā)的開源項目
發(fā)布時間：2019-07-29
近年來，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和高端裝備制造領(lǐng)域，以太網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制總線已成為一個重要發(fā)展趨勢。特別是隨著802.1 TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）標準逐漸完善，如何有效利用TSN網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用提供確定性和高可靠的數(shù)據(jù)交換也逐漸成為學(xué)術(shù)界研究的新熱點。
一、OpenTSN研制的背景和目標
當前TSN關(guān)鍵技術(shù)研究受限于實驗環(huán)境搭建。主要原因是辦公環(huán)境和實驗室現(xiàn)有的以太網(wǎng)不支持TSN規(guī)范，而市場上采購的TSN交換設(shè)備也難以像SDN交換機一樣為研究提供開放的編程接口。因此TSN關(guān)鍵技術(shù)研究只能通過軟件仿真方法進行，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都迫切需要一個真實的、開放的、開源的TSN實驗環(huán)境，為TSN的確定性交換、可靠性保證、離線規(guī)劃調(diào)度和應(yīng)用編程方法等機制的研究提供支撐。
OpenTSN是國防科技大學(xué)計算機學(xué)院FAST團隊基于FAST架構(gòu)設(shè)計的TSN集成驗證環(huán)境，主要設(shè)計目標包括：
（1）基于FPGA實現(xiàn)支持802.1AS 、802.1Qbv，802.1Qch，802.1Qci等TSN核心功能的交換機原型；
（2）基于FPGA實現(xiàn)支持802.1AS 、802.1Qbv，802.1Qci等功能的TSN接口適配器，同時為時間敏感應(yīng)用提供編程接口；
（3）基于上述FPGA交換機和適配器原型，搭建TSN實驗網(wǎng)絡(luò)；
（4）實現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)CNC控制器原型，支持對TSN網(wǎng)絡(luò)的離線規(guī)劃和配置；
（5）實現(xiàn)支持802.1AS 、802.1Qci和802.1Qbv的TSN測試儀原型，支持TSN數(shù)據(jù)流、BestEffort背景流的發(fā)送、接收和性能統(tǒng)計；
（6）實現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)遠程遙測功能，可微觀觀測TSN網(wǎng)絡(luò)時間同步狀態(tài)，交換機內(nèi)部隊列狀態(tài)等，為TSN核心實現(xiàn)機制評估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)；
（7）實現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)功能；
上述工作中，F(xiàn)PGA平臺基于成熟的Openbox-S4平臺。平臺無關(guān)的軟硬件代碼全部開源，同時希望國內(nèi)相關(guān)單位一起參與開發(fā)。
二、OpenTSN環(huán)境組成
OpenTSN環(huán)境的組成如圖1所示。主要由9個Openbox-S4平臺，4臺Linux主機和1個網(wǎng)絡(luò)攝像頭組成。
其中6個Openbox-S4配置成4端口TSN交換機，并組成一個環(huán)形TSN網(wǎng)絡(luò)。另外3個Openbox-S4分別實現(xiàn)TSN測試儀、流量分析器和TSN網(wǎng)關(guān)功能。4個Linux終端分別運行TSN網(wǎng)絡(luò)的CNC軟件，Insight軟件（TSN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部狀態(tài)觀測分析），TSN測試儀控制軟件和攝像頭視頻顯示軟件。
TSN測試儀參與TSN網(wǎng)絡(luò)的時間同步，同時模擬三個TSN接口適配器，由測試儀控制器上的軟件模擬產(chǎn)生TSN流量的應(yīng)用。TSN測試儀同時接收TSN流量，對TSN流量交換的延時進行分析。
每個交換機的3號口為TAP口，會將進出的流量打上時間戳送流量分析器。流量分析器對流量進行過濾處理后，送給TSN-Insight進行統(tǒng)計分析。每個TSN交換機內(nèi)嵌Beacon機制，固定時間（如每1ms）將交換機內(nèi)部的各種狀態(tài)（同步，隊列，計數(shù)器等）發(fā)送給Insihgt軟件進行分析和顯示。
圖1 OpenTSN的組成
基于課題組在FAST基礎(chǔ)架構(gòu)（FAST流水線，F(xiàn)AST軟件驅(qū)動、FAST編程庫），Openbox-S4平臺（基于Zynq FPGA平臺的FPGA OS），F(xiàn)AST-ANT測試儀（用戶可編程的網(wǎng)絡(luò)測試儀），1588/PTP時間同步，CQF轉(zhuǎn)發(fā)模型和TSN-Insight等方面的前期積累，目前OpenTSN環(huán)境的主要功能已經(jīng)可以運行，實驗環(huán)境如圖2所示。
圖2 OpenTSN原型
關(guān)于FAST開源項目體系結(jié)構(gòu)，Openbox-S4平臺，OpenTSN交換機實現(xiàn)原理和FAST-ANT測試儀等信息，可以關(guān)注“FAST開源社區(qū)”公眾號通過歷史文章中獲取。
OpenTSN代碼已經(jīng)由碼云（gitee）進行托管。OpenTSN代碼的組織與共享方式、初步的運行測試結(jié)果等信息將在后續(xù)文章中介紹。
