軟件定義時間敏感網絡：SD-TSN。融合了軟件定義網絡技術與時間敏感網絡技術的綜合系統網絡。該網絡既具備軟件定義網絡的組網靈活性、協議無關轉發的高適應性、轉發控制分離的高效性與可控性，同時又具有低延時、低抖動的時間敏感特性。通過軟件流表與隊列映射的靈活定義，極大放寬了全網流規劃調度的難度，增強了TSN網絡的適用范圍和行業兼容性。
TSN的時間敏感特征到底是誰的屬性？毋庸置疑，這是業務的屬性。TSN的技術標準起源于音視頻行業，其核心特性要求是高實時和同步傳輸。為什么是高實時與同步傳輸這兩個特性呢？因為這確實是屬于現代多媒體業務發展的必然需求，比如說實況賽事直播。隨著現代工業互聯網的發展和生產規模的擴大及協同要求，TSN所提供的網絡特性逐漸被工業界各行業所關注和吸引，特別是在IT與OT融合和5G技術的商用背景下，TSN技術的重要性越發變得明顯。
萬物皆有宿命，技術在特定領域下所擁有的優勢也必然成為它在適應其他領域的不足。我們深入研究技術的核心與本質，不迷信技術，善于結合技術的優勢來解決業務的痛點。
1.確定的網絡需要確定的環境
在當前時代與技術背景下，TSN確實變得很重要。但它并不是靈丹妙藥，也不是萬能解藥。TSN技術的重要性主要體現在其技術規范要求的網絡環境下，可以確保業務的分組數據以確定的延時和較小的抖動到達業務對端。TSN的核心特征是保證確定的延時（范圍），可以規劃出較小延時。抖動大小跟具體網絡業務流量、調度策略相關。為保障上述特征，在TSN網絡系統中網絡環境的各種參數，如時間、流特征以及調度控制都是其正確運行的先決條件，確定因素。
1.1 全局時間同步
時鐘同步比較好理解，就好比全中國都使用北京時間對自己的生產和生活進行安排參考。TSN網絡運行的前提條件就是時間同步，只有所有節點全都同步到了一個全局的時鐘刻度，才有可能為其進行業務流的規劃，各流之間才不會碰撞。例如高鐵網絡，各個站點之間如果不都是基于北京時間來進行列車調度，肯定無法完成整個高鐵網絡的正確運轉，甚至帶來嚴重后果。時間同步是基于時間信息做規劃調度的前期和基礎。
1.2 時間敏感流參數明確
TSN對流的要求一是確定且固定的周期性；二是分組長度盡量固定；三是有可接受的延時與抖動指標。TSN網絡只能保障時間敏感流的實時性和可靠性，其關鍵原因就是這些時間敏感流的業務特征是明確的，先知的。不具備周期性的流，調度程序無法為其做出無限期的門控規劃。分組長度隨機的流則只能按最壞情況（最大MTU）大小為其規劃，造成該分組轉發后的調度時隙資源的浪費，為其他更多流的規劃帶來限制和困難。延時和抖動本身就是時間敏感流自備的屬性，同時也是做規劃調度需要計算考慮的因素。
只有這些流屬性參數都明確，才能為其進行統一的規劃調度。否則，流的周期不確定，或是分組長度隨機，都將無法為其提供TSN流的服務，只能當作BE流來處理。
1.3 全網統一規劃調度
TSN流一定是先規劃調度再上線運行。在全局時鐘同步和時間敏感流的各項屬性參數都明確的條件下，可以準備做全網流量轉發的規劃調度，生成各節點各端口的門控列表。規劃調度的輸入參數非常多，求解過程也非常復雜。有無解或最優解生成取決于規劃程序對完整系統的方方面面因素的考慮與算法的合理性。隨著TSN流數量的增加、流周期的沖突增加和最小公倍數變大，規劃調度的計算結果會程指數性變化，可能甚至無法求解。
綜上所述，TSN網絡需要在全局同步在同一個時鐘刻度基礎上運行，所有時間敏感流需要具備明確的周期性、固定分組長度和可接受的延時與抖動值。
2.行業需求與TSN要求之間的磨合
TSN網絡的時間特征優勢與高帶寬優勢被許多使用傳統總線的行業所關注，這些行業正在考慮向TSN網絡轉移，如車載網絡、工業制造控制網絡等。在我們對TSN業務調研中發現，大多數的客戶應用場景中，只存在較少完全符合TSN特征要求的流，不管從數量上還是流量上來看，10%都不到，另外80%的流對實時都有要求，但并不完全符合TSN流的特征要求，特別是周期性。剩下的BE流數量不多，流量也不大。可能是想上TSN技術的行業考慮更多的主要還是有實時要求的業務，或是BE業務仍較龐大，依然保留現網的運營模式。
2.1 流特征
TSN整個網絡系統的正確運行是基于所有數據IO與轉發節點都同步在一個時鐘基準上，并基于全局的時鐘進行規劃的統一調度，為每一條流都指定一個進入網絡的時間槽位置。核心內容就是全網時鐘同步和統一規劃調度。那非周期性流是否可以當作TSN流使用呢？非固定長度分組是否也可以呢？答案是不確定的。首先，非周期性流的不確定性主要是看非周期性流產生的方式，如果是純隨機發生，也不存在產生的最小間隔，或者說可能的最小間隔非常小，那這樣的流確實很難放進TSN網絡進行規劃。其次，非固定長度可以在規劃時統一成最大長度進行規劃。但是會造成一些實時調度時隙的空閑。若存在調度能接受的最小時間間隔和隨機長度所帶來的不穩定抖動，則可以考慮按照其最小間隔方式規劃該流，其最大抖動會是該流的最小間隔長度加上系統抖動的最大值。若規劃結果符合TSN流的預期則可以部署實施，若無法規劃或最優解無法滿足流的延時與抖動要求，則無法完成此類型流的規劃部署要求。
2.2 協議特征
轉移到TSN網絡的行業場景里，存在大部分的總線節點，其傳輸協議并不是標準的以太網和IPv4等網絡標準協議，更多的是一些專有協議，并不完全滿足802.1Q規范。這些節點通常又需要實時性，是完成業務實時功能需求的必要組成。如何讓這些節點能快速接入到TSN網絡中是行業轉網的一大挑戰。可行的方案有很多，無非是從兩邊入手。要么讓這些節點全部按照標準協議來轉換，要么TSN網絡能支持協議無關的轉發。二者總要有一方妥協才能組合到一起正常工作。
2.3 延時與抖動保障
任何存在數據交互的行業應用對數據傳輸的要求都少不了低延時和低抖動。就TSN技術而言，Qch標準解決的是延時確定化，而Qbv是提供實現延時最小化的可能。在傳統的BE網絡，分組進入鏈路完全靠運氣，憑借著一股執念終成正果的精神在網絡空間橫沖直撞。而在TSN網絡中，所有的時間敏感流分組都要求按規劃的時間槽進入，避免大家出現碰撞。換個技術詞匯可以用時分網絡來形容一下。在時分網絡中，時間的規劃是至關重要的。
Qch以乒乓隊列形式進行調度，其流的規劃策略相對簡單，流在每個節點至少等待一個調度周期，故其到達目標節點的時間是在固定范圍之內的。這種調度方式固然實現確定延時，但無法有效降低延時，也不適應不同周期、延時和抖動差異化要求的混合業務調度。
Qbv可以實現多個不同隊列，每個隊列可映射不同的TSN流進行轉發。舉個更為形象的例子，TSN網絡就好比是多車道交通網絡，每個分組為一輛小車。每輛車都會行駛在一條指定的車道上，在通過交叉路口的時候根據紅綠信號燈通行。不同車道都有一個信號燈指示其可否通行。Qbv的調度跟上述模型基本一致，當我們規劃某輛車在某條車道上行駛，規劃好其進入車道的時間，行進到路口時，將其車道亮起綠燈，并且確保直至目的地的每個路口都在車輛到達時刻為綠燈，則該車輛將以最短時間通過該交通網絡。這種開車體驗只有與你在路口沒亮交通信號燈也沒有交通警察指揮（BE網絡）的情況下開車對比后才能夠得到。這么美好的開車體驗是不是人人想要？整個交通網絡都按照這種方式來控制信號燈是否可行？是不是可以一條道車開到終點？人工智能與自動駕駛技術的到來會加速這一可能，但并不是所有交通網絡都會這樣運行。回到TSN網絡上，如果TSN的流很少，很明顯可以比較容易做到這一點。但是隨著TSN流的數量增加，其周期性、延時與抖動要求互不讓步的情況下，這種規劃調度的難度會越來越來大，甚至變得不可能。
所以，在TSN網絡系統中最難的事情既不是時鐘同步、也不是Qbv調度，而是全系統TSN流的調度規劃。特別是在現有TSN的規范標準和現有行業需求背景下，其靈活度、適應性和普適性是很難滿足各行各業特有時間敏感需求的功能場景。
宿命并非終點，命運是通往終點的過程。任何技術都是為了解決行業需求產生的，在具體行業場景下，技術能力必須適用本行業特征，支持行業特性的定義與定制。
1.SDN是網絡架構，TSN是網絡屬性
在TSN技術規范定義的時候，SDN的概念剛剛興起。SDN的出現，打破了對傳統網絡的管理與調度方式，其數控分離理念與流表定義的方式使得網絡轉發更具規劃性與可控性。SDN是一種網絡架構及管理層面的突破，是為了讓網絡數據平面更專注、控制平面更靈活。而TSN的時間敏感特征應該是網絡分組的一個專有屬性，是對網絡流特征的一種規范和定義，參考其規范要求實現傳輸則可以滿足時間敏感特性，與網絡架構、拓撲組成以及分組轉發方式等無關。其核心調度規劃和門控輸出其實也符合SDN思想，可以通過軟件方式來靈活定義不同的門控數據以控制流的精確傳輸。
2.將SDN架構網絡賦予TSN屬性
從網絡架構與功能特性上分析，將TSN的流特性加入到SDN網絡中應該會是一個更好的網絡解決方案。同時具備時間敏感特性和網絡靈活定義，其應用范圍與適應能力會得到更好的擴大和強化。
結合目前行業需求與TSN規范中存在的問題，我們分析認為，網絡的轉發行為及方式需要由我們自己靈活定義，并且是可以為每個節點不同隊列定義不同的行為與方式。TSN通過VLAN的優先級字段映射到不同調度隊列，是屬于類流調度。SDN的流表匹配及隊列映射也可以實現將不同流映射到不同調度隊列，這二者其實差異不大，無非是SDN的流表可以用更多元組字段表示，最終都是將流映射到了某個指定隊列。但SDN的流表可以在不同交換機上設置不同的映射隊列，錯開某個產生碰撞的隊列和時間。在復雜的調度規劃中，部分交換機的流量可能會比較大，隊列的不同時間槽會排得比較滿，導致某些流按同一優先級隊列調度輸出可能產生碰撞。那么在延時和抖動允許的條件下，我們可以在適當節點為其換個隊列，繼續轉發，以保證系統可以調度規劃更多的流。SDN的靈活定義在此顯得格外重要，當然，我們也可以通過SDN流表定義該流走網絡中的另一條路徑來躲避這種可能。SDN技術可以為全系統的流量調度規劃帶來更大、更多的可能性。
3.軟件定義更多可能
軟件定義時間敏感網絡沒有從根本上解除時間敏感網絡流的本質要求，只是將其時間調度模型的條件限制變得更加寬松，適應范圍變得更加廣泛，以滿足更多不同行業對時間敏感流的規劃調度需求。同時再加上SDN的軟件定義能力和網絡綜合管理配置功能，能極大的簡化用戶使用和管理網絡的復雜度。如靈活自組網、協議無關轉發、在線規劃調度、增量規劃調度、實時流路徑遷移和交換節點熱切換等等。
TSN的時間敏感特性是屬于業務的，業務數據的生產與消費通過TSN網絡來聯通。這從系統架構層對整個TSN網絡提出的全實時的要求，主要包括業務數據的生產消費、數據在系統中的傳遞、接入TSN網絡的網卡、中間的網絡交換機等所有業務數據流經的每個環節。首先，端節點與交換機需要都支持全局時鐘同步，端節點不僅是網卡還包括主機系統。即使主機系統不進行時鐘同步，也需要實時感知網絡的時鐘刻度。其次，所有的業務流產生、傳輸都需要嚴格按照全網的規劃調度進行。TSN流的規劃是從網卡接入開始的，業務數據的產生和傳輸到網卡的時間則交給應用自己控制。應用精準控制的前提就需要實時感知網絡時鐘刻度和系統提供實時服務。
1）實時應用
TSN網絡的業務都是實時應用，實時應用需要運行在實時系統之上，而且應用可以對網絡全局時鐘實時感知。實時業務流都需要通過全網規劃調度后確定其準入網絡的具體時間槽位置，流的調度起點從網卡開始。故業務需要將數據內容在其網卡調度時間槽位置時刻前送達網卡，以確保準時進入網絡。業務流到網卡的時間主要由系統調度模型決定，非實時調度系統無法保障用戶數據到達網卡時間的確定性。
2）實時系統
實時系統為實時應用提供實時數據IO服務，該服務不僅要求系統調度模型是實時，同時還需要包含實時網絡協議棧、實時網絡驅動等。實時調度系統可以提供較小抖動和較低延時的分組IO能力，不是完全時間確定的。實時系統還可以分為軟實時系統和硬實時系統。通過與普通系統的實驗測試發現，延時排名是：硬實時系統<普通系統<軟實時系統。抖動排名是：硬實時系統<軟實時系統<普通系統。根據用戶對業務流延時和抖動的允許差值可以選擇軟實時系統或硬實時系統。允許誤差范圍較大的甚至也可以使用普通系統。若對延時與抖動要求極低，則可以考慮使用裸CPU運行實時應用或采用轉用硬件實現業務功能。
3）TSN網卡
TSN網卡必須和其TSN網絡中的時間主節點進行時鐘同步，并提供實時的網絡時刻給上層應用。網卡是實時流調度的起點，TSN流必須在其規劃調度的確定時間槽位置發送進入網絡。提前到達則會引發其他流的抖動，占用交換機緩沖區時間較長，影響交換機吞吐率。滯后到達影響更大。TSN的技術規范中有輸入檢查，判斷數據輸入的有效性與合法性，以確保整網的調度正常。
4）TSN交換機
TSN交換機是整個TSN網絡的核心，各交換節點中必須有一臺是時鐘主節點，其他節點向主節點進行時鐘同步。交換機的輸入檢查、隊列映射、門控列表和調度方式也是其核心內容。Qbv是一種高靈活性的調度方式，適應不同周期性流的靈活映射與實時控制。
5）網絡控制器
采用軟件定義時間敏感網絡的系統，其網絡管理配置功能由SDN的控制器完成。為支持控制器對TSN交換機的門控等一系列參數的配置，需要擴展北向REST API接口、控制器支撐模塊、南向協議支持規范等，滿足對TSN特性的功能的配置。
本文是作者結合多年SDN研究、TSN研究和客戶需求分析交流的一些總結。受知識、經驗和行業了解的限制，一些觀點不一定都正確。行業調查數據及測試數據都只在特定行業和場景下獲得。敬請理性看待。
任何技術都有優缺點，在不同應用場景下其表現形式也不同。采用軟硬件全可編程平臺和軟件定義方案只是能更多的適應場景變化，在不同場景應用下，其軟硬件功能和定義方法也不盡相同，都只是為了更好的適應場景要求。
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