基于FAST的TSN交換（8）TSN網絡的集中式資源管理
發布時間：2019-1-29
資源預約和分配是網絡保證服務質量的前提。TSN網絡中有兩種類型的服務質量保證，一是帶寬預約流量（如音頻視頻流），一種是周期性的時間敏感流量。為保證這些流量的服務質量，一方面需要在包含網絡接口適配器和交換機的端到端路徑上進行資源預留，另一方面需要TSN網絡接口適配器對預約資源流量進行整形和過濾，避免超出預約的流量通過UNI接口進入網絡，對其他正常流量產生影響。因此，TSN網絡需要根據離線的資源預約和規劃結果，對交換機和網絡接口適配器上的資源進行相應配置。
一、TSN網絡的配置管理概述
（1）面向預約帶寬流量的資源管理
目前TSN網絡支持兩種類型流量的服務質量保證，分別為預約帶寬的流量和周期調度的時間敏感流量。
預約帶寬流量主要針對音視頻應用數據的傳輸，需要在保證帶寬的同時，是的傳輸延時不超過最大限制，例如音頻流量延時不超過10ms，視頻流量延時不超過100ms。TSN交換機在數據平面為預約帶寬流量提供基于信用的整形器（Credit based shaper）機制，控制平面采用流資源預約協議SRP （802.1Qat）動態的預約網絡資源。
TSN工作組為TSN網絡的配置管理定義了SRP協議。802.1Qat定義的SRP協議類似互聯網中的RSVP，發送方首先定義流量的規范Tspec，包括最大分組尺寸和帶寬等信息，然后從發送方開始向接收方發送預約資源的消息（包含流ID，流規范Tspec，分組MAC地址，VLAN ID和優先級等信息），在沿途的交換設備上預約信息。
由于傳統基于總線的列車通信系統難以滿足要求。2014年，國際電工委員會頒布了IEC61375 2-5（以太列車骨干網，ETB）和IEC61375 3-4（以太列車組成網，ECN），將以太網應用于高速列車。將列車網絡骨干帶寬從1.5M左右提升到100M，以求滿足列車網絡高帶寬交換需求。
（2）面向時間敏感流量的資源管理
時間敏感流量主要針對周期性產生的關鍵控制信息，數據平面通過循環隊列轉發CQF（802.1Qch）整形機制以及基于時間的門控邏輯（802.1Qbv）保證端到端信息傳遞的確定性延時。在控制平面采用基于集中控制器的流配置（802.1Qcc）方式對端到端交換路徑進行資源預約。
802.1Qcc是對SRP協議的擴展，除了可以支持更多數目的流資源預約外，還支持集中的網絡通過集中的網絡控制器CNC（Central Network Controller）通過集中計算（交換路徑、資源需求和調度參數）和配置交換設備，以便支持周期性調度的時間敏感流量。
（3）針對特定場景的資源管理優化
對于特定的規模有限的封閉平臺網絡，如列車骨干網絡，車載網絡等，網絡節點相對固定，關鍵業務數據流特點（如關鍵攝像頭的視頻流信息，關鍵傳感器的周期性控制信息）相對固定，不會隨著時間的變化而發生較大變化，對于這類網絡可以采用離線規劃的方式靜態的分配網絡資源，可以大大簡化資源管理的復雜性。
二、TSN網絡資源管理軟件框架
（1）基于SDN的資源管理方式
SDN技術的發展和成熟為網絡細粒度管控提供了新的手段。轉發控制分離，集中管理和數據平面可編程是SDN的重要特點。TSN可以利用SDN思想實現有效的資源管理，主要有兩個優點。
一是802.1Qcc提出的集中計算和配置的CNC控制器模型與SDN集中管理模型十分契合，因此可以利用SDN網絡提供的基礎設施進行資源管理，如使用SDN控制器提供的設備管理功能，利用標準的openflow通道實現CNC與被管設備的通信等。
二是在SDN管理框架下，資源管理軟件可方便的獲取TSN網絡的其他信息，例如當CNC以SDN北向接口應用形式實現時，可利用SDN控制器提供的REST API獲取TSN網絡的拓撲信息等。
（2）TSN資源管理軟件
我們提出的TSN網絡資源管理軟件的架構如下圖所示。自上至下包含配置需求管理，全局資源分配和設備資源配置三個層次。TSN資源管理軟件作為SDN控制器上的北向接口應用，與交換管理，安全管理和日志管理等應用并列，同時利用SDN控制器的設備管理和南向接口協議與網絡中的設備（含網絡接口適配器和交換機）進行通信。
圖1 基于SDN的TSN網絡資源管理軟件架構
配置需求管理主要保存設備資源狀態，應用預約狀態和網絡拓撲狀態信息。其中設備資源狀態信息可通過設備資源描述信息獲取，應用預約狀態信息可通過離線配置或者動態協議獲取（TSN實驗環境開發暫不考慮類似SRP的動態預約協議），而TSN網絡拓撲信息可以離線配置，也可以通過REST API從SDN控制器獲取。
全局資源分配是資源管理軟件的核心，主要功能是將一條用戶預約的流映射到端到端交換路徑上，并根據流的服務質量要求，為其分配交換路徑上每個設備上的資源。映射算法需要考慮的因素及約束條件很多，理論上可證明為NP完全問題。詳見下表。
需要注意的是，在集中的TSN網絡資源管理模型下，為每條帶寬預約的流分配一個全局流ID對簡化實現復雜度十分重要。在數據平面，網絡接口適配器實現分組到全局流ID的映射和標記（例如將全局流ID攜帶在VLAN tag中），交換設備可將全局流ID作為轉發的依據。在控制平面，直接使用流ID可以簡化流分類查表得復雜性，提升處理性能。
三、TSN設備的資源管理抽象
基于SDN的集中資源管理需要對TSN設備轉發平面的資源管理機制進行抽象。一方面可以向控制軟件屏蔽硬件實現的差異，另一方面可以直接使用SDN控制器的openflow等南向接口協議對設備進行配置。
由于TSN網絡接口適配器實現的服務質量保證機制與TSN交換機基本相同，因此網絡接口適配器與交換機使用相同的資源管理抽象，如下表所示。注意在表中沒有列出與服務質量保證相關的統計信息，在實現過程中可根據需要添加。
由于FAST交換模型可方便的在現有流水線中插入新的模塊以支持TSN交換，因此集中的TSN資源管理軟件對網絡接口適配器和交換機的資源配置管理實現十分簡單，我們將在后續的文章中介紹。
