基于FAST的TSN交換（7）TSN網絡接口適配器需求分析與實現模型
發布時間：2019-1-27
TSN網絡實現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配合實現，而且必須能夠清晰的給出時間敏感流量的規范特性。由于TSN技術發展迅速，新標準和修訂不斷涌現，特別是面向特定行業的解決方案差異較大，因此不同廠商的TSN設備互聯互通十分困難。TSN解決方案提供商必須提供TSN網絡整套解決方案，在研制TSN交換機同時，必須提供配套的網絡接口適配器和控制軟件的方案。
一、TSN網絡接口適配器的特點
（1）與商用網卡的比較
由于TSN網絡具有明顯的行業特點，不同場景下的TSN交換具有不同的網絡接口和鏈路，資源預約方式，時間同步方式，故障冗余等要求，特別的TSN定義了與標準以太網不同的UNI接口，因此構建TSN網絡不能使用標準的網絡接口適配器，必須進行針對性的定制。
TSN網絡接口適配器與標準網卡的比較如下表所示。
（2）TSN接口適配器實現模型
TSN接口適配器實現需要考慮外部接口定義以及內部處理模型兩方面，如下圖所示。TSN接口適配器的接口包含與結點CPU連接的接口，與網絡連接的接口（UNI）以及與配置管理系統連接的接口。
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/控制器節點連接的接口為以太網接口（適配器與控制器/傳感器物理分離）或內部總線接口（適配器與傳感器/控制器深度集成在一個SOC系統內）。
TSN適配器與網絡為標準的以太網接口，本文后續將會對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方式，既可以通過CPU接口，由驅動程序對適配器進行管理控制，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。在特定環境中，TSN網絡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適配器內部邏輯除了比較直觀和標準的“分類標記整形與調度”，“時間同步”，“配置管理”外，還包含“冗余控制”和“應用加速”兩部分。
冗余控制是根據TSN網絡特定應用場景的需求確定的，例如在艦船上特定應用場景需要支持冗余接入備份的雙口功能。
應用加速功能是擴充網絡適配器功能，使之具有類似智能網卡的應用加速功能，以便減小TSN網絡結點體積和功耗對特定應用的加速。一個典型的場景是將高分辨攝像頭通過TSN適配器接入網絡，適配器不但能根據攝像頭的數據流規范向網絡預約資源，保證采集數據傳輸的質量，還可以利用可編程資源，在數據傳輸前完成視頻采集數據的編解碼和內容加解密等處理。這類功能雖然與TSN無關，但可以對全系統整體的處理效率、功耗和體積進行優化，特別適合汽車、飛機和衛星上數據采集和計算分析的場景。
二、TSN網絡的用戶網絡接口（UNI）設計
UNI定義了TSN端節點與網絡的接口規范，從物理層的接口速率，線纜長度，時間同步，到鏈路層的資源預約和故障冗余等機制都需要進行針對性設計。
（1）UNI接口速率
目前工業環境下TSN網絡鏈路主要采用100M以太網和1G以太網，對10/100/1000以太網速率的自動協商并沒有明確的要求。一方面是因為網絡是封閉和確定的，其中接入節點的帶寬可以預先規劃；另一方面是不確定的鏈路協商速率使得網絡延時和帶寬難以預知，增加了確定性管理的復雜性。因此TSN接口適配器在設計時可以根據需求固定網絡接口的速率，使用簡單的MAC層處理邏輯，而無需支持接口速率的自適應。
（2）UNI接入電纜長度
TSN網絡UNI設計時一個比較容易忽略的問題時TSN網絡中網線的長度。假設信號在光纖和電纜上傳輸的速度為每秒30萬公里（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網絡在規劃時必須考慮電纜長度。如果接口適配器接入網絡的接入電纜長度無法確定，那么可以考慮采用IETF Detnet工作組提出的大規模網絡確定性轉發的方案，放松對時間同步的要求。
（3）UNI的資源預約
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”的規劃圖，生成這個規劃圖分為在線兩種和離線方式。在線規劃方式要求TSN網絡接口支持類似802.1Qat和802.1Qcc協議，動態的為時間敏感業務預約網絡資源，其優點是支持網絡節點的動態加入和退出以及可變的時間敏感業務傳輸需求，但這大大增加了TSN網絡接口驅動的復雜性。
離線規劃方式主要針對時間敏感業務傳輸需求是固定的封閉網絡，例如工廠車間的現場控制網絡，列車骨干網絡和汽車車載網絡等。這些網絡的網絡接口不需采用動態協議向網絡預約資源，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網絡。
離線資源預約只適用于滿足局域網內部交換的確定性，在更大區域范圍內跨網關或路由器的確定性轉發控制必須采用其他的技術，如2015年IETF成立的Detnet（確定性網絡）工作組提出的L3網絡中的確定性保證機制，當然目前Detnet相關規范還在草案階段，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工作組針對大規模網絡提出了不需要時間同步的確定性轉發方案，但這些會大大增加網絡接口和交換對時間槽標記和映射的復雜性，難以在局域網中部署。因此TSN網絡接口適配器必須支持1588時間同步機制。
當前一些商用網卡如i350，82559，x550等支持1588PTP協議。但由于這些網卡的時間同步實現必須驅動參與，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網絡接口適配器應由硬件實現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。TSN 802.1CB規范定義了為了確保可靠傳輸的幀復制和消除機制，基本思想是從TSN網絡接口就將數據流劃分成不同的子流，不同的子流通過網絡中不同的路徑進行傳輸，在子流的匯聚點再進行重復分組的丟棄，以避免路徑故障帶來的分組丟失。因此，TSN網絡接口適配器必須支持多個冗余的網絡接口接入網絡，并可根據需求支持802.1CB等協議的處理。
后續我們會對基于FAST架構和Zynq FPGA的TSN接口適配器的設計思路和實現技術進行分析，歡迎繼續關注。
