2012年,IEEE 802.1的Audio Video Bridging任务组正式被TSN任务组代替。TSN任务组主要工作是定义在交换式以太网中转发时间触发消息的IEEE标准集合,目标是标准化“确定性以太网”技术, 满足现有和新兴市场,特别是工业互联网的需要。

随着越来越多的TSN标准落地,TSN距离应用已不再遥远。工信部2018年6月的推出的《工业互联网发展行动计划(2018-2020 年)》明确提出“在汽车、航空航天、石油化工、机械制造、轻工家电、信息电子等重点行业部署时间敏感网络(TSN)交换机、工业互联网网关等新技术关键设备”,当前对TSN交换核心机制的研究以及研发TSN交换机已经变得十分迫切。

一、TSN交换的特点

与标准的以太网相比,TSN最大的特点是能够保证数据交换的确定性,在提前确定时间敏感数据流(称为scheduled traffic)传输的周期,每个周期传输的数据大小后,只要数据发送方按照约定将数据发出,TSN就能够保证在确定的时间将数据交换到接受方。

(1)TSN的特点

TSN网络主要实现相对封闭网络中的关键数据可靠交换,与互联网和数据中心网络具有不同的技术要求,对比如下表所示。

网络类型 交换特点 控制特点 标准制定
TSN网络 多数网络千兆可满足需求,需要确定性能,可用性要求高。 单一管理域,封闭网络,离线规划。 IEEE标准,强调理论上可证明的性能和可靠性,主要是L2层标准。
互联网 高带宽,尽力服务模型,需要L3路由,可扩展性压力大。 多管理域,开放网络,协议动态适应变化。 IETF标准,强调可以运行的代码和系统,主要是L3及其以上标准。
数据中心网络 高带宽和高端口密度,支持网络虚拟化,要求流完成时间短。 单一管理域,多租户环境,集中控制。 开源平台和白盒,厂商私有协议。

 

       (2)TSN与以太网的比较

由于TSN网络封闭和规模有限,不存在编址、路由和管理的扩展性问题。虽然TSN采用以太网帧格式,其交换技术规范的核心也是802.1Q,但其实现机制与以太网具有明显差别,即以太网交换只考虑节点、队列和链路三个核心要素,而TSN交换处理考虑上述三个要素外,还引入了时间这个实现确定性交换的关键要素。

一个简单的比喻是当前的以太网是高速公路网,每个分组是进入高速公路的汽车。在高速公路网上,汽车可以在任意时间进入高速公路(不需要预先注册和规划)很快速的从一个城市到达另一个城市,也可能因为事故导致的道路拥塞大大增加行驶的时间。因此汽车在高速公路上延时是不确定的。特别是汽车在某个时刻进入高速公路后,很难预先给出其途经每个中间节点(休息区,立交桥等标志性地点)的精确时间。

TSN网络是可以看成高铁网络,每个分组可以看成一辆高铁列车。每列高铁的运行必须根据预先规划好的高铁运行图进行。每个高铁列车从始发站发出,途径每个中途站点以及到达目的车站的时间都是确定的,可以有一个确定的预期。更进一步看,高铁到达中间车站时,什么时候进展,什么时候出站,以及进展后在哪个站台停靠都有预先的规划。因此搭乘高铁出行的时间是确定的,可以预期的。

二、TSN核心交换机制

802.1TSN任务组成立后,针对确定性交换的目标,在时间同步,延时保证,交换可靠性以及网络管理方面研究了多种算法和协议机制。这些协议机制或者作为标准修订融入802.1Q标准,或者作为独立的标准存在(如802.1CB)。

(1)核心TSN交换算法和协议机制

核心的TSN交换算法和协议机制,以及与高铁网络相关机制的类比如下表所示。

高铁网络 确定性转发机制 TSN标准
时间同步 所有车站均使用标准北京时间进行时间的同步。 TSN网络中所有交换机和接口控制器必须实现精确的时间同步 IEEE 802.1AS标准(PTP协议)。
运行规划 离线确定高铁运行图,包括发车时间,到达时间等。 提前获取时间敏感流量的特点(周期,数据大小),分配资源计算全网的时隙分配。 IEEE 802.1Qcc流预约协议或采用SDN集中控制机制。
进站控制 根据运行图规定的时间信息,通过运控系统控制列车进站到指定站台停留。 交换机识别每个分组,根据全网同步的确定性的时间控制分组进入特定的输出队列排队。 IEEE 802.1Qci,流粒度的过滤和管控(PSFP)。
出站控制 根据运行图规定的时间信息,通过运控系统控制列车出站的时间。 交换机根据全网同步的,在确定性的时间点调度分组从输出接口发出。 IEEE 802.1Qbv,时间敏感流量的调度机制。
避让机制 在线路冲突时,慢车需要在站台上等待和避让快车(可能造成晚点),保证快车的准点通过。 时间敏感分组预定发送时刻到达时,可以打断正在发送的其他低优先级的数据帧,最大程度保证时间敏感帧的传输。 IEEE 802.1Qbu

帧剥夺机制。

此外,针对用户如何应用上述机制,实现满足自己特定需求的TSN网络,TSN工作组还定义了循环队列转发(CQF:Cyclic Queuing and Forwarding)模型。根据该模型用户可以方便的配置TSN交换机,实现延时确定的TSN网络。目前CQF已经作为IEEE 802.1Qch规范融入802.1Q-2018标准中。

我们将在后续文章中,进一步介绍上述标准的工作原理和基于FAST流水线的实现方法。

三、基于FAST的TSN实现:机遇与挑战

       TSN交换设备在实现上具有标准发展迅速和应用场景多样化两个特点。

(1)标准发展迅速

例如IEEE 802.1Q规范是指导以太网交换芯片实现的核心标准,但近年来TSN标准发展迅速,上文提到的802.1Qbv/bu/ci/cc等TSN核心交换机制均作为802.1Q-2014标准的修订添加到802.1Q-2018标准中,。从802.1TSN的官方网站可以发现,目前TSN工作组还有很多项目是对802.1Q-2018的标准进行继续进行继续修订和扩充。

考虑ASIC芯片至少两年的设计周期,可以判断目前绝大多数交换芯片都无法支持TSN的核心交换机制,即使支持也难以跟上标准快速跟新扩展的速度。

(2)TSN应用场景差异大

目前除了典型的工业互联网应用场景外,5G前传(fronthaul)网络,高铁车辆网络、汽车车载网络、飞行器内部网络甚至是空间卫星网络都在考虑使用TSN交换机制,这些网络在同步精度,传输带宽,交换延时,故障冗余,设备功耗等方面都有不同的要求,即使已经有部分芯片标称支持TSN,例如2017年博通推出的BCM56370芯片,但也难以满足不同应用场景的需求。因此

预计TSN标准快速发展变化的时间还会持续3-5年,这个期间内,基于FPGA(而不是TSN ASIC芯片)的TSN交换实现无疑是最佳选择,不但可以支持标准的快速扩展更新,而且可以针对具体的应用场景进行定制化设计。基于FPGA的TSN交换也必须突破亚微妙级时间同步,时间控制的复杂队列管理调度,开放的编程API等设计难题。

由于FAST具有可扩展硬件流水线、FPGA/CPU协同处理以及开源开放等核心特征,基于FAST平台的TSN交换实现不但给FAST的发展带来了新的机遇,也给当前TSN交换设备实现带来新的途径。

分类: TSN switch

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