OpenTSN：支持TSN技術(shù)研究和系統(tǒng)開發(fā)的開源項(xiàng)目
發(fā)布時(shí)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(gè)重要發(fā)展趨勢。特別是隨著802.1 TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。
一、OpenTSN研制的背景和目標(biāo)
當(dāng)前TSN關(guān)鍵技術(shù)研究受限于實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建。主要原因是辦公環(huán)境和實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jìn)行，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都迫切需要一個(gè)真實(shí)的、開放的、開源的TSN實(shí)驗(yàn)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(jī)制的研究提供支撐。
OpenTSN是國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院FAST團(tuán)隊(duì)基于FAST架構(gòu)設(shè)計(jì)的TSN集成驗(yàn)證環(huán)境，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：
（1）基于FPGA實(shí)現(xiàn)支持802.1AS 、802.1Qbv，802.1Qch，802.1Qci等TSN核心功能的交換機(jī)原型；
（2）基于FPGA實(shí)現(xiàn)支持802.1AS 、802.1Qbv，802.1Qci等功能的TSN接口適配器，同時(shí)為時(shí)間敏感應(yīng)用提供編程接口；
（3）基于上述FPGA交換機(jī)和適配器原型，搭建TSN實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)；
（4）實(shí)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(shí)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(jì)；
（6）實(shí)現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程遙測功能，可微觀觀測TSN網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步狀態(tài)，交換機(jī)內(nèi)部隊(duì)列狀態(tài)等，為TSN核心實(shí)現(xiàn)機(jī)制評估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)；
（7）實(shí)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(shí)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(gè)Openbox-S4平臺，4臺Linux主機(jī)和1個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭組成。
其中6個(gè)Openbox-S4配置成4端口TSN交換機(jī)，并組成一個(gè)環(huán)形TSN網(wǎng)絡(luò)。另外3個(gè)Openbox-S4分別實(shí)現(xiàn)TSN測試儀、流量分析器和TSN網(wǎng)關(guān)功能。4個(gè)Linux終端分別運(yùn)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(shí)間同步，同時(shí)模擬三個(gè)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(shí)接收TSN流量，對TSN流量交換的延時(shí)進(jìn)行分析。
每個(gè)交換機(jī)的3號口為TAP口，會(huì)將進(jìn)出的流量打上時(shí)間戳送流量分析器。流量分析器對流量進(jìn)行過濾處理后，送給TSN-Insight進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。每個(gè)TSN交換機(jī)內(nèi)嵌Beacon機(jī)制，固定時(shí)間（如每1ms）將交換機(jī)內(nèi)部的各種狀態(tài)（同步，隊(duì)列，計(jì)數(shù)器等）發(fā)送給Insihgt軟件進(jìn)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(dòng)、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(shí)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(yùn)行，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。
圖2 OpenTSN原型
關(guān)于FAST開源項(xiàng)目體系結(jié)構(gòu)，Openbox-S4平臺，OpenTSN交換機(jī)實(shí)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(jìn)行托管。OpenTSN代碼的組織與共享方式、初步的運(yùn)行測試結(jié)果等信息將在后續(xù)文章中介紹。
