基于FAST的TSN交換（1）TSN交換機(jī)制概述
發(fā)布時間：2019-01-12
2012年，IEEE 802.1的Audio Video Bridging任務(wù)組正式被TSN任務(wù)組代替。TSN任務(wù)組主要工作是定義在交換式以太網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)時間觸發(fā)消息的IEEE標(biāo)準(zhǔn)集合，目標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)化“確定性以太網(wǎng)”技術(shù)， 滿足現(xiàn)有和新興市場，特別是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需要。
隨著越來越多的TSN標(biāo)準(zhǔn)落地，TSN距離應(yīng)用已不再遙遠(yuǎn)。工信部2018年6月的推出的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃（2018-2020 年）》明確提出“在汽車、航空航天、石油化工、機(jī)械制造、輕工家電、信息電子等重點(diǎn)行業(yè)部署時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）交換機(jī)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等新技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備”，當(dāng)前對TSN交換核心機(jī)制的研究以及研發(fā)TSN交換機(jī)已經(jīng)變得十分迫切。
一、TSN交換的特點(diǎn)
與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)相比，TSN最大的特點(diǎn)是能夠保證數(shù)據(jù)交換的確定性，在提前確定時間敏感數(shù)據(jù)流（稱為scheduled traffic）傳輸?shù)闹芷冢總€周期傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小后，只要數(shù)據(jù)發(fā)送方按照約定將數(shù)據(jù)發(fā)出，TSN就能夠保證在確定的時間將數(shù)據(jù)交換到接受方。
（1）TSN的特點(diǎn)
TSN網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)相對封閉網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)可靠交換，與互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)具有不同的技術(shù)要求，對比如下表所示。
（2）TSN與以太網(wǎng)的比較
由于TSN網(wǎng)絡(luò)封閉和規(guī)模有限，不存在編址、路由和管理的擴(kuò)展性問題。雖然TSN采用以太網(wǎng)幀格式，其交換技術(shù)規(guī)范的核心也是802.1Q，但其實(shí)現(xiàn)機(jī)制與以太網(wǎng)具有明顯差別，即以太網(wǎng)交換只考慮節(jié)點(diǎn)、隊列和鏈路三個核心要素，而TSN交換處理考慮上述三個要素外，還引入了時間這個實(shí)現(xiàn)確定性交換的關(guān)鍵要素。
一個簡單的比喻是當(dāng)前的以太網(wǎng)是高速公路網(wǎng)，每個分組是進(jìn)入高速公路的汽車。在高速公路網(wǎng)上，汽車可以在任意時間進(jìn)入高速公路（不需要預(yù)先注冊和規(guī)劃）很快速的從一個城市到達(dá)另一個城市，也可能因?yàn)槭鹿蕦?dǎo)致的道路擁塞大大增加行駛的時間。因此汽車在高速公路上延時是不確定的。特別是汽車在某個時刻進(jìn)入高速公路后，很難預(yù)先給出其途經(jīng)每個中間節(jié)點(diǎn)（休息區(qū)，立交橋等標(biāo)志性地點(diǎn)）的精確時間。
TSN網(wǎng)絡(luò)是可以看成高鐵網(wǎng)絡(luò)，每個分組可以看成一輛高鐵列車。每列高鐵的運(yùn)行必須根據(jù)預(yù)先規(guī)劃好的高鐵運(yùn)行圖進(jìn)行。每個高鐵列車從始發(fā)站發(fā)出，途徑每個中途站點(diǎn)以及到達(dá)目的車站的時間都是確定的，可以有一個確定的預(yù)期。更進(jìn)一步看，高鐵到達(dá)中間車站時，什么時候進(jìn)展，什么時候出站，以及進(jìn)展后在哪個站臺停靠都有預(yù)先的規(guī)劃。因此搭乘高鐵出行的時間是確定的，可以預(yù)期的。
二、TSN核心交換機(jī)制
802.1TSN任務(wù)組成立后，針對確定性交換的目標(biāo)，在時間同步，延時保證，交換可靠性以及網(wǎng)絡(luò)管理方面研究了多種算法和協(xié)議機(jī)制。這些協(xié)議機(jī)制或者作為標(biāo)準(zhǔn)修訂融入802.1Q標(biāo)準(zhǔn)，或者作為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)存在（如802.1CB）。
（1）核心TSN交換算法和協(xié)議機(jī)制
核心的TSN交換算法和協(xié)議機(jī)制，以及與高鐵網(wǎng)絡(luò)相關(guān)機(jī)制的類比如下表所示。
此外，針對用戶如何應(yīng)用上述機(jī)制，實(shí)現(xiàn)滿足自己特定需求的TSN網(wǎng)絡(luò)，TSN工作組還定義了循環(huán)隊列轉(zhuǎn)發(fā)（CQF：Cyclic Queuing and Forwarding）模型。根據(jù)該模型用戶可以方便的配置TSN交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)延時確定的TSN網(wǎng)絡(luò)。目前CQF已經(jīng)作為IEEE 802.1Qch規(guī)范融入802.1Q-2018標(biāo)準(zhǔn)中。
我們將在后續(xù)文章中，進(jìn)一步介紹上述標(biāo)準(zhǔn)的工作原理和基于FAST流水線的實(shí)現(xiàn)方法。
三、基于FAST的TSN實(shí)現(xiàn)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)
TSN交換設(shè)備在實(shí)現(xiàn)上具有標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展迅速和應(yīng)用場景多樣化兩個特點(diǎn)。
（1）標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展迅速
例如IEEE 802.1Q規(guī)范是指導(dǎo)以太網(wǎng)交換芯片實(shí)現(xiàn)的核心標(biāo)準(zhǔn)，但近年來TSN標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展迅速，上文提到的802.1Qbv/bu/ci/cc等TSN核心交換機(jī)制均作為802.1Q-2014標(biāo)準(zhǔn)的修訂添加到802.1Q-2018標(biāo)準(zhǔn)中，。從802.1TSN的官方網(wǎng)站可以發(fā)現(xiàn)，目前TSN工作組還有很多項目是對802.1Q-2018的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行繼續(xù)進(jìn)行繼續(xù)修訂和擴(kuò)充。
（2）TSN應(yīng)用場景差異大
目前除了典型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景外，5G前傳（fronthaul）網(wǎng)絡(luò)，高鐵車輛網(wǎng)絡(luò)、汽車車載網(wǎng)絡(luò)、飛行器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)甚至是空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)都在考慮使用TSN交換機(jī)制，這些網(wǎng)絡(luò)在同步精度，傳輸帶寬，交換延時，故障冗余，設(shè)備功耗等方面都有不同的要求，即使已經(jīng)有部分芯片標(biāo)稱支持TSN，例如2017年博通推出的BCM56370芯片，但也難以滿足不同應(yīng)用場景的需求。因此
預(yù)計TSN標(biāo)準(zhǔn)快速發(fā)展變化的時間還會持續(xù)3-5年，這個期間內(nèi)，基于FPGA（而不是TSN ASIC芯片）的TSN交換實(shí)現(xiàn)無疑是最佳選擇，不但可以支持標(biāo)準(zhǔn)的快速擴(kuò)展更新，而且可以針對具體的應(yīng)用場景進(jìn)行定制化設(shè)計。基于FPGA的TSN交換也必須突破亞微妙級時間同步，時間控制的復(fù)雜隊列管理調(diào)度，開放的編程API等設(shè)計難題。
由于FAST具有可擴(kuò)展硬件流水線、FPGA/CPU協(xié)同處理以及開源開放等核心特征，基于FAST平臺的TSN交換實(shí)現(xiàn)不但給FAST的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，也給當(dāng)前TSN交換設(shè)備實(shí)現(xiàn)帶來新的途徑。
