基于FAST的TSN交换（1）TSN交换机制概述

基于FAST的TSN交换（1）TSN交换机制概述

    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。