基于FAST的TSN交换（8）TSN网络的集中式资源管理

基于FAST的TSN交换（8）TSN网络的集中式资源管理

    资源预约和分配是网络保证服务质量的前提。TSN网络中有两种类型的服务质量保证，一是带宽预约流量（如音频视频流），一种是周期性的时间敏感流量。为保证这些流量的服务质量，一方面需要在包含网络接口适配器和交换机的端到端路径上进行资源预留，另一方面需要TSN网络接口适配器对预约资源流量进行整形和过滤，避免超出预约的流量通过UNI接口进入网络，对其他正常流量产生影响。因此，TSN网络需要根据离线的资源预约和规划结果，对交换机和网络接口适配器上的资源进行相应配置。

一、TSN网络的配置管理概述

（1）面向预约带宽流量的资源管理
    目前TSN网络支持两种类型流量的服务质量保证，分别为预约带宽的流量和周期调度的时间敏感流量。
    预约带宽流量主要针对音视频应用数据的传输，需要在保证带宽的同时，是的传输延时不超过最大限制，例如音频流量延时不超过10ms，视频流量延时不超过100ms。TSN交换机在数据平面为预约带宽流量提供基于信用的整形器（Credit based shaper）机制，控制平面采用流资源预约协议SRP （802.1Qat）动态的预约网络资源。
    TSN工作组为TSN网络的配置管理定义了SRP协议。802.1Qat定义的SRP协议类似互联网中的RSVP，发送方首先定义流量的规范Tspec，包括最大分组尺寸和带宽等信息，然后从发送方开始向接收方发送预约资源的消息（包含流ID，流规范Tspec，分组MAC地址，VLAN ID和优先级等信息），在沿途的交换设备上预约信息。
（2）面向时间敏感流量的资源管理
    时间敏感流量主要针对周期性产生的关键控制信息，数据平面通过循环队列转发CQF（802.1Qch）整形机制以及基于时间的门控逻辑（802.1Qbv）保证端到端信息传递的确定性延时。在控制平面采用基于集中控制器的流配置（802.1Qcc）方式对端到端交换路径进行资源预约。
    802.1Qcc是对SRP协议的扩展，除了可以支持更多数目的流资源预约外，还支持集中的网络通过集中的网络控制器CNC（Central Network Controller）通过集中计算（交换路径、资源需求和调度参数）和配置交换设备，以便支持周期性调度的时间敏感流量。
（3）针对特定场景的资源管理优化
    对于特定的规模有限的封闭平台网络，如列车骨干网络，车载网络等，网络节点相对固定，关键业务数据流特点（如关键摄像头的视频流信息，关键传感器的周期性控制信息）相对固定，不会随着时间的变化而发生较大变化，对于这类网络可以采用离线规划的方式静态的分配网络资源，可以大大简化资源管理的复杂性。

二、TSN网络资源管理软件框架

（1）基于SDN的资源管理方式
    SDN技术的发展和成熟为网络细粒度管控提供了新的手段。转发控制分离，集中管理和数据平面可编程是SDN的重要特点。TSN可以利用SDN思想实现有效的资源管理，主要有两个优点。
    一是802.1Qcc提出的集中计算和配置的CNC控制器模型与SDN集中管理模型十分契合，因此可以利用SDN网络提供的基础设施进行资源管理，如使用SDN控制器提供的设备管理功能，利用标准的openflow通道实现CNC与被管设备的通信等。
    二是在SDN管理框架下，资源管理软件可方便的获取TSN网络的其他信息，例如当CNC以SDN北向接口应用形式实现时，可利用SDN控制器提供的REST API获取TSN网络的拓扑信息等。
（2）TSN资源管理软件我
    们提出的TSN网络资源管理软件的架构如下图所示。自上至下包含配置需求管理，全局资源分配和设备资源配置三个层次。TSN资源管理软件作为SDN控制器上的北向接口应用，与交换管理，安全管理和日志管理等应用并列，同时利用SDN控制器的设备管理和南向接口协议与网络中的设备（含网络接口适配器和交换机）进行通信。

基于SDN的TSN网络资源管理软件架构

    配置需求管理主要保存设备资源状态，应用预约状态和网络拓扑状态信息。其中设备资源状态信息可通过设备资源描述信息获取，应用预约状态信息可通过离线配置或者动态协议获取（TSN实验环境开发暂不考虑类似SRP的动态预约协议），而TSN网络拓扑信息可以离线配置，也可以通过REST API从SDN控制器获取。
    全局资源分配是资源管理软件的核心，主要功能是将一条用户预约的流映射到端到端交换路径上，并根据流的服务质量要求，为其分配交换路径上每个设备上的资源。映射算法需要考虑的因素及约束条件很多，理论上可证明为NP完全问题。详见下表。

输入条件	（1）流的源和目的标识； （2）流的规范Tspec ；
约束条件	（1）网络拓扑，端到端可达的交换路径； （2）端到端设备的资源情况（队列，CBS表项，门控列表等）； （3）端到端链路时间槽的分配情况； （4）全局流ID空间使用情况；
输出结果	（1）能否满足服务质量要求，若满足，则输出 （2）、（3）； （2）流到优先级的映射结果； （3）全局的流ID； （4）端到端设备的参数配置。

    需要注意的是，在集中的TSN网络资源管理模型下，为每条带宽预约的流分配一个全局流ID对简化实现复杂度十分重要。在数据平面，网络接口适配器实现分组到全局流ID的映射和标记（例如将全局流ID携带在VLAN tag中），交换设备可将全局流ID作为转发的依据。在控制平面，直接使用流ID可以简化流分类查表得复杂性，提升处理性能。

三、TSN设备的资源管理抽象

     基于SDN的集中资源管理需要对TSN设备转发平面的资源管理机制进行抽象。一方面可以向控制软件屏蔽硬件实现的差异，另一方面可以直接使用SDN控制器的openflow等南向接口协议对设备进行配置。由于TSN网络接口适配器实现的服务质量保证机制与TSN交换机基本相同，因此网络接口适配器与交换机使用相同的资源管理抽象，如下表所示。注意在表中没有列出与服务质量保证相关的统计信息，在实现过程中可根据需要添加。

序号	抽象	含义	备注
1	流映射表	基于分组的五元组标识映射到全局流ID	仅适配器需要
2	仅适配器需要	流ID对应的优先级	仅适配器需要
3	单流过滤表	每条流过滤对应的CBS参数	所有设备需要
4	时间同步控制寄存器	时间同步模式（主/从）和频率等	所有设备需要
5	CQF配置寄存器	CQF的时间槽大小	所有设备需要
6	CQF输入门控列表	每个输入时间门控列表的控制参数	所有设备需要
7	队列输出整形参数表	针对预约带宽队列的输出整形CBS参数	所有设备需要

     由于FAST交换模型可方便的在现有流水线中插入新的模块以支持TSN交换，因此集中的TSN资源管理软件对网络接口适配器和交换机的资源配置管理实现十分简单，我们将在后续的文章中介绍。