基于LS1028 TSN 交换机软件系统设计与实现(三）
NXP 推出 OpenIL 作为用于工业领域的 Linux 发行版， OpenIL 新增的部分中
含有：支持实时的操作系统的扩展和支持工业厂房中自动化 OEM 的 Time-Sensitive
网络。 OpenIL 作为开放型的工业 Linux 系统最大的优势便是将实时计算在网络中
的障碍清除了， OEM 厂商借标准的、社区的发行版 OpenIL 将逐步跨入工业 4.0
时代。
4.1 TSN 交换机软件的基本设计思想
在本文中支持 TSN 系统的交换机软件选用的是开放式工业 Linux 系统
(OpenIL) ，因为 TSN 的特性就是实时性强，而 OpenIL 是针对用于工业领域的开发
的专业 Linux 版本，扩展了实时的操作系统并且支持工业厂房中自动化 OEM 的
Time-Sensitive 网络（包括流过滤监管、分时拥塞感知整形和 802.1AS 时间同步等）。
软件系统的总体框图如图 4-1 所示。
OpenIL 不仅拥有网络协议栈、用于配置管理的 Web 服务、脚本工具等一些 IT
的基础架构软件，还有一般来说可作为 Linux 发行版中一部分的实用的系统程序，
除此之外还包含如下工业领域的软件特性：
（ 1 ）对 Unix 的 Xenomai 实时扩展，简化实时操作系统 (RTOS) 移植 ( 如 VxWorks
pSOS) 。
（2）可扩展标记语言 (XML) 和基于 NETCONF 的 TSN 网络配置实用程序。
（3）支持通用精确时间协议 (gPTP) 的 linuxptp 守护程序。
（4）支持边缘计算服务。
（5）安全性的 SeLinux 。
采用 OpenIL 不仅可以实现交换机的 TSN 特性，在未来工业互联网大平台
中还可以将该交换机作为 TSN END POINT 使用，连接 TSN 整网 [26] 。 OpenIL 系
统的目录结构如图 4-2 ，第二层和第三层是为编译产生的。
OpenIL 在通用 Linux 的基础上提供 OT 所需的可确定性、可管理性、工业网
络和安全性。 Xenomai cobalt 是一种实时框架，将传统 RTOS 应用程序移植到
OpenIL 上，扩展单 linux 内核成双内核（实时 kernel 和原生态 linux kernel [27] ）。
这样只需要部署一种 IEEE 标准以太网网络，就既能传输 OT 系统中对实时性要求
较高的控制流量，又能传输 IT 系统中尽力而为的普通以太网流量。在本次研究中，
主要工作集中在 Xenomai colbat 双内核在 OpenIL 中的实现。
图 4-3 是 OpenIL 系统中双内核的架构， TSN API 是给有实时要求的应用所调
用，通过实时 Xenomai cobalt 核对 TSN switch 进行配置，
kernel 中同时支持 gPTP 协
议（precious time protocol）来同步时间。用户态空间支持通用的 ethernet App ，同
时也支持 TSN 相关的 App ，这样只需要一个系统就同时满足 IT 和 OT 的需求，简
化网络的部署和管理。
4.3 TSN 交换机软件的功能模块
4.4 TSN 交换机软件功能
TSN 的软件功能由三大块共同实现。分别为用户态的 tsn api 接口，嵌入在
kernel 中的 tsn 配置接口，以及 switchdev 驱动。图 4-8 为软件层面的调用关系。 
用户态的 TSN API 以共享库的形式（
libtsn.so ）分布，对开发者提供统一的接
口。 Api 接口均是以 tsn_xx_set, 或 tsn_xx_get 的形式，其中 xx 代表功能缩写。比
如 qbv 功能设置接口： tsn_qbv_set, tsn_qbv_get 。
实现原理是通过 Netlink 套接字与内核的 TSN api 模块进行通信。这是 Linux
通用的一种用户进程与内核进程通信的方式，所以不再赘述。我们同时提供 tsntool
可执行文件进行交互的配置方式， tsntool 就是使用 libtsn.so 实现的。
内核态的 TSN API 作为 kernel 的 Buildin 编译到内核中，在 menuconfig 中配
置是否编译此 TSN 功能接口。这个模块主要提供 tsn_port_register(port, optfunc,
enable) 接口供 switchdev 驱动调用。接口的配置函数最终由回调函数 optfunc 实现。
另一方面，内核态 TSN API 接收 netlink socket 消息（来自用户态 TSN ），解
析后通过 optfunc 函数进行配置，并返回结果给用户。