FlexTSN:一種靈活的TSN交換實現模型

楊翔瑞 嚴錦立 陳 波 彭錦濤 李軍帥 全 巍 孫志剛

(國防科技大學計算機學院 長沙 410072)(yangxiangrui11@nudt.edu.cn)

隨著工業物聯網(industrial Internet of things, IIoT)[1]需求與技術快速發展，通過一套標準化網絡在工控網絡中同時實現實時消息確定性轉發和非實時消息盡力轉發十分重要.2012年，IEEE 802.1的音視頻橋接技術工作組(audiovideo bridging systems group, AVB)正式被時間敏感網絡(time-sensitive networking, TSN)任務組所代替[2]，用于滿足工業互聯網的上述需要.TSN[3]定義了確定性以太網中2層網橋(bridge)的調度與轉發等策略.與傳統以太網相比，TSN的最大特點是能保證數據交換確定性，在預知時間敏感數據流傳輸周期與數據量等特征后，進行端到端基于時間的調度控制.TSN能夠保證在確定性延遲范圍內(極小的數據抖動)將數據傳輸到接收方.這有助于將傳統由現場總線通信(如IEEE 1394[4]，PROFINET[5]等)或專用工業以太網協議(如Ethernet for Control Automation Technology[6])分割的工控網絡體系進行整合，打破不同技術路線形成的壁壘，利于工業互聯網技術路線的推進.

目前，IEEE TSN工作組制定了一系列草案對TSN中相關技術進行標準化.其中，IEEE 802.1AS[7]對TSN中精確的時鐘同步方式進行了規范，802.1Qcc[8]定義了用于網橋狀態周期性上報與CNC(central network controller)節點對網橋的配置方式，802.1Qav[8]，802.1Qbv[9]，802.1Qbu[8]等對TSN中的流控(整形、調度等)進行了規范等.同時，IEEE關于TSN的多數草案仍在快速迭代更新中.例如，TSN工作組的主頁顯示，目前已經發布的TSN標準共有13個，有17個標準仍在討論與設計中[10]，涉及本地注冊管理、服務質量(quality of service, QoS)配置、服務提供商網絡的TSN配置說明等方面.上述標準的形成都需要新提出的技術方案在基于硬件的TSN原型系統中進行全面的功能與性能驗證.

然而，由于TSN技術剛起步，在時間同步、輸入調度、輸出調度、狀態與資源管理等方面與傳統以太網技術區別較大，目前還沒有一種通用的模型用于TSN交換原型系統的快速實現.因此，一種便于研究人員進行敏捷、靈活開發的TSN交換模型對于推動TSN技術的實現和應用極為重要.這有利于為研究人員提供靈活的TSN關鍵技術敏捷驗證.NetFPGA[11]與FAST[12]等網絡交換原型的開源框架為基于可編程硬件的網絡原型系統構建提供了平臺，但是缺少對TSN在時間同步、資源與狀態管理等方面的抽象支持，難以針對TSN領域特定關鍵技術進行敏捷驗證.

Fig. 1 The functionalities of TSN switching node

因此，我們提出一種靈活的TSN交換模型FlexTSN，用于為研究人員提供一種敏捷的TSN交換原型系統構建方式.FlexTSN基于FAST[12]開源框架進行設計開發，其實現了一種功能模塊松耦合的TSN交換節點.FlexTSN具有的特點為：首先，將TSN轉發節點的邏輯功能解耦為時間同步、輸入調度、分組交換、輸出調度、狀態與資源管理5大功能模塊(如圖1所示)，每個模塊均支持用戶基于新的機制進行重構，從而便于對TSN中新型關鍵技術進行快速驗證；其次，我們為FlexTSN設計了一種基于擴展精確時鐘同步協議(precision time protocol, PTP)的輕量級高可靠網絡管理機制Beacon，用于對節點的狀態信息進行周期性上報，便于用戶進行遠程遙測與調試；最后，FlexTSN借助FAST中metadata等數據結構進一步抽象出TSN相關核心數據結構，通過中間結果共享簡化自定義模塊開發.

本文的貢獻有3方面：

1) 提出了一種靈活的TSN交換模型FlexTSN及其原型系統[13]，便于研究人員對TSN關鍵技術進行快速驗證；

2) 在基于FlexTSN構建的轉發節點中，將時間同步、輸入調度、輸出調度、分組交換與狀態、資源管理進行解耦，便于研究人員對特定邏輯功能進行自定義的模塊替換或重構；

3) 提出一種基于PTP協議[14]的Beacon機制，通過周期性上報本地狀態與配置信息，為用戶基于FlexTSN的開發過程提供一種高效的故障診斷與調試機制.

1 動機與方法

本節對靈活的TSN交換模型的研究動機進行介紹，并且對FlexTSN設計中的核心方法進行介紹.

1.1 研究動機

目前關于TSN的相關研究日益豐富，來自業界與學術界的研究人員針對TSN中時間同步、調度機制與資源管理機制等進行了越來越深入的探索.為了對提出的相關算法與機制進行驗證，研究人員迫切需要對TSN交換系統進行快速原型設計與搭建.而目前還缺少一種能夠靈活支持TSN交換的實現模型.

FPGA為網絡交換原型系統提供了良好的可編程性以及與軟件相比更高的處理速度.作為主流的基于FPGA的網絡實驗平臺如NetFPGA，FAST等提供了針對以太網數據幀的抽象和易于使用的硬件元數據結構，適用于傳統以太網實驗環境搭建.然而針對TSN而言，仍然需要用戶實現TSN交換節點中輸入輸出調度、交換、資源管理與時鐘同步等功能.而多數研究人員僅針對TSN交換節點中的某一功能進行研究，為了對某一方面的機制或算法進行驗證而搭建整個TSN交換原型系統無疑帶來大量時間和工程開銷.

以時鐘同步為例，IEEE 802.1AS[7]規定了TSN使用gPTP[13]協議進行全LAN的時鐘同步.gPTP(generic PTP)協議包含基于最優主時鐘(best master clock, BMC)算法的主時鐘選取和時鐘同步算法2部分，而基于FPGA的時鐘同步協議的一種簡化的典型實現[14]大約包含2 100行verilog代碼.而如圖1所示，TSN交換節點(在IEEE 802.1中定義為bridge)至少包含時間同步、輸入調度、分組交換、輸出調度、狀態與資源管理5種核心功能，這將為用戶帶來較多的額外開發和調試負擔.

1.2 需求與方法

通過1.1節的動機分析，目前迫切需要一種靈活的TSN交換實現模型對TSN中關鍵技術進行敏捷測試與驗證，為此我們提出了FlexTSN，一種靈活的TSN交換實現模型，使研究人員能夠基于所提出算法快速搭建TSN交換的原型系統，從而敏捷地進行算法和機制驗證.

為了使得FlexTSN滿足該需求，我們對Flex-TSN作出3條需求約束：

1) FlexTSN首先應當實現一種典型的TSN交換原型系統，支持包含時間同步、輸入調度、分組交換、輸出調度、狀態與資源管理5部分核心TSN交換功能，便于用戶對多數功能模塊進行重用；

2) FlexTSN中各邏輯功能應當采用松耦合的設計模式，保證約束1中任何一種功能模塊能夠方便地被用戶自定義邏輯替換；

3) FlexTSN應當為用戶提供一種靈活的狀態信息上報機制，從而便于用戶對基于FlexTSN的原型系統進行集中式的狀態信息采集與調試.

FlexTSN應當作為一種開源與可敏捷重構的TSN測試平臺.為了能夠滿足上述目標，FlexTSN包含了3種關鍵技術：

1) 基于模塊化、松耦合的設計模式.FlexTSN基于FAST的模塊化框架設計實現，并對FAST架構進行擴展.通過定義各模塊間交互的通用數據結構，保證不同模塊間的功能解耦.

2) 基于擴展PTP報文的Beacon機制.FlexTSN對PTP協議數據字段進行擴展，從而將本地狀態和資源信息以及透明時鐘封裝在擴展的PTP報文中，并根據配置進行時鐘同步場景下的狀態信息周期性上報.

3) 定義了TSN metadata字段，根據時間敏感的調度機制需求將調度關鍵信息(時鐘、流優先級等)封裝在TSN metadata中，方便用戶對輸入、輸出等調度算法進行敏捷部署.

2 FlexTSN架構設計

2.1 整體架構

FlexTSN整體流水線架構如圖2所示.其中深色為FlexTSN開發模塊，白色為通用模塊.FlexTSN為了保證全網時間同步的精度與TSN輸出調度的精確性，主要有2點關鍵設計：

1) 將時間同步邏輯(如時鐘同步與時間戳標記)部署在數據接口邏輯中，避免跨時鐘域，從而保證透明時鐘計算的準確性(詳見2.2節)；

2) 為了支持“確定性轉發”的TSN調度機制，輸出通道設計為n路(n為端口數量)，保證分組在FlexTSN中完成調度后避免block-of-head擁塞，從而進行確定性轉發.

Fig. 2 The model of FlexTSN’s pipeline

總的來看，FlexTSN流水線包含FAST基本模塊與TSN功能模塊2類模塊.在可重構的TSN功能模塊中，PTP(時間同步模塊)靠近接口邏輯，主要負責在網絡中與各節點進行全網的時間同步，從而向交換、調度等模塊提供同步的精確時間信息.其余模塊依次部署在流水線中，便于用戶根據自定義需求進行重構.其中，LCM為本地管理模塊，負責本地節點的資源與狀態管理，并負責周期性向CNC(central network controller)上報本地狀態信息；ESW為解析與交換模塊，主要負責解析分組并提取metadata(包含優先級、輸入端口、流標識等信息)，同時根據本地轉發表對action字段進行標識；EOS模塊為FlexTSN的輸出調度模塊，是實現TSN調度的核心模塊之一，可根據ESW模塊提取的metadata信息對分組進行輸出調度.

而FAST[12]基本模塊中，Pkt Extract模塊提取報文體，并將其暫存在Data Cache模塊中，并保留metadata與報文頭向量用于在EOS模塊進行調度.Data Cache模塊用于暫存報文體，并將報文暫存地址、報文長度等提供給Pkt Extract模塊，用于填充metadata信息.Pkt Restore模塊用于根據EOS模塊輸出進行報文拼裝.GOE模塊為FlexTSN的輸出引擎，它根據報文metadata中action字段值對報文進行向特定端口轉發、丟棄、計數等處理.

2.2 核心模塊設計

2.2.1 時間同步模塊

TSN采用IEEE 802.1AS(gPTP協議)進行TSN中全域的時間同步.因此，在FlexTSN中的PTP模塊中也采用gPTP協議用于各節點的時間同步，實現全網各節點亞微秒級的同步，從而為TSN中實時調度提供精確的全局時間.

2.2.2 本地狀態與資源管理模塊

本地狀態與資源管理模塊(LCM)負責接收CNC的配置命令并對各功能模塊進行配置，另外還收集各功能模塊的狀態信息，周期性向CNC節點進行上報.該模塊的架構如圖3所示:

Fig. 3 Architecture of local state and resource management module

LCM模塊分為LReport與LUpdate這2個子功能模塊，以及一個本地控制模塊LCM_Ctrl.其中LReport模塊負責周期性構造包含本地計數器等狀態信息的分組，并以組播方式將該分組發送至CNC節點.LUpdate模塊負責接收并解析來自CNC節點的控制分組，并根據控制分組中的字段對各模塊中的控制寄存器進行配置.而LCM_Ctrl模塊是LCM的控制子模塊，用于對上報分組的上報周期、Beacon分組的目的MAC(media access control)地址等參數進行配置.

為了能夠提供高可擴展的狀態信息上報與管理信息配置，我們通過對IEEE 1588同步協議進行擴展設計了Beacon網絡管理協議，將在3.1節中進行詳細介紹.

2.2.3 解析與交換模塊

解析與交換模塊(ESW)是FlexTSN的核心交換模塊，主要用于對接收的分組類型進行解析、查找轉發表、構造TSN輸出調度所需的metadata(為了簡化設計，也可將輸入調度機制部署在ESW中).

ESW的模塊架構如圖4所示，其主要包含3個子模塊：PKE模塊用于分組類型解析與轉發表的key提取；PFW模塊用于根據PKE生成的key字段進行轉發表匹配，并根據查表結果生成對應的action字段；PAC模塊用于根據action字段生成TSN調度輸出所需的metadata，并且根據流水線的數據緩存模塊(IBM，即為模型圖2中的Pkt Extract模塊)的剩余存儲空間大小決定對不同優先級的分組進行的操作(丟棄或繼續處理).

Fig. 4 Architecture of the parsing and switching module

根據文獻[15]，TSN使用IEEE 802.3中VLAN(virtual local area network)頭中的PCP字段(0～7)標記特定流的優先級.在FlexTSN中，默認將所有數據流的優先級分為3類，如表1所示.PKE接收到輸入分組后，提取查表所需的key(包含源、目的MAC地址等信息)并根據表1解析TSN的分組類型，之后將這2個字段以及分組送至PFW模塊進行處理.

PFW為FlexTSN中用于查找轉發表的模塊，其查表邏輯與傳統以太網查表邏輯相同，因此該模塊也可復用用于傳統以太網的查表模塊.然而，由于需要支持基于優先級的輸出調度策略，在PFW模塊查表生成的action字段中需要包含一個3 b的分組協議類型域，用于對該分組屬于TSN分組、預約帶寬分組或者盡力轉發分組進行標識.

Table 1 Relation Between PCP Field and TSN Frame Type

PAC模塊接收到來自PFW的分組及其攜帶的action字段后，將根據相關信息生成TSN metadata.TSN metadata在FlexTSN中被用于進行輸出調度的關鍵數據結構，其字段定義如圖5所示：

Fig. 5 TSN metadata data structure

需要注意的是，TSN metadata字段的7～0位為Buf_ID，代表該metadata所對應的分組在Data Cache中存儲的位置.該字段與length字段相結合用于調度完成后從Data Cache讀取對應的一個完整分組.

另外，由于Data Cache中的存儲空間有限，PAC也需要根據Data Cache中空閑ID的數量決定是否要丟棄當前分組，并且保證高優先級流(TSN流)的無損處理.

2.2.4 輸出調度模塊

TSN的另一個核心功能是根據分組優先級或類別進行時間敏感的輸出調度，該功能在EOS模塊中進行實現.EOS模塊的設計充分考慮了TSN網絡特點，并將門控、流量整形和輸出調度的邏輯進行了解耦，分別由不同的子模塊實現，便于用戶對其中某一部分邏輯進行重構.EOS的整體架構如圖6所示.

Fig. 6 The architecture of the output scheduling module

圖6中，隊列選擇模塊(queue select)用于根據metadata中的分組類型字段以及輸出端口號將不同類型分組的metadata(TSN分組、帶寬預留分組以及盡力轉發分組)送至MB模塊中的不同隊列中.MB中針對每個輸出端口維護3個長度為N(N值與Data Cache中ID數相同)的FIFO(first-in-first-out buffer)，用于接收并緩存來自Queue Select模塊的metadata.EOS中用于門控的模塊是Gate Ctrl模塊，該模塊接收來自PTP模塊的精確時鐘信息，并根據全局時間、MB中FIFO剩余空間等信息對發送隊列進行門控.而Traffic Schedule模塊接收來自Gate Ctrl模塊的當前可調度隊列選項，并依據內部的調度算法對metadata進行調度輸出.

在TSN的相關研究中，針對輸出調度的研究相對豐富.我們將門控與調度的子功能分別解耦為Gate Ctrl模塊與Traffic Schedule模塊，并提供便于用戶對新的門控與調度算法進行系統驗證.在FlexTSN中，我們在EOS中實現了TSN規范中的一種典型調度算法——CQF[16](cyclical queuing and forwarding)調度.

3 關鍵技術

3.1 基于擴展PTP協議的Beacon機制

為了便于用戶對FlexTSN進行調試或配置，同時支持遠端CNC節點實時獲取TSN交換節點的本地狀態信息，我們為FlexTSN平臺設計了一種基于擴展的PTP協議的遙測機制，也稱為Beacon機制.該機制支持2種關鍵功能：

1) TSN交換節點當前狀態信息周期性上報.TSN節點周期性將本地狀態信息填寫到Beacon幀(擴展的PTP幀)中，并發送至CNC節點.其本地狀態信息包括各隊列當前利用率、各端口接收與發送的總分組數等.另外，通過周期性上報也可對各節點的同步精度進行驗證.

2) CNC節點對TSN交換節點進行遠程配置.CNC節點可將TSN節點的配置信息(MAC地址表、CQF調度時間片大小等)寫入Beacon幀中并通過數據通路(通過MAC地址與正常數據幀進行區分)發送到目的TSN節點.TSN節點收到該報文后對本地相關寄存器進行修改.

算法1.全網當前時間同步精度time_precision().

輸入:intN,inttime_stamp[N];

輸出:interror_range.

① while (i

②curr_frame=Beacon_recv();

③ if (curr_frame.seq==curr_seq) then

④sent_time[i]=time_stamp[i]-

curr_frame.recover_time;

⑤ else

⑥ continue;

⑦ endif

⑧ endwhile

⑨sort_desc(sent_time[i]);

⑩time_precision=sent_time[0]-

sent_time[N-1];

因此，Beacon在FlexTSN中支持2種CNC bridge的通信場景：周期性上報場景與寫寄存器場景.周期性上報場景如圖7(a)所示，Beacon協議支持TSN節點對本地參數(如規則表項、計數器等)向CNC集中控制節點以固定時間周期T進行上報.而寫寄存器場景如圖7(b)所示，支持CNC對TSN交換節點的流表規則、本地MAC地址進行寫入或配置，并在下一個周期收到一個特定的響應幀，表明寫入完成.需要注意的是，Beacon的寫報文采用“完全覆蓋”的方式對寄存器進行寫操作，即當TSN節點收到CNC寫報文時，使用報文中對應的寄存器值全部替換寄存器的當前值.該方式極大簡化了控制協議的設計.

Fig. 7 Communication scenario of CNC-bridge using NMAC protocol

由于Beacon幀基于PTP幀進行擴展，因此PTP幀中的時間信息可便于在CNC節點根據上報的Beacon幀計算當前PTP的同步精度.一種可行的方法是對CNC節點接收到的同一序列號的Beacon幀記錄時間戳，并將每個Beacon幀的時間戳減去Beacon幀中的修復時間域中的值，獲取實際發送時間.由于全網中的交換節點已通過PTP協議與CNC節點進行對時，因此，取所有發送時間，得到最大的差值即為當前全網的時間同步精度.其偽代碼如算法1所示.其中，N為當前網絡中交換節點數量，time_stamp為接收Beacon報文時CNC的本地時間戳.

Beacon幀基于PTP協議幀進行擴展，并利用PTP幀頭中的MsgType字段為0xE與0xF作為Beacon協議的上報幀與更新幀.另外，為了支持對盡可能多的本地狀態進行上報，Beacon幀將PTP幀從64 B擴展為144 B，并可根據用戶需求進行進一步擴展.

3.2 基于CQF的TSN輸出調度機制

基于CQF的輸出調度模型是目前TSN標準定義的可實現確定性交換延遲的一種轉發模型.在FlexTSN中，我們在EOS模塊中實現基于CQF模型的時間控制機制，提供一種基于FlexTSN的輸出調度模型示例，滿足用戶使用FlexTSN進行非輸出調度算法驗證的需求.

為了簡化CQF調度機制，從而便于用戶對調度機制進行重構，FlexTSN中對CQF機制進行2點簡化：

1) 簡化Queue Select模塊的入隊流控機制，使用令牌桶代替802.1Q-2014中的基于信用整形機制(credit based shaper, CBS)，從而減少用戶使用時需要配置的參數個數；

2) 使用4個輸出隊列(時間敏感乒乓隊列、帶寬預留隊列以及盡力轉發隊列)代替VLAN的PCP中定義的8種優先級隊列，從而在滿足不同優先級調度需求基礎上減小FPGA片上存儲資源的開銷.

為了保證針對高優先級流(PCP值為6或7)的確定性轉發，FlexTSN中采用時間片輪轉(時間片大小可由CNC節點進行實時配置)的方式在Gate Ctrl模塊中對2個高優先級乒乓隊列進行門控選擇.如圖8所示.即在奇(偶)數時間片調度Q3隊列輸出，Q2隊列不輸出；在偶(奇)數時間片調度Q2隊列輸出，Q3隊列不輸出.則可知，在一個N跳的網絡中，一個TSN分組的轉發延遲為((N-1)T，(N+1)T).該機制可以保證FlexTSN為用戶提供確定性時延的轉發需求.

Fig. 8 The schematic diagram of ping-pong output scheduling

4 原型驗證

為了對FlexTSN的相關性能與功能正確性進行驗證，我們基于OpenBox S4平臺[12]對FlexTSN進行了原型系統驗證，并對FAST架構下UM內部源碼進行了開源[14].本節分別對FlexTSN原型系統的硬件資源開銷、Beacon機制有效性以及簡化的CQF轉發模型的確定性交換效果進行FPGA系統驗證.

4.1 資源開銷分析與驗證

為了保證能夠運行在資源受限的FPGA上，并為用戶預留足夠資源用于自定義的算法驗證，FlexTSN在同一時鐘域中采取寄存器暫存而非FIFO的方式保證同步邏輯的時序控制，從而盡可能減小片上存儲資源的開銷.在FAST UM中，僅EOS模塊包含了4個寬度為24 b、深度為16 b的FIFO用于支持TSN交換的門控與輸出調度機制.基于OpenBox S4(采用Zynq7020 SoC)的一種FlexTSN的原型系統資源開銷如圖9與表2所示.

在基于OpenBox S4的FlexTSN原型系統中， LUT(look up table)與FF(flip flop)占比均不超過50%，資源開銷最高的BRAM也不超過59%.該數據證明FlexTSN在設計與實現上盡可能節省了資源開銷，有利于用戶基于FlexTSN對更加復雜的算法進行系統驗證.

Fig. 9 Resource consumption of FlexTSN based on Zynq7020

Table 2 Detailed Resource Consumption of FlexTSN ased on Zynq7020

4.2 PTP時間同步精度驗證

Fig. 10 The topology of FlexTSN testbed

本節對基于PTP的時間同步精度進行驗證，其驗證平臺如圖10所示.在該驗證平臺采用環形拓撲，共包含2～6個TSN交換節點，并外接1個CNC控制節點與攝像頭用于產生背景數據流量.主時鐘為6個交換節點中任意1臺，所有時間同步節點的FPGA時鐘頻率約束為125 MHz，時間同步的同步周期為200 μs.所有節點從同步后的零時刻開始，每間隔1 s向CNC節點上報1個Beacon幀，CNC節點根據第3節時間同步精度驗證算法得到當前全網的同步精度.

為了得到時間同步精度與接入節點數量的關系，我們在環形拓撲中接入共6個FlexTSN節點，并在0號節點的2號端口接入管理節點借助Beacon機制對時間同步精度進行檢查.實驗中通過攝像頭實時提供隨機的背景流量.實驗中，當主時鐘接收到各節點上報的Beacon幀時，對各節點與主時鐘(CNC節點)當前的同步精度進行檢查，Beacon幀的上報頻率設置為5 s.

各節點與主時鐘的時鐘同步偏移如圖11所示.總體上，各節點與主時鐘間的同步誤差不超過32 ns，并且絕大多數結果都處于(0 ns,16 ns)之間.這驗證了基于FlexTSN的時鐘同步機制的良好精度，以及通過FlexTSN中的Beacon機制驗證對時鐘同步精度進行驗證的可行性.

Fig. 11 The synchronized time precision of FlexTSN

4.3 簡化的CQF轉發模型驗證

在FlexTSN中，我們默認使用CQF模型支持的TSN的確定性轉發的需求，本節對該模型的確定性轉發效果進行驗證.

根據第3節相關部分，CQF模型可以保證時間敏感流的確定性的轉發.為了對基于FlexTSN的CQF調度轉發模型進行驗證，我們將時間槽設置為不同寬度，并使用開源網絡測試儀ANT[17]用于產生不同分組長度的TSN流，并對經過不同轉發設備數量的轉發延遲進行測量，從而驗證TSN流的端到端延遲能否達到((N-1)T，(N+1)T)的約束要求.

首先，我們使用測試儀連接0號與2號設備，從而保證由測試儀產生的TSN流僅經過2次CQF調度，使用測試儀產生長度為512 B的TSN流，并在重復實驗中通過Beacon協議將CQF調度時間槽設置為131.072 μs.根據CQF調度機制原理，TSN流的延遲應當在(T,3T)之間.而實驗中TSN流在該場景下的延遲如圖12所示:

Fig. 12 Latency of TSN frames between node 0 and node 2

由圖12顯示，經過2個節點轉發后產生的延遲全部位于(T,3T)之間，滿足CQF轉發的理論推導得到的延遲范圍.通過對不同大小報文(64 B～1 500 B)與不同節點數量(1～5)進行延遲測試，可以得到所有的轉發延遲都滿足CQF轉發的理論約束.

5 相關研究

2012年，IEEE 802.1的audio video bridging任務組[2]正式被TSN任務組代替[2].TSN的主要工作是定義在在標準以太網上提供確定性轉發服務的IEEE標準集合，目標是對“確定性以太網”技術進行標準化，滿足工業互聯網的需求.目前TSN任務組已經發布的標準中，IEEE 802.1AS[7]用于進行LAN內亞微秒級的時鐘同步；IEEE 802.1Qcc[9]設計分布式、集中式和混合式控制方式對流預約協議進行了規范；IEEE 802.1Qcr[9]中定義了per stream filter and policing[18](PSFP)機制進行逐流粒度的過濾與管控；IEEE 802.1Qbv[19]對多樣化流量的調度機制進行了規范；另外，IEEE802.1Qbu[20]提出了TSN中的幀剝奪機制，避免低優先級流傳輸對高優先級流(時間敏感流)的實時性造成影響.目前，TSN任務組已經完成了13項標準的制定[10]，仍有17項標準在制定過程中.因此，對TSN中相關關鍵技術的驗證尤為重要.

然而，到目前為止還缺少一種提供給研究人員的靈活的TSN交換模型，從而能夠快速搭建原型系統并基于此進行TSN關鍵技術的快速驗證.NetFPGA[11]是由斯坦福大學與劍橋大學開發的一種以太網原型系統驗證平臺.其在FPGA上提供了針對以太網的2層抽象，便于用戶基于verilog語言對分組進行處理.然而，NetFPGA并未針對TSN提供如時間同步、輸出調度之類的可重用模塊，使得基于NetFPGA進行TSN原型系統構建時間與工程開銷較大.FAST[12]是一種基于CPU-FPGA的軟硬協同的網絡原型開發框架，相比較NetFPGA，FAST提供了更清晰的軟硬件接口與模塊化抽象，并與特定的FPGA板卡進行了解耦.然而，FAST同樣未提供針對TSN原型系統敏捷開發與驗證的架構和可重用模塊支持.比如，根據FAST規范，時間同步將需要在UM模塊中進行開發，由于無法記錄從接口進入UM所需的時間，將會導致時間同步的準確性降低.因此，為了解決上述問題，FlexTSN針對FAST架構進行了重構，從而在FPGA平臺上支持針對TSN關鍵技術的敏捷驗證.

6 總 結

本文提出了一種基于FPGA的開源TSN驗證模型FlexTSN.FlexTSN基于FPGA實現了一種包含時間同步、分組交換、輸入調度、輸出調度與資源狀態管理功能的TSN交換節點原型系統，并且通過松耦合與模塊化設計，便于用戶對任意部分功能進行重構，從而支持TSN關鍵技術快速驗證.另外，FlexTSN還支持基于擴展的PTP協議的遙測機制，便于用戶對原型系統進行集中式的狀態采集和遠程調試.經過實驗驗證，FlexTSN能夠極大方便用戶基于FPGA對TSN關鍵技術進行敏捷驗證.