一、 引言

    在工業(yè)自動化系統(tǒng)控制中，不同的廠商在各自的細分領域中有自己的通信標 準和協(xié)議，有些雖然是基于傳統(tǒng)以太網實現(xiàn)，但其為了支持自動化應用對延時的 嚴格要求在傳統(tǒng)以太網的基礎上附加了一些其他技術和機制，從而導致各廠家的 協(xié)議互不兼容。因此面對不同廠家的產品在運行、錯誤診斷、維護和存儲時都會 存在諸多不便。
    隨著工業(yè)物聯(lián)網（IIoT）的興起和工業(yè) 4.0 的提出，目前越來越多的廠家開 始關注 TSN（Time Sensitive Networking，時間敏感網絡）。TSN 為以太網提供 確定性性能，并可以滿足不同的數(shù)據(jù)流在同一網絡統(tǒng)一傳輸，從而可以滿足工業(yè) 自動化嚴格的延時需求，并最終可以使的工業(yè)通信創(chuàng)建一個統(tǒng)一的基礎成為可能。
    SDN 架構的控制平面與數(shù)據(jù)平面分離機制便于集中管控工業(yè)網絡的資源，可 以靈活、合理的為不同 QoS 需求的業(yè)務分配不同的網絡資源集，提高網絡利用 率。SDN 和 TSN 技術的結合可以提高網絡利用率的同時保證時間敏感流的實現(xiàn) 實時需求，并且可以實現(xiàn)集中式的網絡控制、網絡動態(tài)規(guī)劃與調度，因此 SDN 和 TSN 相結合的方式可能會是未來工業(yè)網絡的發(fā)展方向。

二、 TSN 解決方案

    TSN 協(xié)議包含了如 IEEE 802.1AS 時間步同協(xié)議、802.1Qbv 計劃流量增強協(xié) 議、802.1Qci 流預留過濾協(xié)議以及 802.1Qcc 管理控制協(xié)議等。雖然成套的 TSN 協(xié)議還在繼續(xù)擴展，功能不斷改進，但現(xiàn)有標準提供了豐富的功能選擇。OpenTSN 解決方案支持 802.1AS 協(xié)議、802.1Qbv 的 CQF 調度算法、802.1Qci 的流隊列映 射其具體實現(xiàn)結構如圖 1 所示。     OpenTSN支持如下功能：

• 其可以通過配置設置為交換設備/端設備，也可以通過配置選擇是時鐘同步的主或從；
• 支持 802.1AS 1588 的時間同步；
• 支持 CQF 的調度、基于令牌桶的資源預留的流量控制；
• 支持設備端口時鐘與主時鐘的同步；
• 支持分組報文透明時間的計算；

OpenTSN 解決方案為 FPGA 實現(xiàn)，其中模塊可以根據(jù)用戶的需求進行添加 或刪除即可以實現(xiàn)用戶需求的迅速定制。

2.1 OpenTSN 時間同步解決方案

    如圖 2 所示，OpenTSN 的時間同步解決方案是 FPGA 硬件實現(xiàn)的基于1588 的端到端的方式實現(xiàn)時間同步，同步精度可以達到 100ns 以內，其中：

• DMAX 模塊用于判斷接收的報文是否為 PTP 報文；
• Manage_Ctrl 模塊配置該時鐘作為主時鐘或從時鐘；
• PTP_Ctrl 模塊接收控制信息，并按照控制信息進行相應的處理；
• Rx_proc 模塊對接收的 PTP 報文進行解析，提取關鍵字；
• Tx_proc 模塊按照要求構造并發(fā)送 PTP 報文；
• Cyc_sync 模塊維持時鐘計數(shù)器，存儲 T1、T2、T3、T4 時間值，并且完成時間偏移量的計算；
• MAX模塊用于匯聚 PTP 的報文和 DMAX輸出的報文進行控制轉發(fā)；

2.2 OpenTSN透明傳輸時間計算解決方案

    OpenTSN 的透明傳輸時間（駐留時間）是通過在 PTP 報文輸入時標記 時間戳，并在輸出時根據(jù)輸入時標記的時間戳與當前時間進行對比計算，從 而計算出 PTP 報文分組從端口輸入到端口輸出的駐留時間，如圖 3 所示。

2.3 OpenTSN 流映射及調度解決方案

    流的映射是根據(jù)分組的 Vlan 頭的 PCP 域進行隊列映射，在 OpenTSN 的實現(xiàn)中，根據(jù)其分組 PCP 值的不同將其映射為 3 個不同的等級，即 7、6 優(yōu)先級最高為 TSN 的時間敏感流，5-3 為預約帶寬流、2-0 為盡力轉發(fā)流， 如圖 4 所示。
    在流分組的處理時，首先是將分組數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)緩存內，將流分組的 描述信息封裝到 Metadata 內進行隊列映射轉發(fā)。在映射時 TSN 流是基于 CQF 的乒乓隊列的形式進行輸入控制，即在偶時間存入偶隊列 Q2，奇時間 存入奇隊列 Q3。在輸出調度時偶時間調度奇隊列的數(shù)據(jù)輸出，奇時間調度 偶隊列數(shù)據(jù)輸出，根據(jù)輸入時間以及調度時間的控制從而保證了數(shù)據(jù)分組的 轉發(fā)延時。資源預留分組的輸出是基于令牌桶算法實現(xiàn)，從而保證了資源預 留流的帶寬要求。另外 3 類數(shù)據(jù)流均以嚴格優(yōu)先級的方式進行輸出調度，即 TSN 時間敏感流優(yōu)先級最高，預約帶寬流次之，盡力轉發(fā)流最低。

2.4 SDN 與 TSN相結合的實現(xiàn)方案思考

    SDN 和 TSN 相結合的實現(xiàn)中，在原有 UM 中通過插入報文解析和流 表查找模塊實現(xiàn)，控制平面通過 OpenFlow 協(xié)議向數(shù)據(jù)平臺下發(fā)流表配置。 硬件數(shù)據(jù)平面首先對輸入的報文進行解析操作，并針對解析的結果提取查找 Key，流表查找模塊則根據(jù)提取的Key值以及控制平面下面的規(guī)則進行匹配， 并輸出匹配的查找結果。根據(jù)流表的配置規(guī)則目前支持的 Action 包括：端 口轉發(fā)、丟棄、轉發(fā)給 CPU、添加 Vlan 頭等操作，實現(xiàn)結構圖如圖 5 所示。 輸出控制中的端口調度實現(xiàn)基于 2.3 方案實現(xiàn)。     Vlan 頭的添加分兩種情況：

1. 作為端系統(tǒng)，此方案為端系統(tǒng)時通過流的區(qū)分以及 OpenFlow 對流表規(guī)則的配置確定流的優(yōu)先級，從而實現(xiàn)根據(jù)不同優(yōu)先級的流調度。
2. 作為交換，輸入的時間敏感流的報文應已經攜帶 Vlan 頭（在端添加， 通過規(guī)劃可以提前了解其優(yōu)先級以及轉發(fā)路徑），此功能只對資源預 留和盡力轉發(fā)的流添加 Vlan 頭，并進行轉發(fā)處理。即對未進行 Vlan 頭添加流報文添加 Vlan 頭，已經添加則不進行處理。