OpenTSN網(wǎng)卡實現(xiàn)模型（1）
發(fā)布時間：2020-03-16
TSN網(wǎng)卡是TSN網(wǎng)絡提供端到端確定性交換服務的關鍵設備。由于應用需求不同，TSN網(wǎng)卡連接的端系統(tǒng)計算平臺在計算能力，資源管理方法和通信需求等方面差異較大，因此設計盡可能滿足多種應用場景需求的TSN網(wǎng)卡是OpenTSN開源項目的重要目標。本文分析了不同TSN端系統(tǒng)的差異，提出了OpenTSN網(wǎng)卡與端系統(tǒng)松耦合的實現(xiàn)思路。
一、TSN端系統(tǒng)分析
我們認為TSN網(wǎng)卡連接的端系統(tǒng)節(jié)點主要分為三類，即I/O節(jié)點、計算節(jié)點以及支持云計算的虛擬化節(jié)點，如圖1所示。
圖1 TSN端系統(tǒng)的分類
其中I/O節(jié)點實現(xiàn)簡單，對成本、體積和功耗要求較高，通常沒有操作系統(tǒng)，難以面向TSN進行定制化設計；計算節(jié)點包含通用CPU和操作系統(tǒng)，TSN網(wǎng)卡可以通過修改驅動程序對TSN端系統(tǒng)的操作進行適配；而虛擬化節(jié)點主要面向邊緣計算或嵌入式云計算，需要對TSN網(wǎng)卡進行虛擬化，TSN網(wǎng)卡在提供確定性I/O的同時，還要支持I/O的虛擬化，實現(xiàn)不同應用之間網(wǎng)絡I/O的隔離。
每種TSN端系統(tǒng)的比較如下表所示。由于不同端節(jié)點具有不同的特點，在主機測和網(wǎng)卡側的TSN功能劃分差異較大，因此難以實現(xiàn)通用的TSN網(wǎng)卡設計。
值得關注的是，當TSN端節(jié)點為虛擬化平臺時，主機側會虛擬出多個具有獨立MAC和IP地址的節(jié)點。一方面提高了TSN網(wǎng)絡離線規(guī)劃的復雜性，另一方面給TSN端系統(tǒng)收發(fā)分組時的確定性保證帶來了新的困難。
二、OpenTSN網(wǎng)卡實現(xiàn)思路
為了最大限度適配不同類型的端系統(tǒng)，OpenTSN網(wǎng)卡與端系統(tǒng)主機側采用松耦合的方式，通過千兆以太網(wǎng)與端系統(tǒng)計算平臺進行連接，如圖2所示。與PCIe、SPI等連接方式相比，使用千兆以太網(wǎng)連接的優(yōu)點是：
（1）通信帶寬比SPI總線高，基本可滿足多種終端的通信帶寬需求；
（2）很多CPU已經(jīng)內(nèi)嵌千兆以太網(wǎng)，因此無需在主機側再增加新的網(wǎng)卡；
（3）網(wǎng)卡側存儲空間不會映射到主機側的存儲空間，不需要額外的驅動程序支持；
（4）對于虛擬化平臺，主機側可以選擇支持SR-IOV的網(wǎng)卡，主機內(nèi)部虛擬機/容器的交換可以不經(jīng)過TSN網(wǎng)卡實現(xiàn)。
圖2 OpenTSN網(wǎng)卡實現(xiàn)思路
除了采用松耦合的以太網(wǎng)物理連接外，OpenTSN網(wǎng)卡在邏輯功能上也實現(xiàn)了與主機側計算平臺的解耦，主要表現(xiàn)在：
（1）延時確定性保證機制的解耦
OpenTSN網(wǎng)卡通過內(nèi)設RX_buf/TX_buf，實現(xiàn)了端到端交換路徑上，應用與網(wǎng)卡間延時確定性保證與TSN網(wǎng)絡（發(fā)送網(wǎng)卡-TSN網(wǎng)絡-接收網(wǎng)卡）延時確定性保證機制之間的解耦。OpenTSN只需要保證從發(fā)送方網(wǎng)卡上的TX_buf到接收方網(wǎng)卡上RX_buf之間的延時確定性即可。
如果應用對通過計算平臺與網(wǎng)卡RX_buf/Tx_buf通信的延時有嚴格的確定性要求，可以通過定制優(yōu)化計算平臺的軟硬件實現(xiàn)確定性保證，與網(wǎng)卡無關。
（2）TSN功能到網(wǎng)卡的全卸載
端系統(tǒng)主機側不用針對TSN進行任何修改。在OpenTSN網(wǎng)卡上實現(xiàn)了TSN管理Agent，為全局規(guī)劃提供完整的，與端系統(tǒng)無關的資源抽象，并接受TSN網(wǎng)絡控制器對網(wǎng)卡的配置，包括RX/TX調(diào)度表配置，TSN流水線中的整型、調(diào)度和冗余控制等機制進行配置。
由于TSN功能全部卸載到網(wǎng)卡上，因此主機計算平臺的處理不需要全網(wǎng)同步的時間基準。
三、總結
網(wǎng)卡上RX_buf/Tx_buf的設置和Tx/Rx調(diào)度表設計對OpenTSN網(wǎng)卡與端系統(tǒng)解耦十分重要。這也是其他類型時間觸發(fā)通信（如TTP）實現(xiàn)通信控制器與主機消息交互的方法。
TSN邊緣注入時間規(guī)劃功能可通過RX調(diào)度控制Rx_buf中分組進入TSN流水線的時刻實現(xiàn)。同時，基于Tx調(diào)度，網(wǎng)卡也可以精確控制按指定時刻向計算平臺和應用提交接收到的分組。
圖2只給出了網(wǎng)卡處理時間觸發(fā)流量（scheduled Traffic）的方法，我們將在后續(xù)文章中進一步給出OpenTSN網(wǎng)卡同時支持時間觸發(fā)、AVB和BE流量的方法。
