OpenTSN：支持TSN技術研究和系統開發的開源項目
發布時間：2019-07-29
近年來，在工業互聯網和高端裝備制造領域，以太網代替傳統控制總線已成為一個重要發展趨勢。特別是隨著802.1 TSN（時間敏感網絡）標準逐漸完善，如何有效利用TSN網絡為應用提供確定性和高可靠的數據交換也逐漸成為學術界研究的新熱點。
一、OpenTSN研制的背景和目標
當前TSN關鍵技術研究受限于實驗環境搭建。主要原因是辦公環境和實驗室現有的以太網不支持TSN規范，而市場上采購的TSN交換設備也難以像SDN交換機一樣為研究提供開放的編程接口。因此TSN關鍵技術研究只能通過軟件仿真方法進行，學術界和工業界都迫切需要一個真實的、開放的、開源的TSN實驗環境，為TSN的確定性交換、可靠性保證、離線規劃調度和應用編程方法等機制的研究提供支撐。
OpenTSN是國防科技大學計算機學院FAST團隊基于FAST架構設計的TSN集成驗證環境，主要設計目標包括：
（1）基于FPGA實現支持802.1AS 、802.1Qbv，802.1Qch，802.1Qci等TSN核心功能的交換機原型；
（2）基于FPGA實現支持802.1AS 、802.1Qbv，802.1Qci等功能的TSN接口適配器，同時為時間敏感應用提供編程接口；
（3）基于上述FPGA交換機和適配器原型，搭建TSN實驗網絡；
（4）實現TSN網絡CNC控制器原型，支持對TSN網絡的離線規劃和配置；
（5）實現支持802.1AS 、802.1Qci和802.1Qbv的TSN測試儀原型，支持TSN數據流、BestEffort背景流的發送、接收和性能統計；
（6）實現TSN網絡遠程遙測功能，可微觀觀測TSN網絡時間同步狀態，交換機內部隊列狀態等，為TSN核心實現機制評估提供關鍵數據；
（7）實現TSN網絡與IP網絡的網關功能；
上述工作中，FPGA平臺基于成熟的Openbox-S4平臺。平臺無關的軟硬件代碼全部開源，同時希望國內相關單位一起參與開發。
二、OpenTSN環境組成
OpenTSN環境的組成如圖1所示。主要由9個Openbox-S4平臺，4臺Linux主機和1個網絡攝像頭組成。
其中6個Openbox-S4配置成4端口TSN交換機，并組成一個環形TSN網絡。另外3個Openbox-S4分別實現TSN測試儀、流量分析器和TSN網關功能。4個Linux終端分別運行TSN網絡的CNC軟件，Insight軟件（TSN網絡內部狀態觀測分析），TSN測試儀控制軟件和攝像頭視頻顯示軟件。
TSN測試儀參與TSN網絡的時間同步，同時模擬三個TSN接口適配器，由測試儀控制器上的軟件模擬產生TSN流量的應用。TSN測試儀同時接收TSN流量，對TSN流量交換的延時進行分析。
每個交換機的3號口為TAP口，會將進出的流量打上時間戳送流量分析器。流量分析器對流量進行過濾處理后，送給TSN-Insight進行統計分析。每個TSN交換機內嵌Beacon機制，固定時間（如每1ms）將交換機內部的各種狀態（同步，隊列，計數器等）發送給Insihgt軟件進行分析和顯示。
圖1 OpenTSN的組成
基于課題組在FAST基礎架構（FAST流水線，FAST軟件驅動、FAST編程庫），Openbox-S4平臺（基于Zynq FPGA平臺的FPGA OS），FAST-ANT測試儀（用戶可編程的網絡測試儀），1588/PTP時間同步，CQF轉發模型和TSN-Insight等方面的前期積累，目前OpenTSN環境的主要功能已經可以運行，實驗環境如圖2所示。
圖2 OpenTSN原型
關于FAST開源項目體系結構，Openbox-S4平臺，OpenTSN交換機實現原理和FAST-ANT測試儀等信息，可以關注“FAST開源社區”公眾號通過歷史文章中獲取。
OpenTSN代碼已經由碼云（gitee）進行托管。OpenTSN代碼的組織與共享方式、初步的運行測試結果等信息將在后續文章中介紹。
