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OpenTSN处置 方案

一、 序文

    在工业自动化系统 控制中,分别 的厂商在各自的细分范围 中有自己 的通讯 标 准和协议,有些虽然是基于传统以太网完成 ,但其为了支持自动化运用 对延时的 严酷 要求在传统以太网的基础 上附加了一些其他手艺 和机制,从而招致 各厂家的 协议互不兼容。是以 面临 分别 厂家的产品 在运转 、错误诊断、维护和存储时都市 存在诸多未便。
    随着工业物联网(IIoT)的兴起 和工业 4.0 的提出,如今 愈来愈 多的厂家开 始关注 TSN(Time Sensitive Networking,时间 敏感网络)。TSN 为以太网提供 确定性功用 ,并可以知足 分别 的数据流在一致 网络一致 传输,从而可以知足 工业 自动化严酷 的延时需求,并最终可使 的工业通讯 树立 一个一致 的基础 成为能够 。
    SDN 架构的控制平面 与数据平面 疏散机制便于集中管控工业网络的资源,可 以无邪 、合理的为分别 QoS 需求的买卖 分配分别 的网络资源集,提高 网络运用 率。SDN 和 TSN 手艺 的勾搭 可以提高 网络运用 率的同时保险 时间 敏感流的完成 实时需求,而且可以完成 集中式的网络控制、网络静态 妄想 与调治,是以 SDN 和 TSN 相勾搭 的方式能够 会是未来 工业网络的生长倾向 。

二、 TSN 处置 方案

    TSN 协议征求 了如 IEEE 802.1AS 时间 步同协议、802.1Qbv 妄想 流量增强 协 议、802.1Qci 流预留过滤协议以及 802.1Qcc 管理 控制协议等。虽然成套的 TSN 协议还在继续 扩展,成效 不时 刷新 ,但现有尺度提供了富厚的成效 选择。OpenTSN 处置 方案支持 802.1AS 协议、802.1Qbv 的 CQF 调治算法、802.1Qci 的盛行 列映 射其详细 完成 结构 如图 1 所示。
图 1 TSN 全体
完成
结构

图
图 1 TSN 全体 完成 结构 图
    OpenTSN支持如下成效 :
  • 其可以经过 设置 设置为交流装备 /端装备 ,也可以 经过 设置 选择是时钟同步的主或从;
  • 支持 802.1AS 1588 的时间 同步;
  • 支持 CQF 的调治、基于令牌桶的资源预留的流量控制;
  • 支持装备 端口时钟与主时钟的同步;
  • 支持分组报文透明 时间 的盘算;
OpenTSN 处置 方案为 FPGA 完成 ,其中模块可以凭证 用户的需求举行 添加 或删除即可以完成 用户需求的迅速定制。

2.1 OpenTSN 时间 同步处置 方案

    如图 2 所示,OpenTSN 的时间 同步处置 方案是 FPGA 硬件完成 的基于1588 的端到端的方式完成 时间 同步,同步精度可以抵达 100ns 以内,其中:
  • DMAX 模块用于判别 吸收 的报文能否 为 PTP 报文;
  • Manage_Ctrl 模块设置 该时钟作为主时钟或从时钟;
  • PTP_Ctrl 模块吸收 控制信息,并凭证 控制信息举行 照应 的处置赏罚 ;
  • Rx_proc 模块对吸收 的 PTP 报文举行 剖析 ,提取关键 字;
  • Tx_proc 模块凭证 要求结构 并发送 PTP 报文;
  • Cyc_sync 模块维持时钟计数器,存储 T1、T2、T3、T4 时间 值,而且完成时间 偏移量的盘算;
  • MAX模块用于会聚 PTP 的报文和 DMAX输入 的报文举行 控制转发;
图 1 TSN 时间

同步完成
方案
图 2 时间 同步完成 方案

2.2 OpenTSN透明 传输时间 盘算处置 方案

    OpenTSN 的透明 传输时间 (驻留时间 )是经过 在 PTP 报文输入 时记号 时间 戳,并在输入 时凭证 输入 时记号 的时间 戳与以后 时间 举行 对比 盘算,从 而盘算出 PTP 报文分组从端口输入 到端口输入 的驻留时间 ,如图 3 所示。
图 3 透明

传输时间

盘算处置

方案
图 3 透明 传输时间 盘算处置 方案

2.3 OpenTSN 流照射 及调治处置 方案

    流的照射 是凭证 分组的 Vlan 头的 PCP 域举行 行列照射 ,在 OpenTSN 的完成 中,凭证 其分组 PCP 值的分别 将其照射 为 3 个分别 的品级,即 7、6 优先级最高为 TSN 的时间 敏感流,5-3 为预定 带宽流、2-0 为起劲 转发流, 如图 4 所示。
    在流分组的处置赏罚 时,首先是将分组数据缓存到数据缓存内,将流分组的 形貌 信息封装到 Metadata 内举行 行列照射 转发。在照射 时 TSN 流是基于 CQF 的乒乓行列的方式 举行 输入 控制,即在偶时间 存入偶行列 Q2,奇时间 存入奇行列 Q3。在输入 调治时偶时间 调治奇行列的数据输入 ,奇时间 调治 偶行列数据输入 ,凭证 输入 时间 以及调治时间 的控制从而保险 了数据分组的 转发延时。资源预留分组的输入 是基于令牌桶算法完成 ,从而保险 了资源预 留流的带宽要求。另外 3 类数据流均以严酷 优先级的方式举行 输入 调治,即 TSN 时间 敏感流优先级最高,预定 带宽流次之,起劲 转发流最低。
图 4 流照射

及调治处置

方案
图 4 流照射 及调治处置 方案

2.4 SDN 与 TSN相勾搭 的完成 方案思索

    SDN 和 TSN 相勾搭 的完成 中,在原有 UM 中经过 拔出 报文剖析 和流 表搜索 模块完成 ,控制平面 经过 OpenFlow 协议向数据平台下发流表设置 。 硬件数据平面 首先对输入 的报文举行 剖析 职掌 ,并针对剖析 的效果 提取搜索 Key,流表搜索 模块则凭证 提取的Key值以及控制平面 下面 的规则举行 婚配 , 并输入 婚配 的搜索 效果 。凭证 流表的设置 规则如今 支持的 Action 征求 :端 口转发、扬弃 、转发给 CPU、添加 Vlan 头号 职掌 ,完成 结构 图如图 5 所示。 输入 控制中的端口调治完成 基于 2.3 方案完成 。
图 5 TSN 和 SDN 勾搭



完成
结构

图
图 5 TSN 和 SDN 勾搭 完成 结构 图
    Vlan 头的添加分两种情形 :
  1. 作为端系统 ,此方案为端系统 时经过 流的区分以及 OpenFlow 对流表规则的设置 确定流的优先级,从而完成 凭证 分别 优先级的流调治。
  2. 作为交流,输入 的时间 敏感流的报文应已经携带 Vlan 头(在端添加, 经过 妄想 可以提早 相识 其优先级以及转发途径 ),此成效 只对资源预 留和起劲 转发的流添加 Vlan 头,并举行 转发处置赏罚 。即对未举行 Vlan 头添加流报文添加 Vlan 头,已经添加则不举行 处置赏罚 。
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