TTE與TSN：不同設(shè)計哲學(xué)決定不同未來
發(fā)布時間：2019-08-29
TTE和TSN是目前實現(xiàn)確定性以太網(wǎng)交換的兩種主要途徑。由于TTE技術(shù)研究較早，SAE AS6802標準在IEEE 802.1 TSN工作組成立之前就已經(jīng)發(fā)布，因此在高端裝備（如航空航天、智能汽車等）研制領(lǐng)域，TTE成為確定性以太網(wǎng)交換的首選方案。隨著TSN標準規(guī)范的日漸成熟完善，相關(guān)芯片、軟件和整體解決方案不斷完善，能否在高端裝備制造領(lǐng)域中使用標準TSN技術(shù)取代TTE已經(jīng)成為令人關(guān)注的問題。
對于標準以太網(wǎng)，TTE和TSN在時間同步、可靠性和轉(zhuǎn)發(fā)延時保證等方面都進行了增強。轉(zhuǎn)發(fā)交換的延時保證機制是確定性交換的核心。TTE和TSN在延時保證方面不同的實現(xiàn)機制，反映了TTE和TSN具有不同的設(shè)計哲學(xué)。而設(shè)計哲學(xué)的差異可能預(yù)示了兩種技術(shù)不同的發(fā)展前景。
一、設(shè)計哲學(xué)差異
以太網(wǎng)自1973年發(fā)明，是計算機網(wǎng)絡(luò)50年發(fā)展史中可與IP相媲美的最為成功的技術(shù)之一。TTE和TSN都是架構(gòu)在標準以太網(wǎng)上的確定性交換技術(shù)，但TSN必將成為根正苗紅的“以太網(wǎng)2.0”,而TTE只有以太網(wǎng)的“形”，缺少以太網(wǎng)的“神”，隨著TSN技術(shù)的發(fā)展，必將被淘汰。
圖1是TTE實現(xiàn)機制（出自TTTech研究人員撰寫的論文[1]）和TSN802.1Qch定義的CQF機制在確定性交換實現(xiàn)機制方面的比較。
圖1確定性交換實現(xiàn)機制比較（a）TTE （b）TSN的CQF機制
對于TTE交換機，輸入接口收到TT分組后，會查找接收調(diào)度表，對比分組接收時間是否落在合法的接收窗口（w）內(nèi)，如果在窗口內(nèi)，則會得到一個分組緩沖區(qū)地址，將分組寫入RAM中的緩沖區(qū)。否則丟棄分組；在每個輸出接口，發(fā)送調(diào)度表中會配置RAM中每個分組的發(fā)送時間（T），當(dāng)發(fā)送時間到達時，輸出調(diào)度器從相應(yīng)的buf中讀取分組發(fā)送。接收調(diào)度表和發(fā)送調(diào)度表都是離線計算得到，分組轉(zhuǎn)發(fā)模型實際上是由接收和發(fā)送調(diào)度表控制的對RAM的讀寫操作。顯然，接收和發(fā)送調(diào)度表的規(guī)模以及RAM中緩沖區(qū)的個數(shù)都與TT流量的特性和負載相關(guān)。
對于支持CQF的TSN交換機，每個交換機內(nèi)部只需兩個按照乒乓隊列Q1和Q2，時間軸被簡單的劃分為奇數(shù)時槽S1和偶數(shù)時槽S2。輸入接口在奇數(shù)時槽S1接收的分組進入隊列Q1，在偶數(shù)時槽接收的分組進入隊列Q2。輸出接口調(diào)度的整型機制也十分簡單，S1時槽只能調(diào)度Q2中的分組，S2時槽只能調(diào)度Q1中的分組。顯然，當(dāng)時槽寬度為d時，如果交換機保證S1時槽接收的分組（進入Q1）在下一個S2時槽發(fā)送，而S2時槽接收的分組（進入Q2）在下一個S1時槽發(fā)送，那么分組在交換機中延時上界為2d，下界為0。分組在經(jīng)過K個這樣的交換機時，延時的上限為(K+1) *d，下限為(K-1) *d。
上述分析可知，TTE和TSN在實現(xiàn)上有一些明顯差異，如下表所示。
上述對比可見，TTE在設(shè)計時并沒有利用到作為網(wǎng)絡(luò)分組交換基礎(chǔ)的排隊論，沒有用隊列對應(yīng)用相關(guān)信息進行分類聚合，因此實現(xiàn)復(fù)雜度較高?；蛘哒f，TTE只用到了IEEE 802.3以太網(wǎng)的MAC層規(guī)范，而與IEEE 802.1定義的網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)機制無關(guān)。因此TTE交換機設(shè)計沒有相應(yīng)的規(guī)范可借鑒（這也是多數(shù)人認為TTE是TTTech“私有技術(shù)”的原因）。
與TTE不同，TSN交換的核心機制本身就是IEEE 802.1工作組制定的，是對802.1Q網(wǎng)橋協(xié)議的擴充和增強。TSN更加強調(diào)針對不同TSN應(yīng)用場景對輸出調(diào)度整型機制的擴充。因此TSN在轉(zhuǎn)發(fā)交換方面的所有工作都考慮與現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換前向兼容，可看作“以太網(wǎng)2.0”。
從另一個角度看，TTE是從分布式系統(tǒng)設(shè)計角度提出的，而TSN是從網(wǎng)絡(luò)角度提出的兩種不同的解決方案。一旦技術(shù)落地需要在交換芯片中實現(xiàn)，毫無疑問后者更具有優(yōu)勢。
二、發(fā)展前景預(yù)測
我們認為，未來5-10年TSN將會取代TTE，成為高端裝備制造領(lǐng)域主流的交換網(wǎng)絡(luò)方案。主要原因如下。
一是與TSN相比，TTE的優(yōu)勢在于時間同步。與IEEE 1588定義的PTP協(xié)議不同，TTE的時間同步不需要單一的主時鐘源（GrandMaster），是一種全分布的高可靠時間同步機制，支持多種故障模型。然而時間同步機制在交換實現(xiàn)中相對獨立。既然當(dāng)前TSN可以針對不同場景定義了不同的輸出機制（基于信用/時間感知/異步等），TSN也可以擴充支持多種時間同步機制，如需要外部時鐘源的時間同步機制（IEEE 1588）不需要外部時鐘源的內(nèi)部同步機制（AS6802）；
二是TSN交換實現(xiàn)機制前向兼容目前標準以太網(wǎng)的交換機制。在現(xiàn)有以太網(wǎng)交換芯片絕大多數(shù)邏輯保持不變情況下，只需增加時間同步和輸出接口整型邏輯即可支持TSN交換，因此容易被工業(yè)界接收；
此外，除了高端裝備制造領(lǐng)域外，TSN還會在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G前傳網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。特別是TSN將作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分被大力推廣，IEC/IEEE也正在聯(lián)合定義工業(yè)智能制造中TSN的應(yīng)用場景。未來市場更大，熟悉TSN的人才更多將是促進TSN技術(shù)發(fā)展的最根本的推動力。
參考文獻：
[1]Domi?tian T?amas?–Selicean，Paul Pop，WilfriedSteiner. Synthesis of Communication Schedules for TTEthernet-BasedMixed-Criticality Systems. CODES+ISSS’12, October 7–12, 2012, Tampere, Finland.
