基于FAST的TSN交換（8）TSN網(wǎng)絡(luò)的集中式資源管理
發(fā)布時(shí)間：2019-1-29
資源預(yù)約和分配是網(wǎng)絡(luò)保證服務(wù)質(zhì)量的前提。TSN網(wǎng)絡(luò)中有兩種類(lèi)型的服務(wù)質(zhì)量保證，一是帶寬預(yù)約流量（如音頻視頻流），一種是周期性的時(shí)間敏感流量。為保證這些流量的服務(wù)質(zhì)量，一方面需要在包含網(wǎng)絡(luò)接口適配器和交換機(jī)的端到端路徑上進(jìn)行資源預(yù)留，另一方面需要TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器對(duì)預(yù)約資源流量進(jìn)行整形和過(guò)濾，避免超出預(yù)約的流量通過(guò)UNI接口進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其他正常流量產(chǎn)生影響。因此，TSN網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)離線的資源預(yù)約和規(guī)劃結(jié)果，對(duì)交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)接口適配器上的資源進(jìn)行相應(yīng)配置。
一、TSN網(wǎng)絡(luò)的配置管理概述
（1）面向預(yù)約帶寬流量的資源管理
目前TSN網(wǎng)絡(luò)支持兩種類(lèi)型流量的服務(wù)質(zhì)量保證，分別為預(yù)約帶寬的流量和周期調(diào)度的時(shí)間敏感流量。
預(yù)約帶寬流量主要針對(duì)音視頻應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸，需要在保證帶寬的同時(shí)，是的傳輸延時(shí)不超過(guò)最大限制，例如音頻流量延時(shí)不超過(guò)10ms，視頻流量延時(shí)不超過(guò)100ms。TSN交換機(jī)在數(shù)據(jù)平面為預(yù)約帶寬流量提供基于信用的整形器（Credit based shaper）機(jī)制，控制平面采用流資源預(yù)約協(xié)議SRP （802.1Qat）動(dòng)態(tài)的預(yù)約網(wǎng)絡(luò)資源。
TSN工作組為T(mén)SN網(wǎng)絡(luò)的配置管理定義了SRP協(xié)議。802.1Qat定義的SRP協(xié)議類(lèi)似互聯(lián)網(wǎng)中的RSVP，發(fā)送方首先定義流量的規(guī)范Tspec，包括最大分組尺寸和帶寬等信息，然后從發(fā)送方開(kāi)始向接收方發(fā)送預(yù)約資源的消息（包含流ID，流規(guī)范Tspec，分組MAC地址，VLAN ID和優(yōu)先級(jí)等信息），在沿途的交換設(shè)備上預(yù)約信息。
由于傳統(tǒng)基于總線的列車(chē)通信系統(tǒng)難以滿足要求。2014年，國(guó)際電工委員會(huì)頒布了IEC61375 2-5（以太列車(chē)骨干網(wǎng)，ETB）和IEC61375 3-4（以太列車(chē)組成網(wǎng)，ECN），將以太網(wǎng)應(yīng)用于高速列車(chē)。將列車(chē)網(wǎng)絡(luò)骨干帶寬從1.5M左右提升到100M，以求滿足列車(chē)網(wǎng)絡(luò)高帶寬交換需求。
（2）面向時(shí)間敏感流量的資源管理
時(shí)間敏感流量主要針對(duì)周期性產(chǎn)生的關(guān)鍵控制信息，數(shù)據(jù)平面通過(guò)循環(huán)隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)CQF（802.1Qch）整形機(jī)制以及基于時(shí)間的門(mén)控邏輯（802.1Qbv）保證端到端信息傳遞的確定性延時(shí)。在控制平面采用基于集中控制器的流配置（802.1Qcc）方式對(duì)端到端交換路徑進(jìn)行資源預(yù)約。
802.1Qcc是對(duì)SRP協(xié)議的擴(kuò)展，除了可以支持更多數(shù)目的流資源預(yù)約外，還支持集中的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)集中的網(wǎng)絡(luò)控制器CNC（Central Network Controller）通過(guò)集中計(jì)算（交換路徑、資源需求和調(diào)度參數(shù)）和配置交換設(shè)備，以便支持周期性調(diào)度的時(shí)間敏感流量。
（3）針對(duì)特定場(chǎng)景的資源管理優(yōu)化
對(duì)于特定的規(guī)模有限的封閉平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，如列車(chē)骨干網(wǎng)絡(luò)，車(chē)載網(wǎng)絡(luò)等，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對(duì)固定，關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流特點(diǎn)（如關(guān)鍵攝像頭的視頻流信息，關(guān)鍵傳感器的周期性控制信息）相對(duì)固定，不會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生較大變化，對(duì)于這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)可以采用離線規(guī)劃的方式靜態(tài)的分配網(wǎng)絡(luò)資源，可以大大簡(jiǎn)化資源管理的復(fù)雜性。
二、TSN網(wǎng)絡(luò)資源管理軟件框架
（1）基于SDN的資源管理方式
SDN技術(shù)的發(fā)展和成熟為網(wǎng)絡(luò)細(xì)粒度管控提供了新的手段。轉(zhuǎn)發(fā)控制分離，集中管理和數(shù)據(jù)平面可編程是SDN的重要特點(diǎn)。TSN可以利用SDN思想實(shí)現(xiàn)有效的資源管理，主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
一是802.1Qcc提出的集中計(jì)算和配置的CNC控制器模型與SDN集中管理模型十分契合，因此可以利用SDN網(wǎng)絡(luò)提供的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行資源管理，如使用SDN控制器提供的設(shè)備管理功能，利用標(biāo)準(zhǔn)的openflow通道實(shí)現(xiàn)CNC與被管設(shè)備的通信等。
二是在SDN管理框架下，資源管理軟件可方便的獲取TSN網(wǎng)絡(luò)的其他信息，例如當(dāng)CNC以SDN北向接口應(yīng)用形式實(shí)現(xiàn)時(shí)，可利用SDN控制器提供的REST API獲取TSN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒌取?
（2）TSN資源管理軟件
我們提出的TSN網(wǎng)絡(luò)資源管理軟件的架構(gòu)如下圖所示。自上至下包含配置需求管理，全局資源分配和設(shè)備資源配置三個(gè)層次。TSN資源管理軟件作為SDN控制器上的北向接口應(yīng)用，與交換管理，安全管理和日志管理等應(yīng)用并列，同時(shí)利用SDN控制器的設(shè)備管理和南向接口協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備（含網(wǎng)絡(luò)接口適配器和交換機(jī)）進(jìn)行通信。
圖1 基于SDN的TSN網(wǎng)絡(luò)資源管理軟件架構(gòu)
配置需求管理主要保存設(shè)備資源狀態(tài)，應(yīng)用預(yù)約狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)信息。其中設(shè)備資源狀態(tài)信息可通過(guò)設(shè)備資源描述信息獲取，應(yīng)用預(yù)約狀態(tài)信息可通過(guò)離線配置或者動(dòng)態(tài)協(xié)議獲?。═SN實(shí)驗(yàn)環(huán)境開(kāi)發(fā)暫不考慮類(lèi)似SRP的動(dòng)態(tài)預(yù)約協(xié)議），而TSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒖梢噪x線配置，也可以通過(guò)REST API從SDN控制器獲取。
全局資源分配是資源管理軟件的核心，主要功能是將一條用戶預(yù)約的流映射到端到端交換路徑上，并根據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量要求，為其分配交換路徑上每個(gè)設(shè)備上的資源。映射算法需要考慮的因素及約束條件很多，理論上可證明為NP完全問(wèn)題。詳見(jiàn)下表。
需要注意的是，在集中的TSN網(wǎng)絡(luò)資源管理模型下，為每條帶寬預(yù)約的流分配一個(gè)全局流ID對(duì)簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度十分重要。在數(shù)據(jù)平面，網(wǎng)絡(luò)接口適配器實(shí)現(xiàn)分組到全局流ID的映射和標(biāo)記（例如將全局流ID攜帶在VLAN tag中），交換設(shè)備可將全局流ID作為轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。在控制平面，直接使用流ID可以簡(jiǎn)化流分類(lèi)查表得復(fù)雜性，提升處理性能。
三、TSN設(shè)備的資源管理抽象
基于SDN的集中資源管理需要對(duì)TSN設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)平面的資源管理機(jī)制進(jìn)行抽象。一方面可以向控制軟件屏蔽硬件實(shí)現(xiàn)的差異，另一方面可以直接使用SDN控制器的openflow等南向接口協(xié)議對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。
由于TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器實(shí)現(xiàn)的服務(wù)質(zhì)量保證機(jī)制與TSN交換機(jī)基本相同，因此網(wǎng)絡(luò)接口適配器與交換機(jī)使用相同的資源管理抽象，如下表所示。注意在表中沒(méi)有列出與服務(wù)質(zhì)量保證相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可根據(jù)需要添加。
由于FAST交換模型可方便的在現(xiàn)有流水線中插入新的模塊以支持TSN交換，因此集中的TSN資源管理軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口適配器和交換機(jī)的資源配置管理實(shí)現(xiàn)十分簡(jiǎn)單，我們將在后續(xù)的文章中介紹。
