TSN網絡實現确定性的(de)分組交換不但需要TSN交換機(jī)，TSN接口适配器以及管理(lǐ)控制系統配合實現，而且必須能夠清晰的(de)給出時間敏感流量的(de)規範特性。由于TSN技術發展迅速，新标準和(hé)修訂不斷湧現，特别是面向特定行(xíng)業的(de)解決方案差異較大，因此不同廠商(shāng)的(de)TSN設備互聯互通十分困難。TSN解決方案提供商(shāng)必須提供TSN網絡整套解決方案，在研制TSN交換機(jī)同時，必須提供配套的(de)網絡接口适配器和(hé)控制軟件的(de)方案。 一(yī)、TSN網絡接口适配器的(de)特點    （1）與商(shāng)用網卡的(de)比較
     由于TSN網絡具有(yǒu)明顯的(de)行(xíng)業特點，不同場景下的(de)TSN交換具有(yǒu)不同的(de)網絡接口和(hé)鏈路，資源預約方式，時間同步方式，故障冗餘等要求，特别的(de)TSN定義了與标準以太網不同的(de)UNI接口，因此構建TSN網絡不能使用标準的(de)網絡接口适配器，必須進行(xíng)針對性的(de)定制。
TSN網絡接口适配器與标準網卡的(de)比較如(rú)下表所示。    （2）TSN接口适配器實現模型
     TSN接口适配器實現需要考慮外部接口定義以及內(nèi)部處理(lǐ)模型兩方面，如(rú)下圖所示。TSN接口适配器的(de)接口包含與結點CPU連接的(de)接口，與網絡連接的(de)接口（UNI）以及與配置管理(lǐ)系統連接的(de)接口。      通常TSN接口适配器與控制計算機(jī)CPU的(de)接口為(wèi)PCIe接口，可(kě)保證較大的(de)傳輸帶寬和(hé)較小的(de)延時，與傳感器/控制器節點連接的(de)接口為(wèi)以太網接口（适配器與控制器/傳感器物理(lǐ)分離(lí)）或內(nèi)部總線接口（适配器與傳感器/控制器深度集成在一(yī)個SOC系統內(nèi)）。      TSN适配器與網絡為(wèi)标準的(de)以太網接口，本文後續将會對UNI接口進行(xíng)詳細分析。而對TSN接口适配器的(de)配置管理(lǐ)接口可(kě)采用多樣化的(de)實現方式，既可(kě)以通過CPU接口，由驅動程序對适配器進行(xíng)管理(lǐ)控制，也可(kě)以通過UNI接口，由外部的(de)集中控制器對适配器進行(xíng)控制。在特定環境中，TSN網絡還可(kě)以采用獨立的(de)總線對接口适配器的(de)管理(lǐ)甚至是時間同步進行(xíng)控制。      TSN适配器內(nèi)部邏輯除了比較直觀和(hé)标準的(de)“分類标記整形與調度”，“時間同步”，“配置管理(lǐ)”外，還包含“冗餘控制”和(hé)“應用加速”兩部分。
冗餘控制是根據TSN網絡特定應用場景的(de)需求确定的(de)，例如(rú)在艦船上特定應用場景需要支持冗餘接入備份的(de)雙口功能。 應用加速功能是擴充網絡适配器功能，使之具有(yǒu)類似智能網卡的(de)應用加速功能，以便減小TSN網絡結點體積和(hé)功耗對特定應用的(de)加速。一(yī)個典型的(de)場景是将高(gāo)分辨攝像頭通過TSN适配器接入網絡，适配器不但能根據攝像頭的(de)數據流規範向網絡預約資源，保證采集數據傳輸的(de)質量，還可(kě)以利用可(kě)編程資源，在數據傳輸前完成視(shì)頻采集數據的(de)編解碼和(hé)內(nèi)容加解密等處理(lǐ)。這類功能雖然與TSN無關，但可(kě)以對全系統整體的(de)處理(lǐ)效率、功耗和(hé)體積進行(xíng)優化，特别适合汽車、飛(fēi)機(jī)和(hé)衛星上數據采集和(hé)計算分析的(de)場景。 二、TSN網絡的(de)用戶網絡接口（UNI）設計 UNI定義了TSN端節點與網絡的(de)接口規範，從物理(lǐ)層的(de)接口速率，線纜長(cháng)度，時間同步，到鏈路層的(de)資源預約和(hé)故障冗餘等機(jī)制都需要進行(xíng)針對性設計。    （1）UNI接口速率
     目前工業環境下TSN網絡鏈路主要采用100M以太網和(hé)1G以太網，對10/100/1000以太網速率的(de)自(zì)動協商(shāng)并沒有(yǒu)明确的(de)要求。一(yī)方面是因為(wèi)網絡是封閉和(hé)确定的(de)，其中接入節點的(de)帶寬可(kě)以預先規劃；另一(yī)方面是不确定的(de)鏈路協商(shāng)速率使得網絡延時和(hé)帶寬難以預知，增加了确定性管理(lǐ)的(de)複雜性。因此TSN接口适配器在設計時可(kě)以根據需求固定網絡接口的(de)速率，使用簡單的(de)MAC層處理(lǐ)邏輯，而無需支持接口速率的(de)自(zì)适應。    （2）UNI接入電纜長(cháng)度
     TSN網絡UNI設計時一(yī)個比較容易忽略的(de)問題時TSN網絡中網線的(de)長(cháng)度。假設信号在光纖和(hé)電纜上傳輸的(de)速度為(wèi)每秒30萬公裏（由于存在分布電感和(hé)電容，電信号在電纜中傳輸速度一(yī)般按照20萬公裏估算），那麽30m的(de)傳輸延時約為(wèi)100ns左右。因此為(wèi)了提升時間同步精度，TSN網絡在規劃時必須考慮電纜長(cháng)度。如(rú)果接口适配器接入網絡的(de)接入電纜長(cháng)度無法确定，那麽可(kě)以考慮采用IETF Detnet工作組提出的(de)大規模網絡确定性轉發的(de)方案，放松對時間同步的(de)要求。    （3）UNI的(de)資源預約
     TSN保證确定性交換的(de)前提就是提前有(yǒu)一(yī)個類似“高(gāo)鐵運行(xíng)時刻表”的(de)規劃圖，生成這個規劃圖分為(wèi)在線兩種和(hé)離(lí)線方式。在線規劃方式要求TSN網絡接口支持類似802.1Qat和(hé)802.1Qcc協議，動态的(de)為(wèi)時間敏感業務預約網絡資源，其優點是支持網絡節點的(de)動态加入和(hé)退出以及可(kě)變的(de)時間敏感業務傳輸需求，但這大大增加了TSN網絡接口驅動的(de)複雜性。      離(lí)線規劃方式主要針對時間敏感業務傳輸需求是固定的(de)封閉網絡，例如(rú)工廠車間的(de)現場控制網絡，列車骨幹網絡和(hé)汽車車載網絡等。這些網絡的(de)網絡接口不需采用動态協議向網絡預約資源，十分适合計算和(hé)存儲能力都十分有(yǒu)限的(de)傳感器和(hé)控制器接入TSN網絡。      離(lí)線資源預約隻适用于滿足局域網內(nèi)部交換的(de)确定性，在更大區域範圍內(nèi)跨網關或路由器的(de)确定性轉發控制必須采用其他的(de)技術，如(rú)2015年(nián)IETF成立的(de)Detnet（确定性網絡）工作組提出的(de)L3網絡中的(de)确定性保證機(jī)制，當然目前Detnet相關規範還在草(cǎo)案階段，與TSN相比，更加不夠成熟。    （4）UNI時間同步
     雖然近年(nián)來一(yī)些IETF Detnet工作組針對大規模網絡提出了不需要時間同步的(de)确定性轉發方案，但這些會大大增加網絡接口和(hé)交換對時間槽标記和(hé)映射的(de)複雜性，難以在局域網中部署。因此TSN網絡接口适配器必須支持1588時間同步機(jī)制。      當前一(yī)些商(shāng)用網卡如(rú)i350，82559，x550等支持1588PTP協議。但由于這些網卡的(de)時間同步實現必須驅動參與，例如(rú)生成follow up同步幀，因此需要占用計算和(hé)存儲資源，難以支持較高(gāo)頻率的(de)時間同步，同步精度難以保證。條件許可(kě)情況下，TSN網絡接口适配器應由硬件實現全部的(de)時間同步功能。    （5）UNI故障冗餘
     除了具有(yǒu)确定性延時外，确保分組不丢包的(de)可(kě)靠傳輸也是TSN的(de)重要目标。TSN 802.1CB規範定義了為(wèi)了确保可(kě)靠傳輸的(de)幀複制和(hé)消除機(jī)制，基本思想是從TSN網絡接口就将數據流劃分成不同的(de)子(zǐ)流，不同的(de)子(zǐ)流通過網絡中不同的(de)路徑進行(xíng)傳輸，在子(zǐ)流的(de)彙聚點再進行(xíng)重複分組的(de)丢棄，以避免路徑故障帶來的(de)分組丢失。因此，TSN網絡接口适配器必須支持多個冗餘的(de)網絡接口接入網絡，并可(kě)根據需求支持802.1CB等協議的(de)處理(lǐ)。      後續我們會對基于FAST架構和(hé)Zynq FPGA的(de)TSN接口适配器的(de)設計思路和(hé)實現技術進行(xíng)分析，歡迎繼續關注。