這篇文章聊一聊TSN在融合SDN和5G場(chǎng)景下控制平面的實(shí)現(xiàn)。本文首先描述這三種技術(shù)融合的場(chǎng)景與需求，然后介紹時(shí)延敏感的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Time-Sensitive Software-Defined Network, TSSDN)的思想，最后總結(jié)TSSDN的兩種實(shí)現(xiàn)方式和三大實(shí)現(xiàn)步驟。

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一.場(chǎng)景與需求

超可靠低時(shí)延(URLLC)是5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景之一，比如在工業(yè)4.0中，工業(yè)企業(yè)應(yīng)用上云，工廠車(chē)間的物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(CPS)傳出的時(shí)延敏感流量(比如報(bào)警信息、控制命令)需要經(jīng)過(guò)5G接入、5G前傳網(wǎng)、5G核心網(wǎng)到達(dá)云數(shù)據(jù)中心，通過(guò)IT和OT融合賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化、柔性化的智能制造。同時(shí)，該場(chǎng)景也同樣適用于遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、VR游戲等業(yè)務(wù)應(yīng)用，不同的業(yè)務(wù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片的方式進(jìn)行硬管道隔離。

在組網(wǎng)設(shè)備上，5G前傳網(wǎng)主要由TSN交換機(jī)組成，而核心網(wǎng)內(nèi)既有TSN交換機(jī)又有SDN交換機(jī)，如何通過(guò)統(tǒng)一的控制平面對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行管控，并保證超可靠低時(shí)延的特性，就成了現(xiàn)在亟需解決的問(wèn)題，從而也產(chǎn)生了SDN融合5G和TSN的技術(shù)需求。下面就分別對(duì)SDN架構(gòu)和TSN控制平面進(jìn)行介紹和分析。

二.SDN與TSN

SDN架構(gòu)：

經(jīng)典的SDN架構(gòu)如下圖所示，有數(shù)據(jù)面、控制面、管理面這三大平面和南向接口、北向接口這兩大接口。SDN首先將數(shù)據(jù)面和控制面進(jìn)行分離，然后通過(guò)南向接口接入數(shù)據(jù)面，獲得網(wǎng)絡(luò)全局視圖，從而實(shí)現(xiàn)集中式管控，最后基于抽象的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程。

TSN控制平面架構(gòu)：

TSN的802.1Qcc協(xié)議討論了TSN控制平面的架構(gòu)，有全分布式、分布式用戶(hù)管理和集中式網(wǎng)絡(luò)控制、全集中式三種方案，如下圖所示，當(dāng)前主要采用第3種全集中式的架構(gòu)，CUC是中心化用戶(hù)配置，相當(dāng)于編排器，負(fù)責(zé)采集終端業(yè)務(wù)的帶寬時(shí)延抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量需求，并將其轉(zhuǎn)換后通過(guò)北向接口發(fā)給CNC，CNC是中心化網(wǎng)絡(luò)控制，相當(dāng)于控制器，包含計(jì)算拓?fù)渎窂降染W(wǎng)絡(luò)功能、并通過(guò)南向接口下發(fā)更新門(mén)控列表等配置信息給TSN交換機(jī)。

由于802.1Qcc只提供了方案模型，但沒(méi)有提供具體的實(shí)現(xiàn)方式，所以采用何種規(guī)范的南向接口協(xié)議，將哪些TSN的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)功能抽象到控制平面，實(shí)現(xiàn)怎樣的可編程TSN應(yīng)用，是TSSDN需要考慮的核心內(nèi)容。

三.TSSDN兩種實(shí)現(xiàn)方式

目前有“TSSDN網(wǎng)關(guān)”和“TSSDN統(tǒng)一”兩種實(shí)現(xiàn)方式，網(wǎng)關(guān)是指通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換將TSN和SDN域進(jìn)行互連互通，統(tǒng)一是指直接在一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)實(shí)現(xiàn)TSN協(xié)議和SDN功能。很顯然，網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)會(huì)更快更容易一些，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上才能更好的實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

TSSDN網(wǎng)關(guān)：

在TSSDN網(wǎng)關(guān)模型中，TSN和SDN使用通用的網(wǎng)絡(luò)抽象層(比如MAC學(xué)習(xí)、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、路徑計(jì)算)，但使用各自的控制平面、數(shù)據(jù)平面和安全策略。

首先，SDN域并不支持TSN相關(guān)的時(shí)延抖動(dòng)保障技術(shù)，以使用OpenFlow為南向接口為例，則只能用OpenFLow現(xiàn)有的Queuing隊(duì)列進(jìn)行簡(jiǎn)單的流量調(diào)度，以及使用Meter計(jì)量表進(jìn)行速率限制來(lái)盡量保障TSN域傳來(lái)業(yè)務(wù)的QoS。

其次，由于各自所使用的協(xié)議和接口不同，網(wǎng)關(guān)還需要涉及到協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU，Protocol Data Unit)的轉(zhuǎn)換，即重寫(xiě)傳入數(shù)據(jù)包的包頭字段，比如修改VLAN中的PCP(Priority Code Point)字段實(shí)現(xiàn)域間的優(yōu)先級(jí)映射，再比如進(jìn)行NAT網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換等。

此外，還需要考慮安全功能，比如接入控制、身份驗(yàn)證、授權(quán)和加密等。工廠企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)有很高的安全要求，企業(yè)應(yīng)用上云后，為保證數(shù)據(jù)不被劫持、泄露、篡改、損毀，需要各種網(wǎng)絡(luò)安全策略以及故障冗余等保護(hù)措施。不同的安全策略需要在TSSDN網(wǎng)關(guān)中得到統(tǒng)一的轉(zhuǎn)譯和有效的實(shí)施。

TSSDN統(tǒng)一：

在TSSDN同一模型中，TSN和SDN不僅使用相同的網(wǎng)絡(luò)抽象層(路徑管理、拓?fù)涔芾怼⒉呗怨芾?，還使用統(tǒng)一的控制平面和數(shù)據(jù)平面，即北向接口REST API要支持SRP流預(yù)留協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)OPC UA的發(fā)布-訂閱模式，控制器要新添CUC、CNC等網(wǎng)絡(luò)功能組件，要能通過(guò)OpenFlow、Netconf等接口對(duì)TSN交換機(jī)下發(fā)流表和配置。具體的Yang模型定義可參考TSN工作組的的如下標(biāo)準(zhǔn)草案：

• 802.1Qcp(Bridges and Bridged Networks Amendment: YANG Data Model).
• 802.1Qcw(YANG Data Models for Scheduled Traffic, Frame Preemption, and Per-Stream Filtering and Policing).
• 802.1Qcx(YANG Data Model for Connectivity Fault Management).

四.TSSDN三大實(shí)現(xiàn)步驟

按照SDN的三平面兩接口架構(gòu)，由于TSN的數(shù)據(jù)面已經(jīng)基本完善，目前已有可商用的TSN交換機(jī)，同時(shí)北向接口API可任意選用，TSSDN還剩南向接口、控制面、編排面需要討論和實(shí)現(xiàn)。TSSDN實(shí)現(xiàn)的三大步驟為：實(shí)現(xiàn)適配的南向接口，實(shí)現(xiàn)TSN控制功能，實(shí)現(xiàn)可編程TSN應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)適配的南向接口

南向接口可以采用OpenFlow和Netconf，OpenFLow保持協(xié)議不變，完成流表下發(fā)等功能，對(duì)于TSN相關(guān)協(xié)議的配置和更新，可采用Netconf對(duì)接口(需要修改很多的匹配字段)后進(jìn)行下發(fā)。Netconf協(xié)議(RFC 6241)規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的Netconf Server和控制器中的Netconf Client組件，在Server端，配置被存儲(chǔ)在配置數(shù)據(jù)庫(kù)中，客戶(hù)端可以通過(guò)RPC(Remote Procedure Call)的方式進(jìn)行g(shù)et-config和edit-config這樣的操作。比如可以通過(guò)edit-config對(duì)SRP流預(yù)留資源進(jìn)行實(shí)時(shí)建立和釋放，以及對(duì)門(mén)控列表進(jìn)行修改。

實(shí)現(xiàn)TSN控制功能

接下來(lái)是本文的重頭戲，貼一張圖片總結(jié)一下TSN中最主要的幾個(gè)協(xié)議和功能。簡(jiǎn)單的說(shuō)，有了這四個(gè)協(xié)議：①先進(jìn)行全網(wǎng)設(shè)備時(shí)鐘同步，②然后對(duì)流進(jìn)行端到端的帶寬分配和資源預(yù)留，③再對(duì)入端口流量進(jìn)行過(guò)濾，④對(duì)出端口流量進(jìn)行門(mén)控隊(duì)列調(diào)度整形，就基本能保證時(shí)延敏感流的確定性時(shí)延和抖動(dòng)需求。將這四個(gè)功能移到控制面，也是目前大家討論得比較多的點(diǎn)。

考慮具體的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，我畫(huà)了一張TSN交換機(jī)內(nèi)部的流量處理流程視圖，包含從入端口過(guò)濾，查找轉(zhuǎn)發(fā)，到出端口隊(duì)列門(mén)控整形、幀搶占、物理層傳輸?shù)囊幌盗羞^(guò)程的處理(有點(diǎn)小復(fù)雜，感興趣的可以點(diǎn)開(kāi)放大看一下)。

當(dāng)然，我不可能拿這么復(fù)雜一張圖來(lái)講，所以請(qǐng)看精簡(jiǎn)版的下圖：黑色區(qū)域代表SDN的功能組件，紅色區(qū)域代表新增的TSN功能組件，TSN在結(jié)合SDN時(shí)要驗(yàn)證滿(mǎn)足以下兩個(gè)基本要求：

1.SDN的數(shù)控分離開(kāi)銷(xiāo)不能影響TSN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)效果。比如，若將時(shí)鐘同步功能移至控制面，則有可能因?yàn)檫B接控制面的較大時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)導(dǎo)致時(shí)鐘同步出錯(cuò);再比如流預(yù)留功能，每一跳的talker advertise預(yù)留信息都要上報(bào)至控制器，控制器確認(rèn)后再下發(fā)給交換機(jī)，也會(huì)帶來(lái)額外的處理時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)。

2.配置的更新和下發(fā)要保證實(shí)時(shí)性和一致性。比如，門(mén)控列表的下發(fā)，如果一臺(tái)交換機(jī)的門(mén)控列表進(jìn)行了更新，而下一跳更新不及時(shí)或者未能成功更新(不一致)，就會(huì)導(dǎo)致流量無(wú)法在正確的時(shí)隙被傳輸，所以一般會(huì)檢驗(yàn)所有的設(shè)備配置都成功后，才會(huì)給終端發(fā)送“確認(rèn)可以發(fā)包”的消息。

實(shí)現(xiàn)可編程TSN應(yīng)用

可編程TSN應(yīng)用目前還很少，TSN大多還處在硬件demo或協(xié)議仿真階段。預(yù)計(jì)未來(lái)隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、全息視頻、VR游戲等終端實(shí)時(shí)應(yīng)用和業(yè)務(wù)的豐富，TSN網(wǎng)絡(luò)功能應(yīng)用也將如黃河之水天上來(lái)一般，奔涌而出。

當(dāng)前盡力而為的網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí)就如同下班晚高峰路上的汽車(chē)，滴滴復(fù)滴滴，而TSN就是交通里的地鐵和高鐵，嘀嗒就抵達(dá)。未來(lái)，SDN融合5G和TSN，在家辦公不必再為視頻會(huì)議卡頓而捶胸，在家上課不必再為答題交互延遲而跺腳，遠(yuǎn)程醫(yī)療準(zhǔn)確高效還免去了排隊(duì)掛號(hào)取單子的繁瑣，玩游戲更是流暢到人人都是“頭號(hào)玩家”。

最后，熟悉OMNeT++仿真的朋友，可以下載INet實(shí)時(shí)以太網(wǎng)仿真框架和SDN4CoRE框架，進(jìn)行TSN協(xié)議的仿真學(xué)習(xí)，傳送門(mén)：https://github.com/CoRE-RG/.