在众多具有硬实时数据传输需求的领域,例如舰船、火箭、卫星、列车、汽车等高端装备,目前主要采用现场总线来保障数据传输的实时性.但随着上述装备的智能化发展,其数据采集技术和数据处理能力都得到了极大的提升,从而对装备内数据交换网络的带宽和确定性(包括延迟、抖动、可靠性)等提出了现场总线无法满足的要求.
作为解决上述问题的一项新型网络技术,时间敏感网络(time sensitive networking,TSN)技术在标准以太网基础上增加确定性数据传输机制,可提供高带宽、高确定性的数据传输服务.但是,由于TSN技术应用领域众多,其标准覆盖广泛且还在发展完善中,而定制化的TSN芯片设计目前缺乏良好且一致的架构定义,多样化的应用需求和宽泛的TSN标准之间难以建立直接的对应关系,使得面向场景进行TSN芯片定制困难.
目前国内的TSN技术发展相对滞后,尤其在TSN核心芯片方面还没有全自主化的产品.当前已有的TSN解决方案大多基于国外芯片或者基于国外核心IP(如Intel)采用FPGA实现,但国外的TSN芯片由于仅支持TSN基础标准,无法良好适配不同的核心装备应用场景,并且存在管理配置复杂的问题.而基于国外核心IP的FPGA解决方案则存在IP功能单一、系统功耗高等问题.随着舰船、火箭、卫星、列车、汽车等核心装备的信息化和智能化程度不断提高,TSN芯片势必成为制约上述领域发展的核心元器件.
在上述背景下,Open TSN项目组根据高端装备数据交换网络中存在的多样化的应用数据类型(时间敏感、带宽保障、尽力转发)、兼容标准以太网接入、相对封闭且功耗要求苛刻的执行环境等需求,基于开源TSN芯片开发方法(包括Open TSN参考规范[1-3]、源代码和验证环境[4-5]),研制了一款低功耗的TSN芯片——银河衡芯时间敏感交换芯片HX-DS09,代号“枫林一号”.该芯片于2021年2月22日完成了测试验证,芯片功能与预期一致.“枫林一号”芯片具有3个主要特点:
1)采用直通式时间敏感交换架构,可提供亚微秒级单跳数据传输延迟(头进头出)和抖动保障能力;
2)支持端、交换和交换端3种工作模式,支持多种类型的应用流量,可实现环形、线性、星形等拓扑的系统级组网;
3)针对封闭式装备环境的低功耗定制优化,功耗小于0.5W,可满足低功耗确定性应用需求.
“枫林一号”芯片可应用于大型舰船、航空航天器、列车、汽车等具有确定性数据传输需求的大型装备系统.
1 “枫林一号”芯片特性
“枫林一号”芯片采用国产130 nm工艺流片,芯片面积为9 mm×9 mm,芯片封装为256引脚QFP封装.芯片实物如图1(a)所示,其详细特征为:
1)8路GMII数据交换接口,1路GMII控制接口;
2)峰值功耗为0.46 W;
3)支 持802.1AS,802.1Qbv,802.1Qch,802.1 Qcc等标准;
4)支持端、交换和交换端3种工作模式;
5)支持时间敏感、带宽预约和尽力转发3种流量混合传输;
6)支持流量注入和流量提交精准时刻控制;
7)支持16 K个虚拟通道;
8)硬件调度时间槽设置范围为4～512μs.
Fig.1 HX-DS09 chip＆evaluating board
图1 “枫林一号”芯片及其验证板
对比当前国外主流的支持TSN功能的芯片,如表1所示,BCM53154和Marvell-88E6390所支持的接口类型相对丰富,但2款芯片都采用了片上系统的设计方式,片上集成了CPU用于芯片的管理控制,芯片整体功耗较高,管理控制复杂.而“枫林一号”和NXP-SJA1105TEL都是面向特定应用领域的芯片,其中NXP-SJA1105TEL是面向车载应用领域的TSN芯片,端口数目较少,支持基础的TSN标准.“枫林一号”芯片支持的TSN标准更加丰富,所支持的帧剥夺标准可有效降低芯片传输抖动,此外该芯片还具有应用模式灵活、管理配置简洁和低功耗等优势.
Table 1 Comparison of Typical TSN Chips
表1 典型TSN芯片对比
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2 “枫林一号”芯片架构
针对高端装备中确定性数据交换需求,“枫林一号”芯片采用直通式时间敏感交换架构,如图2所示.该架构基于报文元信息进行直通式交换,有效降低了报文交换延迟;支持报文分片与重组,超过128B的长报文将被切分为多个64～128 B的短报文,从而获得更加精确的报文延迟抖动控制;采用端和交换一体的融合设计,能支持标准以太网设备直接接入,丰富和扩展了芯片的应用场景.
Fig.2 HX-DS09 architecture
图2 “枫林一号”芯片架构
“枫林一号”面向封闭式装备环境的中小型组网场景,采用了面向场景优化的低功耗定制设计,包括:时分复用的集中缓存设计极大压缩了片上缓存容量,进而减小了芯片的面积和功耗;多功能TSN标签设计不仅可用于流量的识别还可以携带软件生成的数据交换控制信息,降低芯片硬件逻辑复杂度;软硬件协同的高精度时钟同步设计在精确的硬件时间戳记录保障下将复杂的同步计算和可靠控制使用软件实现,减少了芯片硬件逻辑资源的使用量.
3 “枫林一号”组网示例
为验证“枫林一号”芯片功能,本文构建了包含2块芯片验证板,如图1(b)所示,5台PC机和1台TSN测试仪的芯片验证环境,如图3所示.在测试环境中,本文主要进行了5项验证测试:节点Ping测试、转发延迟测试、时钟同步精度测试、Qbv调度测试和Qch调度测试.其中Ping测试主要用于验证芯片通路以及分片重组等逻辑功能是否正常,测试显示芯片在不同长度Ping报文下均可正常工作.最短转发延迟测试采用TSN测试仪注入单个64 B报文获得转发延迟,经测试在单个“枫林一号”芯片中的64 B报文转发延迟为698 ns(头进尾出).
时钟同步测试结果如图4(a)所示,在20 Hz频率下系统的时钟同步可以保持在120 ns偏差内.Qch调度测试和Qbv调度测试结果如图4(b)(c)所示,2项测试均由TSN测试仪产生一条时间敏感流量(周期为100μs,长度为128 B),一条会拥塞丢包的尽力转发背景流量(900 Mbps),2种确定性调度模式的硬件调度周期均为64μs.从图4中测试数据可见,在Qch模式下,无背景流和有背景流下时间敏感报文端到端延迟均可控制在Qch调度模型的理论上下界64～192μs内.Qbv模式下,无背景流和有背景流下时间敏感报文端到端延迟为1 924～2 116 ns,3 448～4 632 ns,抖动为192 ns,1184 ns.这2种端到端报文延迟均包含了传输路径延迟,结果符合预期.
Fig.3 HX-DS09 evaluating environment
图3 “枫林一号”演示验证环境
Fig.4 HX-DS09 evaluating results
图4 组网示例实验数据
“枫林一号”芯片测试结果表明:该芯片可以满足已知的TSN应用场景需求.例如目前要求最为苛刻的自动驾驶领域[6]对数据传输端到端延迟约束为小于10μs,抖动在几μs,这一需求可以在枫林芯片的Qbv调度模式下满足.而针对远程医疗[6]的3～10 ms延迟和小于2 ms的抖动需求则可以采用配置简化的Qch调度模式下满足.
4 “枫林一号”目标应用场景
“枫林一号”芯片是国防科技大学银河衡芯时间敏感交换系列芯片的第1款芯片,主要应用在以航空航天、舰船、列车/汽车等为代表的具有硬实时数据交换需求的封闭式组网环境.基于“枫林一号”构建的时间敏感网络可为上述应用中的敏感控制信息提供确定性传输保障,为音视频等数据提供传输带宽保障,同时尽力转发其他非关键流量.这种一体化的组网实现可以突破现有多网并存的复杂组网局面,简化系统设计和提高系统通信效率,进而为上述领域的智能化发展奠定基础.
[1]Yan Jinli,Quan Wei,Yang Xiangrui,et al.TSN-builder:Enabling rapid customization of resource-efficient switches for time-sensitive networking[C]//Proc of the 57th ACM/IEEE Design Automation Conf.New York:ACM,2020:1 6
[2]Fu Wenwen,Yan Jinli,Quan Wei,et al.Fenglin-I:An open-source TSN chip for scenario-driven customization[C]//Proc of ACM SIGCOMM"20 Demos and Posters.New York:ACM,2020:1 2
[3]Yan Jinli,Fu Wenwen,Quan Wei,et al.TSNTag:A multisemantic flow identification mechanism enabling full-custom TSN design[C]//Proc of ACM SIGCOMM"20 Demos and Posters.New York:ACM,2020:1 2
[4]Quan Wei,Fu Wenwen,Yan Jinli,et al.Open TSN:An open-source project for time-sensitive networking system development[J].CCF Transactions on Networking,2020,3(1):5165
[5]Quan Wei.Open TSN project[OL].[2019-07-29].https://gitee.com/opentsn/open TSN/tree/master
[6]Nasrallah A,Thyagaturuet A S,Alharbi Z,et al.Ultra-Low latency(ULL)networks:The IEEE TSN and IETF Det Net standards and related 5G ULL research[J].IEEE Communications Surveys＆Tutorials,2019,21(1):88 145
