TTE與TSN：不同設(shè)計(jì)哲學(xué)決定不同未來(lái)
發(fā)布時(shí)間：2019-08-29
TTE和TSN是目前實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)TSN技術(shù)取代TTE已經(jīng)成為令人關(guān)注的問(wèn)題。
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，TTE和TSN在時(shí)間同步、可靠性和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)保證等方面都進(jìn)行了增強(qiáng)。轉(zhuǎn)發(fā)交換的延時(shí)保證機(jī)制是確定性交換的核心。TTE和TSN在延時(shí)保證方面不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，反映了TTE和TSN具有不同的設(shè)計(jì)哲學(xué)。而設(shè)計(jì)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(jì)哲學(xué)差異
以太網(wǎng)自1973年發(fā)明，是計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)機(jī)制（出自TTTech研究人員撰寫的論文[1]）和TSN802.1Qch定義的CQF機(jī)制在確定性交換實(shí)現(xiàn)機(jī)制方面的比較。
圖1確定性交換實(shí)現(xiàn)機(jī)制比較（a）TTE （b）TSN的CQF機(jī)制
對(duì)于TTE交換機(jī)，輸入接口收到TT分組后，會(huì)查找接收調(diào)度表，對(duì)比分組接收時(shí)間是否落在合法的接收窗口（w）內(nèi)，如果在窗口內(nèi)，則會(huì)得到一個(gè)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(gè)輸出接口，發(fā)送調(diào)度表中會(huì)配置RAM中每個(gè)分組的發(fā)送時(shí)間（T），當(dāng)發(fā)送時(shí)間到達(dá)時(shí)，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(jì)算得到，分組轉(zhuǎn)發(fā)模型實(shí)際上是由接收和發(fā)送調(diào)度表控制的對(duì)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(gè)數(shù)都與TT流量的特性和負(fù)載相關(guān)。
對(duì)于支持CQF的TSN交換機(jī)，每個(gè)交換機(jī)內(nèi)部只需兩個(gè)按照乒乓隊(duì)列Q1和Q2，時(shí)間軸被簡(jiǎn)單的劃分為奇數(shù)時(shí)槽S1和偶數(shù)時(shí)槽S2。輸入接口在奇數(shù)時(shí)槽S1接收的分組進(jìn)入隊(duì)列Q1，在偶數(shù)時(shí)槽接收的分組進(jìn)入隊(duì)列Q2。輸出接口調(diào)度的整型機(jī)制也十分簡(jiǎn)單，S1時(shí)槽只能調(diào)度Q2中的分組，S2時(shí)槽只能調(diào)度Q1中的分組。顯然，當(dāng)時(shí)槽寬度為d時(shí)，如果交換機(jī)保證S1時(shí)槽接收的分組（進(jìn)入Q1）在下一個(gè)S2時(shí)槽發(fā)送，而S2時(shí)槽接收的分組（進(jìn)入Q2）在下一個(gè)S1時(shí)槽發(fā)送，那么分組在交換機(jī)中延時(shí)上界為2d，下界為0。分組在經(jīng)過(guò)K個(gè)這樣的交換機(jī)時(shí)，延時(shí)的上限為(K+1) *d，下限為(K-1) *d。
上述分析可知，TTE和TSN在實(shí)現(xiàn)上有一些明顯差異，如下表所示。
上述對(duì)比可見(jiàn)，TTE在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有利用到作為網(wǎng)絡(luò)分組交換基礎(chǔ)的排隊(duì)論，沒(méi)有用隊(duì)列對(duì)應(yīng)用相關(guān)信息進(jìn)行分類聚合，因此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高?；蛘哒f(shuō)，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(jī)制無(wú)關(guān)。因此TTE交換機(jī)設(shè)計(jì)沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范可借鑒（這也是多數(shù)人認(rèn)為TTE是TTTech“私有技術(shù)”的原因）。
與TTE不同，TSN交換的核心機(jī)制本身就是IEEE 802.1工作組制定的，是對(duì)802.1Q網(wǎng)橋協(xié)議的擴(kuò)充和增強(qiáng)。TSN更加強(qiáng)調(diào)針對(duì)不同TSN應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)輸出調(diào)度整型機(jī)制的擴(kuò)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(gè)角度看，TTE是從分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，毫無(wú)疑問(wèn)后者更具有優(yōu)勢(shì)。
二、發(fā)展前景預(yù)測(cè)
我們認(rèn)為，未來(lái)5-10年TSN將會(huì)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(shì)在于時(shí)間同步。與IEEE 1588定義的PTP協(xié)議不同，TTE的時(shí)間同步不需要單一的主時(shí)鐘源（GrandMaster），是一種全分布的高可靠時(shí)間同步機(jī)制，支持多種故障模型。然而時(shí)間同步機(jī)制在交換實(shí)現(xiàn)中相對(duì)獨(dú)立。既然當(dāng)前TSN可以針對(duì)不同場(chǎng)景定義了不同的輸出機(jī)制（基于信用/時(shí)間感知/異步等），TSN也可以擴(kuò)充支持多種時(shí)間同步機(jī)制，如需要外部時(shí)鐘源的時(shí)間同步機(jī)制（IEEE 1588）不需要外部時(shí)鐘源的內(nèi)部同步機(jī)制（AS6802）；
二是TSN交換實(shí)現(xiàn)機(jī)制前向兼容目前標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的交換機(jī)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(shí)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(huì)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(chǎng)景。未來(lái)市場(chǎng)更大，熟悉TSN的人才更多將是促進(jìn)TSN技術(shù)發(fā)展的最根本的推動(dòng)力。
參考文獻(xiàn)：
[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.
