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

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一.場景與需求

超可靠低時延(URLLC)是5G的三大應用場景之一，比如在工業4.0中，工業企業應用上云，工廠車間的物理網絡系統(CPS)傳出的時延敏感流量(比如報警信息、控制命令)需要經過5G接入、5G前傳網、5G核心網到達云數據中心，通過IT和OT融合賦能工業互聯網，實現智能化、自動化、柔性化的智能制造。同時，該場景也同樣適用于遠程控制、遠程駕駛、遠程醫療、VR游戲等業務應用，不同的業務可以通過網絡切片的方式進行硬管道隔離。

在組網設備上，5G前傳網主要由TSN交換機組成，而核心網內既有TSN交換機又有SDN交換機，如何通過統一的控制平面對全網進行管控，并保證超可靠低時延的特性，就成了現在亟需解決的問題，從而也產生了SDN融合5G和TSN的技術需求。下面就分別對SDN架構和TSN控制平面進行介紹和分析。

二.SDN與TSN

SDN架構：

經典的SDN架構如下圖所示，有數據面、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首先將數據面和控制面進行分離，然后通過南向接口接入數據面，獲得網絡全局視圖，從而實現集中式管控，最后基于抽象的網絡功能實現網絡可編程。

TSN控制平面架構：

TSN的802.1Qcc協議討論了TSN控制平面的架構，有全分布式、分布式用戶管理和集中式網絡控制、全集中式三種方案，如下圖所示，當前主要采用第3種全集中式的架構，CUC是中心化用戶配置，相當于編排器，負責采集終端業務的帶寬時延抖動等網絡服務質量需求，并將其轉換后通過北向接口發給CNC，CNC是中心化網絡控制，相當于控制器，包含計算拓撲路徑等網絡功能、并通過南向接口下發更新門控列表等配置信息給TSN交換機。

由于802.1Qcc只提供了方案模型，但沒有提供具體的實現方式，所以采用何種規范的南向接口協議，將哪些TSN的協議和網絡功能抽象到控制平面，實現怎樣的可編程TSN應用，是TSSDN需要考慮的核心內容。

三.TSSDN兩種實現方式

目前有“TSSDN網關”和“TSSDN統一”兩種實現方式，網關是指通過協議轉換將TSN和SDN域進行互連互通，統一是指直接在一臺設備上同時實現TSN協議和SDN功能。很顯然，網關的實現會更快更容易一些，實現了網關的基礎上才能更好的實現統一。

TSSDN網關：

在TSSDN網關模型中，TSN和SDN使用通用的網絡抽象層(比如MAC學習、拓撲發現、路徑計算)，但使用各自的控制平面、數據平面和安全策略。

首先，SDN域并不支持TSN相關的時延抖動保障技術，以使用OpenFlow為南向接口為例，則只能用OpenFLow現有的Queuing隊列進行簡單的流量調度，以及使用Meter計量表進行速率限制來盡量保障TSN域傳來業務的QoS。

其次，由于各自所使用的協議和接口不同，網關還需要涉及到協議數據單元(PDU，Protocol Data Unit)的轉換，即重寫傳入數據包的包頭字段，比如修改VLAN中的PCP(Priority Code Point)字段實現域間的優先級映射，再比如進行NAT網絡地址轉換等。

此外，還需要考慮安全功能，比如接入控制、身份驗證、授權和加密等。工廠企業對數據有很高的安全要求，企業應用上云后，為保證數據不被劫持、泄露、篡改、損毀，需要各種網絡安全策略以及故障冗余等保護措施。不同的安全策略需要在TSSDN網關中得到統一的轉譯和有效的實施。

TSSDN統一：

在TSSDN同一模型中，TSN和SDN不僅使用相同的網絡抽象層(路徑管理、拓撲管理、策略管理)，還使用統一的控制平面和數據平面，即北向接口REST API要支持SRP流預留協議來實現OPC UA的發布-訂閱模式，控制器要新添CUC、CNC等網絡功能組件，要能通過OpenFlow、Netconf等接口對TSN交換機下發流表和配置。具體的Yang模型定義可參考TSN工作組的的如下標準草案：

• 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三大實現步驟

按照SDN的三平面兩接口架構，由于TSN的數據面已經基本完善，目前已有可商用的TSN交換機，同時北向接口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現。TSSDN實現的三大步驟為：實現適配的南向接口，實現TSN控制功能，實現可編程TSN應用。

實現適配的南向接口

南向接口可以采用OpenFlow和Netconf，OpenFLow保持協議不變，完成流表下發等功能，對于TSN相關協議的配置和更新，可采用Netconf對接口(需要修改很多的匹配字段)后進行下發。Netconf協議(RFC 6241)規定了網絡設備中的Netconf Server和控制器中的Netconf Client組件，在Server端，配置被存儲在配置數據庫中，客戶端可以通過RPC(Remote Procedure Call)的方式進行get-config和edit-config這樣的操作。比如可以通過edit-config對SRP流預留資源進行實時建立和釋放，以及對門控列表進行修改。

實現TSN控制功能

接下來是本文的重頭戲，貼一張圖片總結一下TSN中最主要的幾個協議和功能。簡單的說，有了這四個協議：①先進行全網設備時鐘同步，②然后對流進行端到端的帶寬分配和資源預留，③再對入端口流量進行過濾，④對出端口流量進行門控隊列調度整形，就基本能保證時延敏感流的確定性時延和抖動需求。將這四個功能移到控制面，也是目前大家討論得比較多的點。

考慮具體的協議實現，我畫了一張TSN交換機內部的流量處理流程視圖，包含從入端口過濾，查找轉發，到出端口隊列門控整形、幀搶占、物理層傳輸的一系列過程的處理(有點小復雜，感興趣的可以點開放大看一下)。

當然，我不可能拿這么復雜一張圖來講，所以請看精簡版的下圖：黑色區域代表SDN的功能組件，紅色區域代表新增的TSN功能組件，TSN在結合SDN時要驗證滿足以下兩個基本要求：

1.SDN的數控分離開銷不能影響TSN協議的實現效果。比如，若將時鐘同步功能移至控制面，則有可能因為連接控制面的較大時間開銷導致時鐘同步出錯;再比如流預留功能，每一跳的talker advertise預留信息都要上報至控制器，控制器確認后再下發給交換機，也會帶來額外的處理時延開銷。

2.配置的更新和下發要保證實時性和一致性。比如，門控列表的下發，如果一臺交換機的門控列表進行了更新，而下一跳更新不及時或者未能成功更新(不一致)，就會導致流量無法在正確的時隙被傳輸，所以一般會檢驗所有的設備配置都成功后，才會給終端發送“確認可以發包”的消息。

實現可編程TSN應用

可編程TSN應用目前還很少，TSN大多還處在硬件demo或協議仿真階段。預計未來隨著遠程醫療、遠程教育、全息視頻、VR游戲等終端實時應用和業務的豐富，TSN網絡功能應用也將如黃河之水天上來一般，奔涌而出。

當前盡力而為的網絡擁堵時就如同下班晚高峰路上的汽車，滴滴復滴滴，而TSN就是交通里的地鐵和高鐵，嘀嗒就抵達。未來，SDN融合5G和TSN，在家辦公不必再為視頻會議卡頓而捶胸，在家上課不必再為答題交互延遲而跺腳，遠程醫療準確高效還免去了排隊掛號取單子的繁瑣，玩游戲更是流暢到人人都是“頭號玩家”。

最后，熟悉OMNeT++仿真的朋友，可以下載INet實時以太網仿真框架和SDN4CoRE框架，進行TSN協議的仿真學習，傳送門：https://github.com/CoRE-RG/.