一种基于SMS架构时间敏感网络交换机及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SMS架构时间敏感网络交换机及方法，该交换机基于SMS架构形成交换前级和交换后级；数据帧通过交换前级进入共享缓存模块，并通过交换后级输出；所述SMS架构包括一级crossbar模块和二级crossbar模块；该交换机包括输入处理模块、描述符控制模块、单播组播仲裁模块、共享缓存模块、AS时间同步模块和输出处理模块。本发明专利技术采用了SMS架构作为TSN交换机的交换架构，且支持了直通转发传输模式，降低了传输延时；同时采用共享缓存的存储方式增强了各个端口应对突发流量的能力。本发明专利技术SMS架构能够让各个TSN协议能够合理地安排在交换机的前后级，具有一定的可重用性。具有一定的可重用性。具有一定的可重用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SMS架构时间敏感网络交换机及方法


[0001]本专利技术涉及包括时间敏感网络(TSN：Time Sensitive Network)在内的数据链路层网络
，具体涉及一种基于SMS架构时间敏感网络交换机及方法。

技术介绍

[0002]时间敏感网络(TSN)是基于以太网的拓展协议，全称是Time Sensitive Network，包含IEEE802.1AS,IEEE802.1Qbv,IEEE802.1Qci,IEEE802.1CB，目的是在以太网普遍应用的基础上提高其确定性，可靠性和低时延性。人工智能，自动驾驶，工业控制等新兴业务要求极低的延迟，精确的到达时刻和零丢包率，这是传统以太网交换机达不到的要求。
[0003]在中国专利技术专利CN113821516A中公开了一种基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，涉及工业自动化领域领域，包括调度信息模块、调度模块和并行缓存模块。虽然该架构很灵活，但仅仅提到了Qbv协议的融合，并没有提到IEEE802.1AS，IEEECB，IEEE802.1Qci如何与此架构融合，此外，对于TSN其他协议的适应性没有明确。
[0004]在中国专利技术专利CN105634995A中公开了一种低延迟的机载千兆以太网交换架构。但是其仅仅支持1588时间同步协议，并没有对时间关键业务进行确定性保证。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种基于SMS架构时间敏感网络交换机及方法，本专利技术构建了一种松耦合，融合TSN协议(IEEE802.1AS,IEEE802.1Qbv,IEEE802.1Qci,IEEE802.1CB)的交换机架构；具体采用了SMS(Switch
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Memory
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Switch)架构作为TSN交换机的交换架构，且支持了直通转发(cut
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through)传输模式，降低了传输延时；同时采用共享缓存的存储方式增强了各个端口应对突发流量的能力。本专利技术SMS架构能够让各个TSN协议能够合理地安排在交换机的前后级，具有一定的可重用性。
[0006]其中，SMS架构是包括前级交叉开关矩阵(crossbar)、中间缓存和后级交叉开关矩阵(crossbar)的一种交换架构。
[0007]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种基于SMS架构时间敏感网络交换机，该交换机基于SMS架构形成交换前级和交换后级；数据帧通过交换前级进入共享缓存模块，并通过交换后级输出；SMS架构包括一级crossbar模块和二级crossbar模块；该交换机包括：
[0009]输入处理模块，用于将输入的数据帧存入输入缓存队列；并对数据帧进行关键字段信息提取及查表操作，得到转发目的端口和流标识；根据流标识，通过Qci令牌桶过滤和CB去冗余操作，得到有效信号并生成描述符；
[0010]描述符控制模块，用于控制从输入处理模块中读出普通帧的描述符和从AS时间同步模块中读出AS输出帧的描述符，将其送至单播组播仲裁模块进行描述符调度；及将输入缓存队列中的数据帧通过一级crossbar模块送入共享缓存模块；
[0011]单播组播仲裁模块，用于根据普通帧的描述符和AS输出帧的描述符，结合Qbv门控
整形，进行单播和组播综合调度，产生仲裁结果和输出帧描述符；并将仲裁结果送入共享缓存，将共享缓存中的输出帧送至输出处理模块进行处理；
[0012]共享缓存模块，用于根据输入缓存队列中的数据帧、AS输出帧及仲裁结果，取出AS输出帧并通过二级crossbar模块送至对应输出端口；共享缓存模块前设置有一级crossbar模块，共享缓存模块后设置有二级crossbar模块；
[0013]AS时间同步模块，用于为各个模块提供AS时间同步，且并列于数据帧流向。
[0014]进一步地，该交换机还包括输出处理模块，用于根据输出帧描述符及取出AS输出帧，为输出帧打AS时间戳标记并将其送至AS时间同步模块；并对输出帧进行修正并输出；修正包括：根据端口信息加VLAN TAG和去VLAN TAG操作，通过查表更改有去冗余流(CB流)分离需求帧的DMAC字段，增加R
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TAG字段。
[0015]进一步地，该交换机还包括Qci令牌桶单元、CB去冗余单元和Qbv单元；
[0016]Qci令牌桶单元，用于根据查表操作产生的流标识(即流id)寻找对应的令牌桶，减少突发流量对交换机的影响；具体通过记录时间戳，并结合定点小数乘法的方式增加令牌，及通过RAM加载来统一管理不同流量的令牌桶；且某个流量的令牌桶只有当被使用时，才进行一次性的增减令牌操作；
[0017]CB去冗余单元，用于代理没有CB功能的终端以及对识别为同一个组合流的成员流进行去冗余功能；具体对传输链路中的冗余帧进行去除，减少冗余的带宽占用；及对没有CB去冗余功能的节点提供流分离和去R
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TAG功能。作为进一步地实施，CB去冗余单元分别集成在输入处理模块和输出处理模块，输入处理模块对CB去冗余单元产生请求，首先进行重复发送成员流的去冗余，接着进行不同成员流的去冗余；输出处理模块主要为没有CB功能的终端提供加R
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TAG和去R
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TAG功能。
[0018]Qbv单元，用于作用于单播组播仲裁模块的优先级队列，产生对应门控信息去抑制或允许对应优先级描述符被单播组播仲裁进行仲裁。
[0019]进一步地，一级crossbar模块是对描述符进行全连接的交叉开关矩阵；
[0020]二级crossbar模块是对输出帧进行全连接的交叉开关矩阵。
[0021]进一步地，AS时间同步采用AS时间同步代理机制，具体为如果上游节点超时发送同步帧，在发送单元中加入超时状态，从而代理上游节点向下游节点发送同步帧。
[0022]进一步地，AS时间同步模块包括预处理单元、授时单元、发送单元、接收单元、同步中转单元和链路测量单元；
[0023]预处理单元，用于对数据帧的时钟域进行分类、打时间戳并对不符合AS格式的帧进行剔除；根据不同同步帧提取相应的信息，并将信息发送给后级的接收单元和链路测量单元；其中：如果是链路测量帧，则进入对应端口的链路请求和链路响应模块，这两个模块负责计算频偏和链路延时。如果是同步帧则进入接收模块得到上游接收时间和主节点和本节点频偏的更新，接收到完整的同步帧sync和同步跟随帧followup之后进入同步中转模块。
[0024]接收单元：根据预处理单元提取的同步帧信息，得到上游接收时间和频偏的更新，并将接收信号传递给同步中转单元；
[0025]同步中转单元：根据配置将同步信息传递给授时单元和发送单元；
[0026]授时单元，用于补偿中间变量计算延时的损失，通过将主节点起始时刻、同步校正
值和链路延时的相加，得到以主节点时钟作为基准的上游同步时刻；将所述主节点时钟加上计算延时，得到最后的同步点；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SMS架构时间敏感网络交换机，其特征在于，该交换机基于SMS架构形成交换前级和交换后级；数据帧通过交换前级进入共享缓存模块，并通过交换后级输出；所述SMS架构包括一级crossbar模块和二级crossbar模块；该交换机包括：输入处理模块，用于将输入的数据帧存入输入缓存队列；并对数据帧进行关键字段信息提取及查表操作，得到转发目的端口和流标识；根据流标识，通过Qci令牌桶过滤和CB去冗余操作，得到有效信号并生成描述符；描述符控制模块，用于控制从输入处理模块中读出普通帧的描述符和从AS时间同步模块中读出AS输出帧的描述符，将其送至单播组播仲裁模块进行描述符调度；及将输入缓存队列中的数据帧通过一级crossbar模块送入共享缓存模块；单播组播仲裁模块，用于根据普通帧的描述符和AS输出帧的描述符，结合Qbv门控整形，进行单播和组播综合调度，产生仲裁结果和输出帧描述符；并将仲裁结果送入共享缓存，将共享缓存中的输出帧送至输出处理模块进行处理；共享缓存模块，用于根据输入缓存队列中的数据帧、AS输出帧及仲裁结果，取出AS输出帧并通过二级crossbar模块送至对应输出端口；共享缓存模块前设置有一级crossbar模块，共享缓存模块后设置有二级crossbar模块；AS时间同步模块，用于为各个模块提供AS时间同步。2.根据权利要求1所述的一种基于SMS架构时间敏感网络交换机，其特征在于，该交换机还包括输出处理模块，用于根据输出帧描述符及取出AS输出帧，为输出帧打AS时间戳标记并将其送至AS时间同步模块；并对输出帧进行修正并输出；所述修正包括：根据端口信息加VLAN TAG和去VLAN TAG操作，通过查表更改有去冗余流分离需求帧的DMAC字段，增加R
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TAG字段。3.根据权利要求1所述的一种基于SMS架构时间敏感网络交换机，其特征在于，该交换机还包括Qci令牌桶单元、CB去冗余单元和Qbv单元；Qci令牌桶单元，用于根据查表操作产生的流标识寻找对应的令牌桶，减少突发流量对交换机的影响；具体通过记录时间戳，并结合定点小数乘法的方式增加令牌，及通过RAM加载来统一管理不同流量的令牌桶；且某个流量的令牌桶只有当被使用时，才进行一次性的增减令牌操作；CB去冗余单元，用于代理没有CB功能的终端以及对识别为同一个组合流的成员流进行去冗余功能；具体对传输链路中的冗余帧进行去除，减少冗余的带宽占用；及对没有CB去冗余功能的节点提供流分离和去R
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TAG功能；Qbv单元，用于作用于单播组播仲裁模块的优先级队列，产生对应门控信息去抑制或允许对应优先级描述符被单播组播仲裁进行仲裁。4.根据权利要求1所述的一种基于SMS架构时间敏感网络交换机，其特征在于，所述一级crossbar模块是对描述符进行全连接的交叉开关矩阵；所述二级crossbar模块是对输出帧进行全连接的交叉开关矩阵。5.根据权利要求1所述的一种基于SMS架构时间敏感网络交换机，其特征在于，所述AS时间同步采用AS时间同步代理机制，具体为如果上游节点超时发送同步帧，在发送单元中加入超时状态，从而代理上游节点向下游节点发送同步帧。6.根据权利要求5所述的一种基于SMS架构时间敏感网络交换机，其特征在于，所述AS
时间同步模块包括预处理单元、授时单元、发送单元、接收单元、同步中转单元和链路测量单元；预处理单元，用于对数据帧的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂晓东，刘启明，谢军，陈蕴洲，彭逸飞，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：