全 巍，杨翔瑞，孙志刚，严锦立，姜旭艳

(国防科技大学 计算机学院，湖南 长沙 410073)

0 引 言

在工业控制和装备制造等领域，以太网代替传统的控制总线已经成为一个重要的发展趋势。特别是随着802.1 TSN标准的逐渐完善，如何有效利用TSN网络为应用提供确定性和高可靠的数据交换也逐渐成为学术界研究的新热点。目前国际上仅有少量基于SoC和FPGA的TSN产品，而国内TSN研究则相对落后，缺乏自主化的TSN解决方案。为了快速实现TSN的自主化解决方案，ASIC和SoC的解决方法存在周期长、投入高、风险大等缺陷。相比而言，FPGA的实现方案则可以避免这一缺陷，但单纯的FPGA由于资源有限，难以构建完整的TSN解决方案。因此CPU+FPGA的软硬件协同实现方式则为TSN整体解决方案提供了有效的途径。为了建立一套基于CPU+FPGA架构的完善自主化TSN方案，加速TSN的自主化研制进程，本文提出了面向TSN的同步网络模型--SyncNet。SyncNet模型以全网高精度时钟同步为基础，结合网络设备的确定性转发机制以及全局流量调度规划软硬件协同保障TSN的确定性传输。基于SyncNet模型，本文在可编程网络设备上构建了一套TSN原型系统。该原型系统包含了SyncNet模型中所必备的TSN端系统、TSN交换机、TSN_CNC(centralized network configuration)、TSN_CUC(centralized user configuration)，其端系统和交换机上实现了PTP时间同步和CQF流量整形功能来提供确定性传输保障，同时实现了基于Beacon的带内遥测机制方便TSN网络的管理和控制。

本文的主要贡献包括：①提出了SyncNet同步网络模型，为CPU+FPGA架构下TSN实现提供了理论支撑；②基于SyncNet模型构建了一套支持PTP和CQF机制的TSN原型系统；……