TSN网卡是TSN网络提供端到端确定性交换服務(wù)的关键设备。由于应用(yòng)需求不同，TSN网卡连接的端系统计算平台在计算能(néng)力，资源管理(lǐ)方法和通信需求等方面差异较大，因此设计尽可(kě)能(néng)满足多(duō)种应用(yòng)场景需求的TSN网卡是OpenTSN开源项目的重要目标。本文(wén)分(fēn)析了不同TSN端系统的差异，提出了OpenTSN网卡与端系统松耦合的实现思路。
一、TSN端系统分(fēn)析
我们认為(wèi)TSN网卡连接的端系统节点主要分(fēn)為(wèi)三类，即I/O节点、计算节点以及支持云计算的虚拟化节点，如图1所示。
图1 TSN端系统的分(fēn)类
其中I/O节点实现简单，对成本、體(tǐ)积和功耗要求较高，通常没有(yǒu)操作系统，难以面向TSN进行定制化设计；计算节点包含通用(yòng)CPU和操作系统，TSN网卡可(kě)以通过修改驱动程序对TSN端系统的操作进行适配；而虚拟化节点主要面向边缘计算或嵌入式云计算，需要对TSN网卡进行虚拟化，TSN网卡在提供确定性I/O的同时，还要支持I/O的虚拟化，实现不同应用(yòng)之间网络I/O的隔离。
每种TSN端系统的比较如下表所示。由于不同端节点具有(yǒu)不同的特点，在主机测和网卡侧的TSN功能(néng)划分(fēn)差异较大，因此难以实现通用(yòng)的TSN网卡设计。
值得关注的是，当TSN端节点為(wèi)虚拟化平台时，主机侧会虚拟出多(duō)个具有(yǒu)独立MAC和IP地址的节点。一方面提高了TSN网络离線(xiàn)规划的复杂性，另一方面给TSN端系统收发分(fēn)组时的确定性保证带来了新(xīn)的困难。
二、OpenTSN网卡实现思路
為(wèi)了最大限度适配不同类型的端系统，OpenTSN网卡与端系统主机侧采用(yòng)松耦合的方式，通过千兆以太网与端系统计算平台进行连接，如图2所示。与PCIe、SPI等连接方式相比，使用(yòng)千兆以太网连接的优点是：
（1）通信带宽比SPI总線(xiàn)高，基本可(kě)满足多(duō)种终端的通信带宽需求；
（2）很(hěn)多(duō)CPU已经内嵌千兆以太网，因此无需在主机侧再增加新(xīn)的网卡；
（3）网卡侧存储空间不会映射到主机侧的存储空间，不需要额外的驱动程序支持；
（4）对于虚拟化平台，主机侧可(kě)以选择支持SR-IOV的网卡，主机内部虚拟机/容器的交换可(kě)以不经过TSN网卡实现。
图2 OpenTSN网卡实现思路
除了采用(yòng)松耦合的以太网物(wù)理(lǐ)连接外，OpenTSN网卡在逻辑功能(néng)上也实现了与主机侧计算平台的解耦，主要表现在：
（1）延时确定性保证机制的解耦
OpenTSN网卡通过内设RX_buf/TX_buf，实现了端到端交换路径上，应用(yòng)与网卡间延时确定性保证与TSN网络（发送网卡-TSN网络-接收网卡）延时确定性保证机制之间的解耦。OpenTSN只需要保证从发送方网卡上的TX_buf到接收方网卡上RX_buf之间的延时确定性即可(kě)。
如果应用(yòng)对通过计算平台与网卡RX_buf/Tx_buf通信的延时有(yǒu)严格的确定性要求，可(kě)以通过定制优化计算平台的软硬件实现确定性保证，与网卡无关。
（2）TSN功能(néng)到网卡的全卸载
端系统主机侧不用(yòng)针对TSN进行任何修改。在OpenTSN网卡上实现了TSN管理(lǐ)Agent，為(wèi)全局规划提供完整的，与端系统无关的资源抽象，并接受TSN网络控制器对网卡的配置，包括RX/TX调度表配置，TSN流水線(xiàn)中的整型、调度和冗余控制等机制进行配置。
由于TSN功能(néng)全部卸载到网卡上，因此主机计算平台的处理(lǐ)不需要全网同步的时间基准。
三、总结
网卡上RX_buf/Tx_buf的设置和Tx/Rx调度表设计对OpenTSN网卡与端系统解耦十分(fēn)重要。这也是其他(tā)类型时间触发通信（如TTP）实现通信控制器与主机消息交互的方法。
TSN边缘注入时间规划功能(néng)可(kě)通过RX调度控制Rx_buf中分(fēn)组进入TSN流水線(xiàn)的时刻实现。同时，基于Tx调度，网卡也可(kě)以精确控制按指定时刻向计算平台和应用(yòng)提交接收到的分(fēn)组。
图2只给出了网卡处理(lǐ)时间触发流量（scheduled Traffic）的方法，我们将在后续文(wén)章中进一步给出OpenTSN网卡同时支持时间触发、AVB和BE流量的方法。
