TSN以太网交换模组及电力物联网报文处理方法

技术领域

本说明书涉及以太网技术领域，尤其是涉及一种TSN以太网交换模组及电力物联网报文处理方法。

背景技术

随着国家电网对电力物联网的建设不断深入，信息通信技术与物理系统的深度融合成为必然趋势。电力物联网要求建设以通信信息技术为基础的信息物理系统（CPS），以实现调度、保护、控制、交易的综合优化运行。目前，输电、变电、配电、用电、综合能源等不同领域的业务对于带宽、时延、抖动、授时等确定性网络的需求日益凸显。然而，在电力物联网等领域中通常需要多芯片级联才能满足工业领域常用的以太网交换机的需求，以太网交换芯片的可靠性有待提高。

发明内容

本说明书旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本说明书的一个目的在于提出一种TSN以太网交换模组，包括的TSN交换芯片在传统以太网交换芯片的基础上，还提供时间敏感网络协议等预留协议相关的报文处理，改善了以太网的兼容性和互操作性，实现利用单个交换芯片便可满足工业场景的需求，提高了TSN以太网交换模组的可靠性。

本说明书第二个目的在于提出一种TSN网络管理系统。

本说明书第三个目的在于提出一种基于电力物联网的TSN交换系统。

本说明书第四个目的在于提出一种电力物联网报文处理方法。

本说明书第五个目的在于提出一种计算机可读存储介质。

为达上述目的，本说明书第一方面实施例提出了一种TSN以太网交换模组，TSN以太网交换模组包括：处理器、TSN交换芯片。其中，TSN交换芯片具有SPI接口和RGMII网口；TSN交换芯片被配置为支持时间敏感网络协议标准；处理器通过SPI接口与TSN交换芯片连接，以对TSN交换芯片进行初始化配置，并通过RGMII网口与TSN交换芯片连接，以对TSN交换芯片进行网络管理；TSN交换芯片在接收到网络报文时，获取网络报文的协议类型字段，若基于协议类型字段判定网络报文符合时间敏感网络协议标准，将网络报文分发至目标协议标准对应的目标线程；其中，目标协议标准是根据协议类型字段在TSN协议栈中确定的网络报文符合的时间敏感网络协议标准；目标线程为针对目标协议标准所分配的处理线程，目标线程用于按照目标协议标准对网络报文进行处理。

根据本说明书实施例的TSN以太网交换模组，在支持传统交换芯片的功能的基础上，为TSN交换芯片配置为可支持时间敏感网络协议标准。在TSN交换芯片接收到网络报文时，不只能对符合基础协议的网络报文进行处理，还可处理符合时间敏感网络（TSN）协议标准的网络报文。使得TSN交换模组具有精准的流量调度能力，可以保证多种业务的共网高质量数据传输。本说明书实施例的TSN以太网交换模组改善了以太网的兼容性和互操作性，实现了利用单个交换芯片便可满足工业场景的需求，提高了TSN以太网交换模组的可靠性。

在本说明书的一些实施例中，TSN交换芯片在发送符合时间敏感网络协议标准的目标网络报文时，将TSN交换芯片发送目标网络报文的发出时间点添加至目标网络报文中，以使发送目标网络报文的MAC接口能够识别目标网络报文。

在本说明书的一些实施例中，时间敏感网络协议标准包括精准时间同步协议标准；TSN交换芯片在接收到符合精准时间同步协议标准的第一类网络报文时，标记网络报文的时间戳信息，将时间戳信息缓存至先进先出存储器；根据数据传输链路的主时钟、时间戳信息确定主从时钟差，利用主从时钟差校准TSN以太网交换模组的时钟源，以对第一类网络报文进行时间同步传输；其中，主时钟是基于处理器执行最佳主时钟算法而确定的。

在本说明书的一些实施例中，时间敏感网络协议标准包括时间敏感流量调度协议标准和帧抢占机制协议标准；TSN交换芯片在接收到符合时间敏感流量调度协议标准的第二类网络报文时，利用时间敏感流量调度协议标准对应的线程，按照时间敏感流量调度协议标准对第二类网络报文进行传输选择处理；TSN交换芯片在接收到符合帧抢占机制协议标准的第三类网络报文时，利用帧抢占机制协议标准对应的线程，按照帧抢占机制协议标准对第三类网络报文进行帧抢占处理。

在本说明书的一些实施例中，TSN交换芯片配置有若干Serdes接口；Serdes接口被配置为支持5Gbps传输速率的Qsgmii接口，或被配置为支持10.3125Gbps传输速率的10GBase-R接口。

在本说明书的一些实施例中，交换模组还包括：多个PHY芯片；PHY芯片通过Qsgmii接口与TSN交换芯片连接，以使Qsgmii接口支持8B/10B变换。

在本说明书的一些实施例中，PHY芯片配置有网络接口；PHY芯片通过网络接口与外部设备连接；TSN交换芯片通过PHY芯片与外部设备进行自协商，以约定的运行速率及双工模式交互信号。

在本说明书的一些实施例中，交换模组还包括FPGA处理芯片；FPGA处理芯片通过10GBase-R接口与TSN交换芯片连接，用于对光电信号进行转换处理。

在本说明书的一些实施例中，交换模组还包括：EEPROM存储器、时钟芯片以及TMP温度监控器；处理器基于串行通讯总线对EEPROM存储器、时钟芯片以及TMP温度监控器进行访问和管理。

为达上述目的，本说明书第二方面实施例提出了一种TSN网络管理系统，包括应用层、控制层、链路层；其中，上述任一项实施例的交换模组应用于链路层上

为达上述目的，本说明书第三方面实施例提出了一种基于电力物联网的TSN交换系统，包括上述第一方面任一项实施例的交换模组。

为达上述目的，本说明书第四方面实施例提出了一种电力物联网报文处理方法，应用于TSN以太网交换模组中的TSN交换芯片中。TSN交换芯片具有SPI接口和RGMII网口；TSN交换芯片被配置为支持时间敏感网络协议标准；TSN交换芯片通过SPI接口、RGMII网口与TSN以太网交换模组的处理器连接。电力物联网报文处理方法包括：在接收到网络报文时，获取网络报文的协议类型字段；若基于协议类型字段判定网络报文符合时间敏感网络协议标准，根据协议类型字段在TSN协议栈中确定与网络报文符合的目标协议标准；将网络报文分发至与目标协议标准对应的目标线程；其中，目标线程为针对目标协议标准所分配的处理线程；按照目标协议标准对网络报文进行处理。

根据本说明书实施例的电力物联网报文处理方法，不仅能对符合基础协议的网络报文进行处理，还可处理符合时间敏感网络（TSN）协议标准的网络报文。具有精准的流量调度能力，且可以保证多种业务的共网高质量数据传输。本说明书实施例的电力物联网报文处理方法改善了以太网的兼容性和互操作性，实现了利用单个交换芯片便可满足工业场景的需求，提高了TSN以太网交换模组的可靠性。

在本说明书的一些实施例中，该电力物联网报文处理方法还包括：在发送符合时间敏感网络协议标准的目标网络报文时，将TSN交换芯片发送目标网络报文的发出时间点添加至目标网络报文中，以使发送目标网络报文的MAC接口能够识别目标网络报文。

在本说明书的一些实施例中，时间敏感网络协议标准包括精准时间同步协议标准。按照目标协议标准对网络报文进行处理，包括：在接收到符合精准时间同步协议标准的第一类网络报文时，标记网络报文的时间戳信息；将时间戳信息缓存至先进先出存储器；根据数据传输链路的主时钟、时间戳信息确定主从时钟差，利用主从时钟差校准TSN以太网交换模组的时钟源，以对第一类网络报文进行时间同步传输。其中，主时钟是基于处理器执行最佳主时钟算法而确定的。

为达上述目的，本说明书第五方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有电力物联网报文处理程序，该电力物联网报文处理程序被处理器执行时，实现如第四方面任一项实施例的电力物联网报文处理方法。

根据本说明书实施例的计算机可读存储介质，根据本说明书实施例的计算机可读存储介质，在该电力物联网报文处理程序被处理器执行时，不仅能对符合基础协议的网络报文进行处理，还可处理符合时间敏感网络（TSN）协议标准的网络报文。具有精准的流量调度能力，且可以保证多种业务的共网高质量数据传输。本说明书实施例的电力物联网报文处理方法改善了以太网的兼容性和互操作性，实现了利用单个交换芯片便可满足工业场景的需求，提高了TSN以太网交换模组的可靠性。

本说明书附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本说明书的实践了解到。

附图说明

图1是根据本说明书实施例的TSN以太网交换模组的结构框图。

图2是根据本说明书一个实施例的时间戳机制处理的流程图。

图3是根据本说明书一个实施例的时间同步方法的流程图。

图4是根据本说明书一个实施例的间敏感流量调度的原理框图。

图5是根据本说明书一个实施例的TAS机制的原理框图。

图6是根据本说明书一个实施例的帧抢占式MAC的原理框图。

图7是根据本说明书一个实施例的TSN以太网交换模组的结构框图。

图8是根据本说明书一个实施例的TSN交换芯片的原理框图。

图9是根据本说明书一个实施例的TSN网络管理系统的原理框图。

图10是根据本说明书一个实施例的TSN交换系统的原理框图。

图11是根据本说明书实施例的电力物联网报文处理方法的流程图。

图12是根据本说明书一个具体实施例的电力物联网报文处理方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本说明书的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本说明书，而不能理解为对本说明书的限制。

电力物联网是物联网在智能电网中具体应用的体现，是信息和网络通信技术发展到一定阶段的必然结果。将电力系统的基础设施进行有效的整合，将极大提高电力系统的信息化水平，彻底改善电力系统基础设施利用效率。

随着国家电网对电力物联网的建设不断深入，信息通信技术与物理系统的深度融合成为必然趋势。电力物联网要求建设以通信信息技术为基础的信息物理系统（CPS），以实现调度、保护、控制、交易的综合优化运行。目前，输电、变电、配电、用电、综合能源等不同领域的业务对于带宽、时延、抖动、授时等确定性网络的需求日益凸显。在新一代智能变电站、虚拟电厂等信息量剧剧增的场景下，业务应用对时延、抖动等性能提出了确定性要求。本说明书的TSN以太网交换模组正是在电力物联网基础上进行设计实现，在输电、变电、配电、用电等各个领域均有适配应用的场景，满足数据传输延时、抖动、可靠性的要求。

像电力物联网、轨道交通自动化、工业自动化等领域常用的以太网交换机一般需配置24端口。然而，国际主流厂商的工业级TSN交换芯片端口数量相对较少，需要多芯片级联才能满足工业领域交换机的需求。

基于上述技术问题，本说明书提出了一种TSN以太网交换模组。该TSN以太网交换模组采用的TSN交换芯片是支持时间敏感网络协议标准的多端口工业交换芯片。其业务接口可支持24xGE和4x10GE，即最大可支持24个电口和4光口。GE口支持10/100/1000M速率，可通过自协商与对端设备协商端口速率及双工模式端口，原则上可以在单片实现上述需求，有利于提高以太网交换机的可靠性，并且能够降低成本。

下面结合图1对本说明书实施例的TSN以太网交换模组进行详细说明。如图1所示，该TSN以太网交换模组包括：处理器、TSN交换芯片。其中，TSN交换芯片具有SPI接口和RGMII网口。TSN交换芯片被配置为支持时间敏感网络协议标准。处理器通过SPI接口与TSN交换芯片连接，以对TSN交换芯片进行初始化配置，并通过RGMII网口与TSN交换芯片连接，以对TSN交换芯片进行网络管理。

TSN交换芯片在接收到网络报文时，获取网络报文的协议类型字段，若基于协议类型字段判定网络报文符合时间敏感网络协议标准，将网络报文分发至目标协议标准对应的目标线程。其中，目标协议标准是根据协议类型字段在TSN协议栈中确定的网络报文符合的时间敏感网络协议标准。目标线程为针对目标协议标准所分配的处理线程，目标线程用于按照目标协议标准对网络报文进行处理。

时间敏感网络TSN是由IEEE 802.1工作组开发的一套应用于互操作性和实时性任务的协议标准。其目标是解决实时以太网协议只应用于某一特定场景下，当面对多家供应商的服务和应用接入时，兼容性和互操作性无法改善的问题。此外，时间敏感网络协议主要为以太网第二层（MAC层）提供通用处理机制，让不同以太网协议网络之间的互操作成为可能，从而实现真正意义上的网络融合。时间敏感网络（TSN）以传统以太网为网络基础，通过时钟同步、数据调度、以太网配置等机制，提供低延迟、低抖动的确定性数据传输能力，以提高网络运行安全性、智能性、运维便捷性，为网络安全稳定运行提供了可靠技术保障。

本说明书实施例的TSN交换芯片在支持传统以太网交换芯片的功能的基础上，还被配置了支持时间敏感网络协议标准。能够提供以太网子网内的高性能和低延时的管理和控制功能以及数据层面的协议处理功能。负责处理各种通信协议，包括IEEE、IETF、IEC等基础协议和时间敏感网络（TSN）方面的协议。提供数据包在以太网中的二层/三层线速转发。

在TSN交换芯片中构建有TSN协议栈，TSN协议栈是依据时间敏感网络协议标准族实现的，包括常用的协议，如：802.1As协议标准、802.1Qbv协议标准、802.1Qbu协议标准、802.1Qci协议标准、802.1cb协议标准、802.1Qcc协议标准、802.1Qcr协议标准、802.1Qat协议标准以及802.1Qcp协议标准。TSN协议栈基于组件化构建，可以灵活裁剪，彼此松耦合。

TSN交换芯片在接收到网络报文时，可先获取网络报文的协议类型字段。根据协议类型字段判断该网络报文对应的协议标准。然后将网络报文分发至与协议标准对应的线程进行处理。线程是按照对应的协议标准对网络报文进行处理的。在本说明书的实施例中，在根据协议类型字段判定网络报文符合时间敏感网络协议标准时，在TSN协议栈中确定出与该网络报文相符合的时间敏感网络协议标准作为该网络报文的目标协议标准，如802.1Qbv协议标准。继而，将网络报文分发至目标协议标准对应的目标线程中，目标线程会按照目标协议标准对该网络报文进行处理。

在本说明书实施例的TSN交换模组中，可采用四核Cortex-A7 A40i处理器。该处理器配置有1.2GHz主频、内存2GB容量的DDR3以及存储8GB容量的EMMC。搭载Linux操作系统，能够实时处理网络数据及运行操作系统，并根据用户的操作指令来管理系统、监视性能，同时向用户实时反馈TSN交换模组运行的情况。

在本说明书的实施例中，TSN交换芯片配置有SPI接口和RGMII网口。处理器可通过SPI接口与TSN交换芯片连接，对TSN交换芯片进行初始化配置，以使TSN交换芯片能够正常运行；通过RGMII网口与TSN交换芯片连接，对TSN交换芯片进行网络管理。

根据本说明书实施例的TSN以太网交换模组，在支持传统交换芯片的功能的基础上，为TSN交换芯片配置为可支持时间敏感网络协议标准。在TSN交换芯片接收到网络报文时，不只能对符合基础协议的网络报文进行处理，还可处理符合时间敏感网络（TSN）协议标准的网络报文。使得TSN交换模组具有精准的流量调度能力，可以保证多种业务的共网高质量数据传输。本说明书实施例的TSN以太网交换模组改善了以太网的兼容性和互操作性，实现了利用单个交换芯片便可满足工业场景的需求，提高了TSN以太网交换模组的可靠性。

在本说明书的一些实施例中，TSN交换芯片在发送符合时间敏感网络协议标准的目标网络报文时，将TSN交换芯片发送目标网络报文的发出时间点添加至目标网络报文中，以使发送目标网络报文的MAC接口能够识别目标网络报文。

由于TSN交换芯片在接收或发送符合时间敏感网络协议标准的目标网络报文时，应当遵循时间敏感网络协议标准族中的精准时间同步协议标准，保证在整个通信网络中的网络时钟同步。也即保证整个通信网络中各个节点之间的时间或频率差保持在一个合理的误差水平内。因此，对于精准时间同步协议标准，目标网络报文可以为一步式报文。TSN交换芯片在发送一步式报文时，如一步式sync报文，需要将从TSN交换芯片上发出的时间点添加至报文里。使得发送一步式报文的出口的MAC接口能够识别这类一步式报文，并且在正确的位置从TSN交换芯片的时间管理模块中获取到当前时间48-bit纳秒、32-bit纳秒。对于一步式的pdelay_resp报文需要在出口的MAC接口上将correction_field字段进行更新，将本地驻留时间更新进来。也就是通过在出口的MAC接口上识别该报文，MAC接口计算驻留时间后更新到正确的位置。

在本说明书的一些实施例中，时间敏感网络协议标准包括精准时间同步协议标准。TSN交换芯片在接收到符合精准时间同步协议标准的第一类网络报文时，标记网络报文的时间戳信息，将时间戳信息缓存至先进先出存储器。根据数据传输链路的主时钟、时间戳信息确定主从时钟差，利用主从时钟差校准TSN以太网交换模组的时钟源，以对第一类网络报文进行时间同步传输。其中，主时钟是基于处理器执行最佳主时钟算法而确定的。

时间敏感网络协议标准族群包括802.1As精准时间同步协议标准。精准时间同步协议标准的核心在于时间戳机制。PTP（Precision Time Protocol，精准时间协议）消息在进出具备802.1AS功能的端口时，会根据协议触发对本地实时时钟（Real Time Clock，RTC）采样。将自己的RTC值与来自该端口相对应的CM信息进行比较；利用路径延时测算和补偿技术，将RTC时钟值匹配到PTP域的时间。当PTP同步机制覆盖整个AVB局域网，各网络节点设备间就可以通过周期性的PTP消息的交换，精确地实现时钟调整和频率匹配算法。最终，所有的PTP节点都将同步到相同的“挂钟”（Wall Clock）时间，即主时钟时间。在最大7跳的网络环境中，PTP能够保证时钟同步误差在1μs以内。

在本说明书的实施例中，TSN以太网交换模组中配置有时间同步系统。时间同步系统至少包括两个时间戳模块，分别为发送时间戳模块和接收时间戳模块。时间戳模块分为报文解析单元、时间戳标记单元以及时间戳缓存单元三部分。当TSN交换芯片接收或发送第一类网络报文时，会将MAC层与物理层之间的第一类网络报文直接传输到时间戳模块进行处理。

其中，时间戳模块的功能为在TSN交换芯片收发网络报文时，标记网络报文的时间戳信息。并对收发的网络报文进行判断，判断该网络报文是否为802.1AS事件报文，即第一类网络报文。如果是，则将标记的时间戳信息缓存至先进先出存储器。如果不是则丢弃标记的时间戳信息。示例性地，在发送或接受GPTP事件报文时，会产生时间戳事件，当事件报文的时间戳点通过局域网中的节点和局域网间的边界时，时间戳事件发生。

参考图2所示流程图，当时间戳模块接收到网络报文时，时间戳标记模块会将接收标志位拉高一个时钟周期，自动读取时钟模块发出的GMII格式的时间戳信息，该时间戳包含的时间点位于以太网帧开始符之后，目的MAC地址之前。即收到连续的7个0x55，1个0xd5后，时间戳标记模块标记时间戳。之后报文解析模块对收到的网络报文进行检测，首先检测协议类型字段。如果检测到协议类型字段为0x88F7，则表示该网络报文为GPTP报文，继续检测MessageType字段，最高位表示报文是否为802.1AS事件报文，0表示802.1AS事件报文，1表示通用基础报文。如果检测到的最高位为1，则直接丢弃标记的时间戳信息，如果检测到的最高位为0，在先进先出存储器FIFO未溢出的情况下，将该时间戳信息存入先进先出存储器FIFO中。如果检测到协议类型字段为0x0800，则表示该报文为IP报文，继续检测，否则该报文停止检测，将该时间戳信息丢弃。在检测是IP报文之后，检测该IP报文头的协议部分。如果为17，表示报文符合UDP协议，继续检测，否则该报文停止检测，将该时间戳信息丢弃。在检测符合UDP协议后，继续检测该报文是否为GPTP报文。若是，则继续检测MessageType字段，确定报文是否为802.1AS事件报文。若报文属于802.1AS事件报文，则在先进先出存储器FIFO未溢出的情况下，将该时间戳信息存入先进先出存储器FIFO中。

在本说明书的实施例中，当时间同步系统需要利用时间戳信息计算主从时钟差时，在先进先出存储器FIFO不为空的情况下，可以直接从先进先出存储器FIFO中读取时间戳信息。数据传输链路的主时钟已在TSN以太网交换模组的处理器通过执行最佳主时钟算法得到。根据数据传输链路的主时钟、时间戳信息确定主从时钟差，利用主从时钟差校准TSN以太网交换模组的时钟源，以对第一类网络报文进行时间同步传输。保证整个数据传输链路中各个节点之间的时间或频率差保持在一个合理的误差水平内。

具体地，参考图3，本说明书的实施例中时间同步系统实现时间同步的过程包括以下步骤：

S310，初始化系统参数。时间同步系统在运行前，首先进行对数据传输链路中各个节点进行参数初始化工作，为后续时间同步过程做准备。

S320，确认是否支持IEEE802.1AS协议标准。利用对等延迟机制，通过报文收发来判断数据传输链路中是否存在不支持IEEE802.1AS协议标准的节点，如果存在则终止程序。

S330, 最佳主时钟选择。确定数据传输链路中各节点均支持IEEE802.1AS协议后，各节点运行最佳主时钟选择算法（Best Master Clock Algorithm，BMCA）直至选择出最佳主时钟，并以最佳主时钟为根构造出时间同步生成树，生成时间同步路径。

S340，路径延迟测量。时间同步路径生成后，数据传输链路中各节点通过交互带有时间戳信息的报文，计算节点间的路径延迟，并将测量结果记录下来，供后续时间同步测量使用。

S350，时间同步测量。路径延迟测量之后，时间同步系统会以主时钟为根，沿着时间同步路径逐级发送带有延迟测量结果的时间同步报文，路径上的各节点接收到时间同步报文后，解析报文提取时间戳信息，计算自身时钟与主时钟的时间偏差。

S360，校准本地时钟，实现时间同步。数据传输链路各节点根据时间偏差校准本地时钟源的时间，实现与主时钟的时间同步。

在本说明书的一些实施例中，时间敏感网络协议标准包括时间敏感流量调度协议标准和帧抢占机制协议标准。TSN交换芯片在接收到符合时间敏感流量调度协议标准的第二类网络报文时，利用时间敏感流量调度协议标准对应的线程，按照时间敏感流量调度协议标准对第二类网络报文进行传输选择处理。TSN交换芯片在接收到符合帧抢占机制协议标准的第三类网络报文时，利用帧抢占机制协议标准对应的线程，按照帧抢占机制协议标准对第三类网络报文进行帧抢占处理。

在本说明书的实施例中，TSN以太网交换模组的TSN交换芯片还创建有时间敏感流量调度协议标准对应的线程，在接收到符合时间敏感流量调度协议标准的第二类网络报文时，将第二类网络报文分发至该线程，使该线程按照时间敏感流量调度协议标准对第二类网络报文进行传输选择处理。

具体地，时间敏感调度协议标准是在传统队列的基础上增加了门控开关。通过在传输选择算法（Transmission Selection Algorithm）后面增加传输门（TransmissionGate）从而控制每个队列中流的出队周期。传输门的时间配置在门控列表中（Gate ControlList）。如图4所示，在一个调度周期内，每一个时间点读取门控列表中的对应条目，获得8个优先级队列的传输门状态，通过开关门的机制，来控制数据的发送，从而决定调度结果。

传统的调度模式中传输选择单元只要根据调度策略，基于完全优先级或者基于权重的方式直接从8个队列中选择一个报文转发便可，但是基于时间敏感的流量调度模式在每个队列上面增加了一个门控，只有门被打开了才能参与调度，否则不能参与调度，这样就从物理上将某些队列从调度列表中给屏蔽掉，避免队列由于优先级的问题相互影响。

基于时间感知整形器（TAS）是一种针对较低时间粒度和更严格的工业应用而设计的调度机制。TAS由IEEE802.1Qbv时间敏感业务调度协议来定义，它是一种基于预设的周期性门控制列表（GCL），动态地为出口队列提供开/关控制的机制。TAS在跨时间敏感网络的全局同步时钟上运行。802.1Qbv定义了一个时间窗口，并且是时间触发网络（Time-trigged）。此窗口在此机制中预先被定义的，TAS可以在时间窗口的帮助下，以最小的延迟和抖动通过网络传输时间敏感的数据包，但它需要集中配置和管理网元中的所有整形器。定期扫描此门控制列表，并按照预定义的顺序为不同的队列打开传输端口。

参考图5，TSN交换芯片的出口硬件设有8个队列，通过在传输选择算法后面增加传输门从而控制每个队列中流的出队周期。传输门的时间配置在门控列表中。在一个调度周期内，每一个时间点读取门控列表中的对应条目，获得8个优先级队列的传输门状态，从而决定调度结果。

为了确保网络在数据报文传输之前是空闲的，TAS机制中在整个传输开始之前需要设置一个保护带宽。保护带宽使用最大以太网帧传输长度，以确保即使在最坏的情况下传输标准以太网帧，GCL在重新启动下一个周期之前也不会被占用端口。

在本说明的实施例中，TSN以太网交换模组的TSN交换芯片还创建有帧抢占机制协议标准对应的线程。在TSN交换芯片在接收到符合帧抢占机制协议标准的第三类网络报文时，将第三类网络报文分发至该线程，使该线程按照帧抢占机制协议标准对第三类网络报文进行帧抢占处理。

在一些情况下，TAS机制会存在2个主要问题：（1）保护带宽的情况下会消耗一定的采样时间；（2）低优先级反转的风险，在此基础上设计了一种可抢占式MAC机制。

具体请参见图6，在这种帧抢占机制下，传输控制的MAC层出口被分为可抢占MAC（pMAC）和高速MAC（eMAC）两个服务接口。优先级高的高速eMAC可以抢占优先级低的PMAC，进入数据堆栈后，等待eMAC数据传输完成后，pMAC聚合封装后再传输。

当全网络的节点设备启用抢占时，时间敏感的流量将受到较低的抖动。当帧抢占与TAS一起启用时，可显著减少可抢占流量的未受保护的时间窗口与快速流量受保护时间窗口之间的保护带（Guard Band），从而使TAS实施更加有效。通过帧抢占，保护带可以被减少至最短的低优先级帧片段。

在本说明书的一些实施例中，TSN交换芯片配置有若干Serdes接口。Serdes接口被配置为支持5Gbps传输速率的Qsgmii接口，或被配置为支持10.3125Gbps传输速率的10GBase-R接口。

具体地，参考图7，本说明书实施例的TSN交换芯片在硬件设计了若干Serdes接口，通常可以为10个Serdes接口。其中，可将6个Serdes接口配置为支持5Gbps传输速率的Qsgmii接口，将4个Serdes接口配置为支持10.3125Gbps传输速率的10GBase-R接口。也可根据需求来搭配两种外部接口，以实现多种光电接口组合型产品。

在本说明书的一些实施例中，交换模组还包括：多个PHY芯片。PHY芯片通过Qsgmii接口与TSN交换芯片连接，以使Qsgmii接口支持8B/10B变换。

继续参考图7，TSN以太网交换模组还包括多个PHY芯片，通过Qsgmii接口与TSN交换芯片连接。TSN交换芯片可通过MDIO/MDC来访问控制PHY芯片。SerDes接口的速率被提高是因为进行了8B/10B变换。而8B/10B变换是PHY芯片的工作。因此，PHY芯片与由Serdes接口配置的Qsgmii接口连接后，可使Qsgmii接口支持5Gbps传输速率。8B/10B变换的主要作用是扰码，让信号中不出现过长的连“0”和连“1”情况，影响时钟信息的提取。

在本说明书的一些实施例中，PHY芯片配置有网络接口。PHY芯片通过网络接口与外部设备连接。TSN交换芯片通过PHY芯片与外部设备进行自协商，以约定的运行速率及双工模式交互信号。

PHY芯片可采用YT8618芯片，能够支持IEEE 802.3 1000Base-T/100BaseTX/10Base-Te。八端口PHY芯片集成 10/100/1000M 以太网收发器，支持两个10/100/1000M模式下的QSGMII (5Gbps 高速串行接口)接口。且支持IEEE 802.3az高效节能以太网，同步以太时钟输出功能等。PHY芯片的主要功能是对收到TSN交换芯片传输过来的报文数据进行处理，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。

如图7所示，八端口PHY芯片配置有RJ45网络接口。外部设备可通过RJ45网络接口与PHY芯片进行连接。PHY芯片也可通过RJ45网络接口与上级网络进行连接。TSN交换芯片可通过PHY芯片与外部设备进行自协商，以约定的端口运行速率及双工模式交互信号。其中，1G端口单跳最小时延5us，10G端口单跳最小时延1us，抖动小于500ns，时间同步精度小于20ns，具有双向128Gbps 64Byte包长线速转发能力。

在本说明书的一些实施例中，交换模组还包括FPGA处理芯片。FPGA处理芯片通过10GBase-R接口与TSN交换芯片连接，用于对光电信号进行转换处理。

FPGA处理芯片可用于光信号转换处理。能够将万兆光信号转换为千兆或百兆，满足不同应用场景的需要。如图7所示，FPGA处理芯片配置有多个SFP接口，用于连接外部设备或上级网络。

在本说明书的一些实施例中，交换模组还包括：EEPROM存储器、时钟芯片以及TMP温度监控器。处理器基于串行通讯总线对EEPROM存储器、时钟芯片以及TMP温度监控器进行访问和管理。

交换模组还包括EEPROM存储器、时钟芯片以及TMP温度监控器。其中，EEPROM存储器为带电可擦可编程只读存储器。时钟芯片RTC为集成电路。参考图7，处理器可基于串行通讯总线I²C对EEPROM存储器、时钟芯片以及TMP温度监控器进行访问和管理。

在一些实施方式中，处理器还配置有EMMC存储器。EMMC (Embedded Multi MediaCard）是内嵌式存储器标准规格。EMMC在封装中集成了一个控制器，可提供标准接口并管理闪存。在本说明书的实施例中EMMC用于程序存储。

在另一些实施方式中，处理器还配置有NAND flash存储器，用于配置引导程序启动。另外，处理器还配置有USB接口用于USB调试；配置UART接口用于提供串口调试；配置RGMII接口用于提供网口调试。处理器配置用于串口调试和网口调试的接口是方便用户对TSN以太网交换模组进行管理和配置。

综上所述，参考图8，本说明书实施例的TSN交换芯片包括以下业务接口：Serdes接口，可支持5Gbps和10.3125Gbps，分别用于配置6个QSGMII接口和四个10GBase-R接口。PCS接口，可用于完成QSGMII接口和10GBase-R接口的物理编码。PTP接口，用于完成PTP协议报文的处理，支持一步式和两步式，主要功能包括：报文编辑、时戳编辑、更新CF域、更新CheckSum等。MAC接口，用于完成以太网成帧功能，包括：加Preamble 、计算/校验CRC、IPG控制、Pause帧的接收和发送、MIB统计等。TSN交换芯片同时实现了IEEE 802.3br协议规定的eMac和pMac功能，以及mCRC的计算等，以支持帧抢占功能。

继续参考图8，TSN交换芯片还配置有入口包处理（Ingress PIPeline），用于实现基础协议以及TSN协议规定的各种报文处理。内存管理（Traffic Manager），主要功能包括内存控制、准入控制、报文复制、队列管理、调度器、流量整形、流控等，同时也实现了TSN协议规定的时间感知调度（TAS）和帧抢占功能。时间同步引擎（PTP Engine），用于实现IEEE1588v2和802.1AS-Rev协议规定的时间同步功能，同时也实现了IEEE 802.1Qbv协议规定的门控状态机功能。出口包处理（Egress PIPeline），用于完成出口报文的协议处理，以及报文编辑功能。

除上述接口外，如图8所示，TSN交换芯片还配置有其它接口（Misc Intf）。包括：CPUGMAC接口，用于TSN交换芯片与外置CPU交换数据包，该报文会带上内部规定的报文头，该接口的输出为RGMII接口。MDIO接口，用于PHY芯片的配置和管理。SPI接口，芯片的配置通道。Interrupt接口，用于生成TSN交换芯片的中断信号。ComTod接口，该接口实现了《中国移动高精度时间同步1PPS+TOD时间接口规范》，用于互联设备间的时间同步，该接口的输入/输出信号为：1PPS和TOD。SyncE接口，该接口实现了两路接口恢复时钟的输出，用于构建同步以太网。

对应上述实施例，如图9所示，本说明书实施例还提出了一种TSN网络管理系统，该TSN网络管理系统包括应用层910、控制层920、链路层930。其中，上述任一项实施例的TSN以太网交换模组应用于链路层930上。

具体地，TSN网络管理系统位于三层网络架构的控制层及应用层。北向提供细粒度的REST API接口，提供应用层进行配置及网络状态的感知。南向采用标准NETCONF协议实现对异构交换厂商的统一配置管理。TSN网络管理系统拥有系统全局的拓扑带宽及业务流量配置需求。TSN网络管理系统可根据全局的拓扑带宽及流量配置进行全局的规划和调度，并完成调度策略的计算和配置。TSN网络管理系统实现对支持时间敏感网络协议的转发设备以及端设备的统一管理、配置和监控，同时实现对端设备业务需求自动采集，实现对系统的动态的配置及管理。TSN网络管理系统应用层提供可视化的配置管理界面，为用户提供手动的配置管理及状态监控功能。另外TSN网络管理系统应用层支持同多种应用协议的交互，支持同应用层进行业务交互。TSN网络管理系统支持对网络的配置管理，包括基础二层网络配置管理以及TSN特性配置管理，包括支持802.1Qav、802.1Qbv、802.1Qci、IEEE 802.1Qbu、802.1Qch和802.1CB等多种TSN规划调度算法。

对应上述实施例，本说明书实施例还提出了一种基于电力物联网的TSN交换系统。该TSN交换系统包括上述任一项实施例的TSN以太网交换模组。

参考图10，该TSN交换系统包括：

实时操作系统Linux，即嵌入式系统中的主机实时操作系统，用来调度和管理嵌入式系统硬件资源并为上层应用提供编程及管理的接口。

BSP（Board Support Package），即板级支撑包，提供构建嵌入式操作系统所需的引导程序(Bootload)、内核(Kernel)、根文件系统(Rootfs)和工具链以及板级驱动程序包。

操作系统及板级抽象层，该层将操作系统的编程接口及硬件访问接口进行抽象，其目的是使网络操作系统独立于主机操作系统及不同的硬件板卡，使其有良好的可移植性、可复用性和可扩展性。

以太网芯片SDK（Software Development Kit），是网桥芯片、网端芯片等网络芯片的软件开发工具包。

硬件抽象层，将OSI基础协议栈和TSN网络协议栈与具体的芯片、硬件独立开，使业务和控制协议层以上的软件与具体硬件和操作系统解耦合，便于将软件系统适配到不同的芯片和硬件平台。

基础协议栈：依据IEEE、IETF、IEC等标准实现基础协议栈，基础协议栈基于组件化构建，彼此松耦合。

TSN协议栈：依据TSN标准族实现TSN网络协议栈，包括常用的协议如：802.1AS、802.1qbv、802.1qbu、802.1qci、802.1cb、802.1qcc。TSN协议栈的实现基于组件化构建，可以灵活裁剪，彼此松耦合。

基于标准的对象访问层，依据IEEE、IETF、IEC等标准，将TSN协议栈的管理对象以轻量化数据库的形式对应用和管理层提供统一的编程接口，使应用和管理层与业务和控制协议层解耦合。

应用管理层，基于对象访问层编写用户界面、网络管理系统所需的北向接口和应用程序。

电力物理网应用层，针对电力系统应用层在网络环境下实现对网络资源的管理和控制的操作系统，是用户与网络资源之间的接口。电力物理网操作系统是建立在独立的操作系统之上，为网络用户提供使用网络系统资源的桥梁。

对应上述实施例，本说明书的实施例还提供了一种电力物联网报文处理方法。该电力物联网报文处理方法应用于TSN以太网交换模组中的TSN交换芯片。TSN交换芯片具有SPI接口和RGMII网口。TSN交换芯片被配置为支持时间敏感网络协议标准。TSN交换芯片通过SPI接口、RGMII网口与TSN以太网交换模组的处理器连接。如图11所示，该电力物联网报文处理方法包括：

S1110，在接收到网络报文时，获取网络报文的协议类型字段。

S1120，若基于协议类型字段判定网络报文符合时间敏感网络协议标准，根据协议类型字段在TSN协议栈中确定与网络报文符合的目标协议标准。

S1130，将网络报文分发至与目标协议标准对应的目标线程。其中，目标线程为针对目标协议标准所分配的处理线程。

S1140，按照目标协议标准对网络报文进行处理。

本说明书实施例的电力物联网报文处理方法，在支持传统交换芯片的功能的基础上，TSN交换芯片还可支持时间敏感网络协议标准。在TSN交换芯片中构建TSN协议栈。TSN协议栈中存放有符合时间敏感网络协议标准的各类报文协议标准。示例性地，如图12所示，TSN交换芯片在接收到网络报文时，基于协议类型字段判定网络报文是否符合时间敏感网络协议标准。并将符合时间敏感网络协议标准的网络报文分发至与目标协议标准对应的目标线程，按照目标协议标准对网络报文进行处理。本说明书的实施例中，预先构建有SYNC报文处理线程、pdelay_rep报文处理线程、pdelay_resp报文处理线程、Follow_up报文处理线程、delay_rep报文处理线程、delay_resp报文处理线程、pdelay_resp_follow up报文处理线程、announce报文处理线程、signaling报文处理线程、Management报文处理线程、LLDP报文处理线程、SRP报文处理线程、SNVP报文处理线程等等。请继续参阅图12，在TSN交换芯片的网口接收到符合时间敏感网络协议标准的TSN协议报文的情况下，可首先判断报文是否遵循IEEE1588v2协议。若遵循，则判断TSN协议报文的具体类型。示例性地，若接收到的为SYNC报文，则将SYNC报文发送至SYNC报文处理线程，以通过SYNC报文处理逻辑对SYNC报文进行处理。

根据本说明书实施例的电力物联网报文处理方法，不仅能对符合基础协议的网络报文进行处理，还可处理符合时间敏感网络（TSN）协议标准的网络报文。具有精准的流量调度能力，且可以保证多种业务的共网高质量数据传输。本说明书实施例的电力物联网报文处理方法改善了以太网的兼容性和互操作性，实现了利用单个交换芯片便可满足工业场景的需求，提高了TSN以太网交换模组的可靠性。

在本说明书的一些实施例，电力物联网报文处理方法还包括：在发送符合时间敏感网络协议标准的目标网络报文时，将TSN交换芯片发送目标网络报文的发出时间点添加至目标网络报文中，以使发送目标网络报文的MAC接口能够被识别目标网络报文。

在本说明书的一些实施例中，时间敏感网络协议标准包括精准时间同步协议标准。按照目标协议标准对网络报文进行处理，包括：在接收到符合精准时间同步协议标准的第一类网络报文时，标记网络报文的时间戳信息。将时间戳信息缓存至先进先出存储器。根据数据传输链路的主时钟、时间戳信息确定主从时钟差，利用主从时钟差校准TSN以太网交换模组的时钟源，以对第一类网络报文进行时间同步传输。其中，主时钟是基于处理器执行最佳主时钟算法而确定的。

需要说明的是，本实施例的电力物联网报文处理方法中未披露的细节，请参照本说明书实施例中TSN以太网交换模组的实施例中所披露的细节，此处不再赘述。

对应上述实施例，本说明书实施例还提出了一种计算机可读存储介质。其上存储有电力物联网报文处理程序，该电力物联网报文处理程序被处理器执行时，实现如上述中任一项实施例的电力物联网报文处理方法。

根据本说明书实施例的计算机可读存储介质，在该电力物联网报文处理程序被处理器执行时，不仅能对符合基础协议的网络报文进行处理，还可处理符合时间敏感网络（TSN）协议标准的网络报文。具有精准的流量调度能力，且可以保证多种业务的共网高质量数据传输。本说明书实施例的电力物联网报文处理方法改善了以太网的兼容性和互操作性，实现了利用单个交换芯片便可满足工业场景的需求，提高了TSN以太网交换模组的可靠性。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本说明书的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，本说明书实施例中所使用的“第一”、“第二”等术语，仅用于描述目的，而不可以理解为指示或者暗示相对重要性，或者隐含指明本实施例中所指示的技术特征数量。由此，本说明书实施例中限定有“第一”、“第二”等术语的特征，可以明确或者隐含地表示该实施例中包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，词语“多个”的含义是至少两个或者两个及以上，例如两个、三个、四个等，除非实施例中另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本说明书的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本说明书的限制，本领域的普通技术人员在本说明书的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。