随着工业控制,航空航天,自动驾驶等分布式硬实时领域对业务需求的不断增长和扩展,总线技术和标准以太网技术难以同时兼顾对分组传输性能和确定性两方面不断增长的需求。时间敏感网络（Time-Sensitive Networking,TSN）通过在标准以太网基础上增加基于时间特性以保证关键分组传输的确定性和可靠性,在上述领域中有很大的应用潜力。TSN应用场景面向特定需求和目标构建,在性能、功耗等方面呈现多样化需求。现有的TSN网络基于Bottom-up模式设计,底层采用商用TSN设备进行组网,上层控制器结合当前网络场景特点生成适配的网络规则进行设备配置。商用设备的主要目标是集成完备TSN功能,内部处理逻辑复杂,在特定场景部署时处理和存储资源利用率低。因此,如何简化TSN网络的设计复杂度,降低资源和成本是目前面临的主要挑战。为了解决上述问题,本文基于Top-down设计模式对底层TSN网络进行按需定制。Top-down模式的主要特点是通过分析上层应用场景的多维度需求,在多约束条件下对底层网络中设备的功能、规格进行定制和重构,通过设计场景适配的转发抽象为上层控制器提供编程接口进行规则计算和配置。这种场景驱动网络定制模式在简化TSN设备实现和降低资源与成本方面具有很大优势。本文对场景驱动的TSN网络定制关键技术进行研究,主要工作和创新点包括:1.为针对特定场景进行TSN设备和网络定制,本文提出一种可重构可规划的TSN定制框架TSN-Builder。TSN-Builder将TSN网络定制规划和TSN芯片设计实现解耦。底层芯片设计者基于确定性交换模型设计平台相关的可配置流水线模板;上层网络规划者根据场景需求对设备参数和规则进行计算和配置。这种方式使底层设备实现细节对上层网络设计透明,从而有效简化TSN网络设计的复杂度。2.为支持关键流量端到端的确定性传输,本文提出一种灵活的CQF确定性交换模型Flex CQF。在基于队列粒度的循环队列转发CQF模型基础上,Flex CQF增加注入时间和提交时间控制支持流粒度的转发时间灵活控制。本文提出多语义流标签机制TSNTag支持Flex CQF模型在不同类型资源上的灵活映射。TSNTag通过在报文头部携带丰富的控制信息以支持功能之间的高效协同。3.为支持对关键流量进行高效的时空资源分配,本文提出一种边缘注入时间规划机制ITP。分组进入TSN网络的注入时间对网络中CQF队列资源的利用率以及流量调度的成功率有重要影响。ITP机制通过计算和配置每条TSN流在端系统上的发送时间,避免多条流在交换机的队列上同时汇聚产生溢出,从而有效提高队列资源的利用率和可调度的流数量。4.为支持场景驱动的设备参数和规则生成,本文提出一种基于多维约束的网络定制规划方法TSN-Planner。TSN-Planner基于Flex CQF模型提供的数据平面抽象和ITP调度算法进行网络定制规划。TSN-Planner的核心是通过灵活调整资源约束进行迭代式流量规划,直到找到满足应用约束的可行解。5.为评估TSN-Builder面向多样化场景定制的有效性,本文设计实现TSN-Builder原型系统负责设备参数生成和规则配置。本文实验采用的硬件平台是Open TSN开源项目中基于FPGA阵列的可重构数据平面。本文面向工业控制和列车网络等场景进行小型TSN网络的定制实现和评估。实验结果表明,基于TSN-Builder设计的TSN系统能够满足上层应用需求,同时节省TSN网络设计的成本代价和资源开销。