袁夢瑤，喬廬峰，陳慶華，王雷淘

（陸軍工程大學，江蘇 南京 210001）

0 引言

傳統(tǒng)以太網(wǎng)遵循“盡力而為”的數(shù)據(jù)傳輸方式，并不為網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)提供網(wǎng)絡帶寬、傳輸時延、時延抖動等保證。像音頻、視頻業(yè)務，如果不能滿足其對傳輸時延和時延抖動的要求，很可能造成音視頻的失真。另外，在工業(yè)和汽車控制領域中，用于控制工廠生產(chǎn)和駕駛操作的業(yè)務，其傳輸延遲不確定會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制操作不準確。盡管已經(jīng)有PROFINET、EtherCAT、CAN 這類網(wǎng)絡技術來解決以上問題，但這些網(wǎng)絡體系架構封閉，通用性差。基于以上原因，IEEE 802.1 工作組的TSN 任務組制訂了時間敏感網(wǎng)絡（Time-Sensitive Networking，TSN）標準[1]，其高精度時間同步、資源預留及路徑控制、流量整形和業(yè)務調(diào)度等一系列關鍵技術，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性[2]。

1 TSN 網(wǎng)絡

TSN 具有時間同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡配置3 大關鍵技術[3]。其中，時間同步是整個TSN 技術實現(xiàn)的前提，流量調(diào)度是TSN 技術實現(xiàn)的關鍵，網(wǎng)絡配置是TSN 技術實現(xiàn)的保障。TSN 網(wǎng)絡配置模式如圖1 所示。集中網(wǎng)絡配置控制器（Centralized Network Configuration Controller，CNC）通過集中用戶配置控制器（Centralized User Configuration Controller，CUC）得知發(fā)送端和接收端對網(wǎng)絡帶寬和端到端傳輸時延的需求信息，然后根據(jù)需求信息進行運算，并將得到的網(wǎng)絡配置參數(shù)下發(fā)給網(wǎng)絡中相關的各網(wǎng)橋[4]，由網(wǎng)橋根據(jù)配置進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 TSN 網(wǎng)絡配置模式

為了保證網(wǎng)絡服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS），TSN 將網(wǎng)絡中的業(yè)務流進行區(qū)分，并根據(jù)傳輸特性將業(yè)務流劃分為8 類。每類賦給相應的優(yōu)先級值，優(yōu)先級取值范圍為0～7。如圖2 所示，從數(shù)據(jù)幀頭優(yōu)先級字段可以獲取數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級信息。

圖2 TSN 網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)幀格式

2 TSN 交換機硬件結構設計

本文設計的TSN 交換機硬件結構，如圖3 所示。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收MAC 控制器、發(fā)送MAC 控制器、數(shù)據(jù)處理單元、幀分類和雙桶哈希查找單元、Crossbar 交換單元、8 優(yōu)先級共享緩存隊列管理器、調(diào)度器、處理單元以及時間同步與管理單元組成。

圖3 TSN 交換機硬件結構

接收MAC 控制器接收上一網(wǎng)絡節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)傳遞給后級數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)幀頭中的關鍵信息，如源MAC 地址、目的MAC 地址、VLAN ID 等抽取出來，并通過幀分類電路進行分類識別，確定轉(zhuǎn)發(fā)關系。與時間同步相關的協(xié)議幀，經(jīng)過Crossbar 被交換到處理單元或時間同步與管理單元；用戶數(shù)據(jù)幀通過雙桶哈希查找單元，進行源MAC 地址學習和目的MAC 地址查找，并根據(jù)哈希查找電路返回的輸出端口映射位圖及數(shù)據(jù)幀長度、轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級信息等形成該數(shù)據(jù)幀的本地頭，后由Crossbar 交換單元轉(zhuǎn)發(fā)至相應的端口[5]。

在端口處，8 優(yōu)先級共享緩存隊列管理器將數(shù)據(jù)幀存入共享緩存區(qū)，并根據(jù)本地頭中的優(yōu)先級信息將數(shù)據(jù)存儲地址壓入對應的優(yōu)先級隊列，而后調(diào)度器根據(jù)流量調(diào)度算法選擇優(yōu)先級隊列，從隊列中取出數(shù)據(jù)存儲地址。數(shù)據(jù)存儲地址指向的數(shù)據(jù)則由該端口輸出。

3 調(diào)度器的設計與實現(xiàn)

3.1 設計思路

TSN 中流量調(diào)度算法包括嚴格優(yōu)先級（Strict Priority，SP）算法、基于信用的整形器（Credit-Based Shaper，CBS）算法、時間感知整形器（Time-Aware Shaper，TAS）算法，又稱門控調(diào)度算法、循環(huán)隊列轉(zhuǎn)發(fā)（Cyclic Queuing and Forwarding，CQF）算法以及幀搶占（Freemption）等[6]。SP 算法是最常用的一種流量調(diào)度算法，依據(jù)隊列的優(yōu)先級信息進行傳輸選擇。CBS 算法是一種基于信用的調(diào)度算法，可以提前為業(yè)務流預留帶寬，提供端到端資源管理，保證時間敏感業(yè)務流的確定性傳輸。TAS 算法將不同類型的業(yè)務流在時間上隔離，于特定的時間段發(fā)送特定類型的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)業(yè)務流的傳輸時延可控。CQF 算法是對TAS 算法的一個改進，在TAS 算法的基礎上增加流量入隊控制，使流量按照時間計劃入隊，控制數(shù)據(jù)進出隊列交錯進行，確保交換機在上一時隙收到的數(shù)據(jù)幀下一時隙轉(zhuǎn)發(fā)出去，使時間敏感業(yè)務流的傳輸時延易于計算。幀搶占調(diào)度算法中，搶占幀可打斷當前正在傳輸?shù)钠胀〝?shù)據(jù)幀，并對其進行切片，等待搶占幀傳輸完畢，再繼續(xù)傳輸被打斷的普通數(shù)據(jù)幀。此算法可與TAS算法結合使用，減少保護帶帶寬。

調(diào)度器是TSN 交換機的核心單元。如果調(diào)度器電路僅涉及嚴格優(yōu)先級一種調(diào)度算法，交換機就無法滿足時間敏感業(yè)務流對傳輸時延可控的要求。本文設計的調(diào)度器電路使用SP、CBS、TAS 這3 種調(diào)度算法，并可以根據(jù)配置靈活使用。具體調(diào)度器電路，如圖4 所示。圖4 中端口支持8 個優(yōu)先級隊列，隊列數(shù)值越高，優(yōu)先級越高。所有隊列都支持SP 算法和TAS算法，隊列7和隊列6還支持CBS調(diào)度算法。隊列后的緩沖fifo 用來暫存隊列數(shù)據(jù)，目的是使電路簡便快速地獲取隊列數(shù)據(jù)進行流量調(diào)度。

圖4 TSN 交換機調(diào)度器設計

3.2 SP 算法

嚴格優(yōu)先級算法的工作原理是選擇傳輸優(yōu)先級最高的隊列。如圖5 所示，電路從優(yōu)先級最高的隊列7 開始訪問，如果隊列非空，則選擇該隊列中的數(shù)據(jù)進行傳輸，否則訪問優(yōu)先級次之的隊列6。若隊列6 非空，選擇該隊列數(shù)據(jù)進行傳輸，否則依優(yōu)先級從高到低的順序訪問。

圖5 SP 算法工作原理

3.3 CBS 算法

支持CBS 算法的隊列有一個信用值Credit。當Credit ≥0 且隊列非空時，隊列滿足傳輸條件。但是，因為在本文設計的調(diào)度器中，CBS 算法是與TAS 算法、SP 算法一起工作的，所以判斷隊列是否符合傳輸條件的因素，不僅有隊列信用值，還有隊列門狀態(tài)和支持CBS 算法的其他隊列的傳輸狀態(tài)兩個因素。因此，CBS 算法電路中設計門狀態(tài)監(jiān)視器電路模塊，用來監(jiān)測隊列門狀態(tài)。當隊列門關閉時，隊列停止傳輸，信用值保持不變。設計仲裁器電路模塊，從多個支持CBS 調(diào)度算法并符合傳輸條件的隊列中選擇其中一個隊列進行傳輸。此外，設計隊列信用更新電路模塊，進行隊列信用更新。支持CBS 算法隊列的信用更新機制如圖6所示。

圖6 CBS 算法隊列信用更新機制

假如隊列正在傳輸，則隊列Credit 以sendSlope速率降低，直至信用下限lowCredit，停止傳輸；若隊列非空并處于等待傳輸狀態(tài)，則隊列Credit 則以idleSlope 速率增加，直至上限保持不變。sendSlope和idleSlope 兩個參數(shù)是由處理器配置給支持CBS算法隊列的。

3.4 TAS 算法

TAS 算法對流量的調(diào)度主要依靠時間同步機制和門控調(diào)度機制。在TNS 中各交換機在時間同步的基礎上，交換機端口執(zhí)行處理器單元配置的門控列表，按照時間計劃表控制數(shù)據(jù)輸出隊列，將調(diào)度流量在特定的時間段傳輸，防止其他流量對調(diào)度的流量造成干擾，最終實現(xiàn)調(diào)度流量的確定性傳輸和時延可控。TAS 算法具體電路結構如圖7 所示，共分為3 個模塊，即列表配置狀態(tài)機、循環(huán)定時狀態(tài)機和列表執(zhí)行狀態(tài)機。狀態(tài)機與狀態(tài)機之間相互協(xié)助實現(xiàn)門控調(diào)度功能，具體工作流程如圖8 所示。列表配置狀態(tài)機接收到來自處理器單元對列表配置更新的信號后，對門控列表和與列表配置相關的參數(shù)進行更新，如門控列表長度、循環(huán)周期等。當對門控列表重新配置后，則給循環(huán)定時狀態(tài)機一個配置成功等待執(zhí)行的信號。循環(huán)定時狀態(tài)機收到信號后，根據(jù)列表循環(huán)周期、執(zhí)行時間等信息，判斷列表是否開始執(zhí)行。若開始執(zhí)行，則向列表執(zhí)行狀態(tài)機發(fā)送一個列表執(zhí)行信號。列表執(zhí)行狀態(tài)機在接收到列表執(zhí)行信號后，從列表配置狀態(tài)機處獲取門控列表，并依次執(zhí)行各表項，更改對應的隊列門的開關狀態(tài)。

圖7 TAS 算法電路模塊

圖8 TAS 算法工作流程

4 仿真分析

本文以Xilinx Virtex-6 開發(fā)板為硬件平臺搭建TSN 交換機電路，其關鍵調(diào)度算法的仿真波形如圖9和圖10 所示。圖9 和圖10 展示的是CBS 算法電路的仿真結果圖，Credit_A 和Credit_B 信號分別表示隊列7 和隊列6 的信用值。如圖4 所示TSN 調(diào)度器設計，隊列7 和隊列6 都是支持CBS 算法的隊列，且隊列7 比隊列6 優(yōu)先級高。圖9 中1 處顯示系統(tǒng)初始化后，隊列A 和隊列B 都處于非傳輸狀態(tài)，信用值都為0；圖9 中2 處顯示A 隊列tansmitting 信號拉高，信用值增加，驗證了在A、B 兩隊列非空且門被打開的情況下，CBS 算法電路可通過仲裁器將傳輸?shù)膬?yōu)先權賦給優(yōu)先級較高的A 隊列；圖9 中3 處顯示A 隊列信用保持不變，transmitting 信號拉低，驗證了CBS 算法電路的門狀態(tài)監(jiān)視器模塊檢測到A 隊列門狀態(tài)變?yōu)殛P閉，并停止該隊列的數(shù)據(jù)傳輸和信用更新。圖10 中4 處顯示即使A 隊列門打開，其優(yōu)先級比B 隊列高，但B 隊列正在傳輸，A 隊列不能打斷B 隊列的傳輸，只能等待；圖10 中5 處顯示A、B 兩隊列都變空，不滿足隊列傳輸條件，調(diào)度器停止兩個隊列的數(shù)據(jù)傳輸。

圖9 CBS 算法仿真結果1

圖10 CBS 算法仿真結果2

5 結語

本文給出了一種TSN 交換機系統(tǒng)設計方案，由數(shù)據(jù)收發(fā)單元、數(shù)據(jù)處理單元、交換單元、隊列管理器和調(diào)度器組成。為了滿足混合業(yè)務流的轉(zhuǎn)發(fā)需求，設計的TSN 交換機調(diào)度器支持SP、CBS、TAS這3 種調(diào)度算法。CBS 算法可預留帶寬，保證時間敏感業(yè)務流的確定性傳輸。TAS 算法可保證時間敏感業(yè)務流傳輸時延可控。3 種調(diào)度器可根據(jù)配置，靈活使用。TSN 交換機關鍵電路在Xilinx Virtex-6開發(fā)板上進行了設計與仿真分析，結果表明，調(diào)度器可以滿足時間敏感業(yè)務流確定性傳輸?shù)男枨蟆?/p>