莫益軍，楊子涵，劉輝宇，何天流

（華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

1 引言

隨著工業(yè)4.0、遠(yuǎn)程駕駛和遠(yuǎn)程手術(shù)等應(yīng)用數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)超低時(shí)延和微小抖動(dòng)要求越來越高[1]。其中工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)要求端到端時(shí)延為微秒級(jí)到毫秒級(jí)，抖動(dòng)為微秒級(jí)；觸覺互聯(lián)網(wǎng)（遠(yuǎn)程手術(shù)）要求端到端時(shí)延為3～10 ms，抖動(dòng)不超過2 ms；輔助駕駛要求端到端時(shí)延為100～250 μs，抖動(dòng)為幾微秒。遠(yuǎn)程駕駛不僅需要低時(shí)延抖動(dòng)，還需要更高傳輸速率[2]。為滿足上述應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（time sensitive network，TSN）和確定性網(wǎng)絡(luò)（deterministic network，DetNet）分別對(duì)以太網(wǎng)的鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行優(yōu)化，提升其對(duì)時(shí)間敏感流傳輸?shù)闹文芰Α?/p>

為保障確定性業(yè)務(wù)需求，TSN主要從時(shí)間同步、資源預(yù)留、流量控制和排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)等方面對(duì)以太網(wǎng)L2層進(jìn)行優(yōu)化，DetNet則從動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置、資源編排、路徑規(guī)劃、路由轉(zhuǎn)發(fā)和多徑轉(zhuǎn)發(fā)等方面對(duì)以太網(wǎng)L3層進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到業(yè)務(wù)流排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)是L2層TSN和L3層DetNet共同關(guān)注的焦點(diǎn)，且DetNet中，即便做了路徑規(guī)劃和資源預(yù)留，也會(huì)因突發(fā)流量和過載流量競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生不可預(yù)知的時(shí)延和抖動(dòng)，本文后續(xù)的工作將圍繞流量整形和隊(duì)列排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)展開。IEEE 802.1tsn標(biāo)準(zhǔn)中提出的流量整形調(diào)度包括IEEE 802.1Q中提出的基于信用的流量整形[3]（credit based shaper，CBS）、IEEE 802.1Qbv中提出的時(shí)間感知整形[4]（time aware shaper，TAS）、IEEE 802.1Qcr中提出的異步流整形[5]（asynchronous traffic shaper，ATS）和IEEE 802.1Qbu中提取的幀內(nèi)搶占整形（framepreemption shaper，F(xiàn)PS）等，IEEE 802.1Qch中設(shè)計(jì)的隊(duì)列和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制包括CQF[6]、CQF-3、增強(qiáng)型循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)（paternoster）、循環(huán)特定排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)（cyclic special queuing and forwarding，CSQF）和可擴(kuò)展確定性排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)（scalable deterministic forwarding，SDF）。

分析流量整形和排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)方案可知，CBS根據(jù)兩類隊(duì)列中的排隊(duì)幀數(shù)和傳輸幀數(shù)調(diào)整端口速率，導(dǎo)致平均隊(duì)列時(shí)延較高；TAS采用門控機(jī)制對(duì)輸出端口八隊(duì)列進(jìn)行控制，每隊(duì)列可分別設(shè)置不同的傳輸策略，其時(shí)延抖動(dòng)性能得到提升，其管理復(fù)雜度高，且抗過載流量能力較弱；CQF在TAS門控隊(duì)列基礎(chǔ)上選取最后兩個(gè)隊(duì)列用于時(shí)延敏感業(yè)務(wù)流量的循環(huán)排隊(duì)，其時(shí)延抖動(dòng)性能得到進(jìn)一步提升，但同樣存在抗過載流量能力弱，且對(duì)時(shí)間同步要求較高。上述排隊(duì)方案通過周期性控制節(jié)點(diǎn)自身門控隊(duì)列開關(guān)保障時(shí)延敏感業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，僅考慮了交換節(jié)點(diǎn)自身調(diào)度頻率和進(jìn)出流量類型，只適用于小規(guī)模輕載局部網(wǎng)絡(luò)。而大規(guī)模DetNet傳輸距離遠(yuǎn)、拓?fù)湟鬃兓吐窂降牟淮_定，難以保證下游交換節(jié)點(diǎn)在兩倍時(shí)隙周期內(nèi)接受到上游節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)。另一方面，確定性時(shí)延敏感業(yè)務(wù)并非恒定速率，且存在流量微突發(fā)和流量過載情況。一旦流量過載，時(shí)間抖動(dòng)性能急劇惡化[7]。鑒于此，TSN和DetNet研究者在CQF基礎(chǔ)上將出口隊(duì)列擴(kuò)展至3～4個(gè)，分別承擔(dān)接收、暫存和門控等功能，并結(jié)合端到端的路徑分別確定各交換節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)調(diào)度策略。

針對(duì)大規(guī)模DetNet拓?fù)浜蛡鬏斕攸c(diǎn)[8]，確定性業(yè)務(wù)流存在的微突發(fā)現(xiàn)象和現(xiàn)有隊(duì)列機(jī)制保障過載確定性流量能力不足問題，本文在標(biāo)準(zhǔn)CQF方案基礎(chǔ)上提出了GCQF-3方案，對(duì)其進(jìn)行了3項(xiàng)優(yōu)化，首先，將標(biāo)準(zhǔn)CQF中服務(wù)于確定性流的雙隊(duì)列擴(kuò)展為三隊(duì)列，增加的緩存隊(duì)列用于對(duì)微突發(fā)業(yè)務(wù)流進(jìn)行整形，并暫存部分高負(fù)載數(shù)據(jù)報(bào)和未及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)；其次，在對(duì)隊(duì)列進(jìn)行門控時(shí)，綜合考慮端到端路徑途徑交換節(jié)點(diǎn)的出入度和流量負(fù)載分布，并在幀搶占式隊(duì)列基礎(chǔ)上，將周期性逐報(bào)文門控優(yōu)化為逐幀門控；最后，通過增加確定性流隊(duì)列數(shù)量和全局狀態(tài)感知的靈活門控策略，降低了高負(fù)載情況的丟包率，提升時(shí)延抖動(dòng)性能。

2 相關(guān)工作

實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)的過程中，單一VID難以滿足需求，邊緣節(jié)點(diǎn)生成的唯一DetNet流標(biāo)識(shí)被用于確定性流的識(shí)別；同時(shí)周期性標(biāo)識(shí)的嵌入使得全網(wǎng)精確的時(shí)間同步得以實(shí)現(xiàn)，這是DetNet和TSN的基礎(chǔ)。但是網(wǎng)絡(luò)中無序到達(dá)的流量對(duì)于業(yè)務(wù)的處理造成了困擾，引入的流量整形器保證確定性業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)資源分配，使得流量在有界時(shí)間內(nèi)進(jìn)入下一跳。循環(huán)隊(duì)列排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)作為一種流量整形機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了特定流量需求的細(xì)粒度QoS服務(wù)。

2.1 流標(biāo)識(shí)及同步

大規(guī)模DetNet對(duì)確定性業(yè)務(wù)流的時(shí)延抖動(dòng)進(jìn)行保障，逐流確定其業(yè)務(wù)類別及確定性時(shí)延抖動(dòng)屬性，并以此為基礎(chǔ)在交換節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)[9]。IEEE 802.1tsn中建議將以太網(wǎng)報(bào)頭的優(yōu)先級(jí)碼點(diǎn)（PCP）字段和VLAN ID（VID）共同作為流標(biāo)識(shí)。但遠(yuǎn)距離大規(guī)模DetNet需跨多段網(wǎng)絡(luò)，VID難以穿越端到端所有網(wǎng)絡(luò)，需逐段進(jìn)行VID的映射，且全網(wǎng)最大VLAN數(shù)不能超過4 096，意味著使用VID作為DetNet流標(biāo)識(shí)將限制了確定性業(yè)務(wù)流并發(fā)數(shù)量。另一方面，諸如遠(yuǎn)程駕駛和遠(yuǎn)程手術(shù)之類的確定性業(yè)務(wù)涉及多流和多轉(zhuǎn)發(fā)路徑，單一VID難以滿足多流、多路徑需求。鑒于此，可在確定性業(yè)務(wù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由邊緣節(jié)點(diǎn)生成唯一DetNet流標(biāo)識(shí)，將其封裝在DetNet SRv6頭部，以用于確定性流識(shí)別和排隊(duì)。

DetNet和TSN需要全網(wǎng)具備精確的時(shí)間同步，以滿足時(shí)延和抖動(dòng)需求[10]。毫秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（network time protocol，NTP）因其時(shí)鐘偏移和時(shí)間配置無法滿足DetNet的時(shí)間同步要求。現(xiàn)有時(shí)間同步僅限于亞微秒級(jí)精度，跨網(wǎng)絡(luò)定時(shí)信息的全局共享需要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間彼此精確地同步，大型對(duì)撞機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置要求亞納秒級(jí)的時(shí)間精度。鑒于此，IEEE 802.1AS采用通用精確時(shí)間協(xié)議[11]（gPTP）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)間同步。gPTP通過時(shí)間主機(jī)和時(shí)間從機(jī)之間的消息傳遞形成時(shí)間感知網(wǎng)絡(luò)（gPTP域），基于對(duì)等路徑延遲機(jī)制計(jì)算駐留時(shí)間和鏈路時(shí)延，以此校準(zhǔn)時(shí)間實(shí)現(xiàn)本地時(shí)間與gPTP域的主時(shí)間同步，最終保證所有設(shè)備同步到全局時(shí)間，以用于門控隊(duì)列的開閉控制。該時(shí)間同步精度取決于主時(shí)間頻率、駐留時(shí)間和鏈路時(shí)延。各網(wǎng)絡(luò)實(shí)體保持高時(shí)鐘精度成本較高，且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間頻繁的定時(shí)信息周期性交換給控制面帶來較大負(fù)載壓力。為解決同步成本和網(wǎng)絡(luò)開銷問題，ATS和SDF都提出在數(shù)據(jù)報(bào)中嵌入周期標(biāo)識(shí)，只需網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)頻率同步即可消除節(jié)點(diǎn)隊(duì)列控制對(duì)時(shí)間同步和時(shí)隙同步的苛刻要求。

2.2 流量整形控制

DetNet和TSN中節(jié)點(diǎn)引入流量整形器對(duì)無序到達(dá)的各類流量進(jìn)行平滑整形，保證在有界時(shí)間內(nèi)進(jìn)入下一跳[12]。其流量整形器需要保證確定性業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)資源分配，確定性流與盡力而為流的隔離和排隊(duì)幀等待時(shí)間限制等。標(biāo)準(zhǔn)的流量整形方法包括CBS、脈沖限制整形器、TAS和ATS等。CBS引入信用機(jī)制進(jìn)行特定流量的排隊(duì)整形，其信用隨空閑斜率增加，隨發(fā)送斜率降低，當(dāng)信用大于或等于零時(shí)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)流量，分散了CBS通信量，避免了下游節(jié)點(diǎn)的流量突發(fā)；TAS引入時(shí)分復(fù)用機(jī)制周期循環(huán)控制隊(duì)列開閉，根據(jù)門控列表（gate contorl list，GCL）循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)定時(shí)門打開狀態(tài)的隊(duì)列流量，節(jié)點(diǎn)出口流傳輸時(shí)選擇特定的傳輸策略；ATS則融合了逐跳逐流分類整形機(jī)制，引入令牌桶整形器控制流輸出速率，防止下游節(jié)點(diǎn)流量突發(fā)。

2.3 隊(duì)列排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)

DetNet和TSN的標(biāo)準(zhǔn)流量調(diào)度和隊(duì)列管理方案分為分類隊(duì)列和逐流隊(duì)列[13]。分類隊(duì)列基于服務(wù)類別分配優(yōu)先級(jí)，與以太網(wǎng)層優(yōu)先級(jí)碼點(diǎn)（priority code point，PCP）3位相對(duì)應(yīng)，分類隊(duì)列每個(gè)節(jié)點(diǎn)端口使用8個(gè)隊(duì)列來處理服務(wù)類。分類隊(duì)列QoS保障粒度較粗，共享相同PCP碼的業(yè)務(wù)流排隊(duì)時(shí)容易導(dǎo)致業(yè)務(wù)流突發(fā)，且傳遞到下游相應(yīng)隊(duì)列；逐流隊(duì)列則在節(jié)點(diǎn)端口為每條流提供一個(gè)隊(duì)列，可逐流管理突發(fā)性及速率，實(shí)現(xiàn)特定流量需求的細(xì)粒度QoS服務(wù)。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大，逐流排隊(duì)成本高、擴(kuò)展性差，難以實(shí)用。分類逐流混合隊(duì)列方式是平衡分類隊(duì)列和逐流隊(duì)列性能的首選。

針對(duì)DetNet和TSN的隊(duì)列控制，對(duì)CQF、CQF-3、Paternoster、SDF和CSQF的分析如下。

（1）CQF

循環(huán)排隊(duì)和轉(zhuǎn)發(fā)由蠕動(dòng)整形器[14]發(fā)展而來，以循環(huán)方式調(diào)度節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流入出隊(duì)列。CQF將隊(duì)列按時(shí)隙劃分復(fù)用，使用8個(gè)隊(duì)列中的兩個(gè)對(duì)確定性業(yè)務(wù)流進(jìn)行循環(huán)調(diào)度。兩個(gè)隊(duì)列中一個(gè)隊(duì)列在某時(shí)隙對(duì)到達(dá)幀排隊(duì)時(shí)，另一隊(duì)列將上個(gè)時(shí)隙排隊(duì)幀取出并轉(zhuǎn)發(fā)，即任何時(shí)隙內(nèi)到達(dá)幀在下個(gè)時(shí)隙傳輸，且在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)到達(dá)下一跳節(jié)點(diǎn)。這意味著上下游節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延需小于時(shí)隙間隔時(shí)長(zhǎng)，CQF門控時(shí)隙受制于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和鏈路距離。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，其時(shí)隙間隔越大，時(shí)延抖動(dòng)越難保障，且當(dāng)入口幀到達(dá)間隔小于時(shí)隙間隔時(shí)，容易引起累積流量突發(fā)。

（2）CQF-3

針對(duì)CQF存在的問題，尤其是上游節(jié)點(diǎn)到達(dá)幀傳輸?shù)较掠喂?jié)點(diǎn)的時(shí)延因鏈路傳播和節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延超過兩個(gè)時(shí)隙周期時(shí)，引入第3個(gè)分組隊(duì)列充當(dāng)緩沖，以避免幀到達(dá)時(shí)隙錯(cuò)誤或丟包。

（3）Paternoster機(jī)制

同樣針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CQF存在的問題，Paternoster機(jī)制在每個(gè)節(jié)點(diǎn)出口設(shè)置一個(gè)流保留計(jì)數(shù)器和先前、當(dāng)、后續(xù)和最后4個(gè)輸出隊(duì)列。每個(gè)時(shí)間窗口中，先處理完先前隊(duì)列后，再選擇當(dāng)前隊(duì)列進(jìn)行傳輸，直至窗口期滿。在處理過程中，新接收幀在當(dāng)前隊(duì)列排隊(duì)。追加幀在后續(xù)隊(duì)列和最后隊(duì)列排隊(duì)，直至超過隊(duì)列門限而被丟棄。每個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，4個(gè)隊(duì)列交替轉(zhuǎn)換狀態(tài)。該方案通過4個(gè)狀態(tài)隊(duì)列增強(qiáng)了CQF的容錯(cuò)能力，降低了丟包率，但隨著DetNet跳數(shù)節(jié)點(diǎn)增加，維護(hù)成本快速增加，時(shí)延抖動(dòng)性能有所下降。

（4）SDF

SDF在保證節(jié)點(diǎn)具有同步頻率基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)報(bào)中增加周期標(biāo)識(shí)符，以時(shí)隙方式異步轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流，以消除節(jié)點(diǎn)間的苛刻時(shí)間同步需求。在入口節(jié)點(diǎn)和出口節(jié)點(diǎn)增加流量整形門控，僅在網(wǎng)關(guān)處進(jìn)行逐流排隊(duì)，并為每類流量維護(hù)3個(gè)隊(duì)列，一個(gè)用于輸出排隊(duì)，兩個(gè)用于不同周期標(biāo)識(shí)符的輸入排隊(duì)，一個(gè)隊(duì)列出列，兩個(gè)隊(duì)列入列（來自不同的周期標(biāo)識(shí)符）。本節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到來自上游節(jié)點(diǎn)報(bào)文中的顯式周期標(biāo)識(shí)符進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的周期關(guān)系映射和轉(zhuǎn)發(fā)，SDF時(shí)延上限同CQF一樣節(jié)點(diǎn)間不超過兩倍時(shí)隙周期，全網(wǎng)不超過兩倍總跳數(shù)時(shí)隙周期。

（5）CSQF

CSQF針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CQF為滿足幀轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)隙規(guī)則預(yù)留保護(hù)帶寬而損失帶寬利用率問題，借助段路由標(biāo)識(shí)符（SID）協(xié)調(diào)循環(huán)傳輸時(shí)間，并明確在端到端路徑上指定每個(gè)DetNet節(jié)點(diǎn)的傳輸周期。此外，CSQF沿用了CQF的分類隊(duì)列思想，按流量分類在節(jié)點(diǎn)出口維護(hù)發(fā)送、接受和容忍3個(gè)隊(duì)列，且循環(huán)交替更換隊(duì)列角色和狀態(tài)。

綜上所述，為滿足大規(guī)模確定性時(shí)延抖動(dòng)需求，在CQF基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行隊(duì)列演進(jìn)嘗試，其研究趨勢(shì)主要體現(xiàn)為4點(diǎn)，并用于指導(dǎo)GCQF-3設(shè)計(jì)。

? 引入時(shí)隙周期性標(biāo)簽降低時(shí)間同步要求。

? 采用混合分類排隊(duì)和逐流排隊(duì)機(jī)制以滿足不同規(guī)模拓?fù)涞臄U(kuò)展性和管理需求。

? 采用狀態(tài)循環(huán)交替變換的多隊(duì)列機(jī)制解決隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)隙周期錯(cuò)誤和突發(fā)流量問題。

? 采用端到端全路徑多跳排隊(duì)代替單跳排隊(duì)控制以及時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化。

3 全局循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

3.1 全局循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)框架

參考大規(guī)模DetNet中節(jié)點(diǎn)隊(duì)列設(shè)計(jì)的四大趨勢(shì)，為保證DetNet流時(shí)延抖動(dòng)需求，本文提出GCQF-3排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)框架如圖1所示，包括4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

圖1 面向DetNet的全局循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)框架

? 當(dāng)新發(fā)起確定性流進(jìn)入入口網(wǎng)關(guān)時(shí)，節(jié)點(diǎn)向控制平面注冊(cè)DetNet流速率和時(shí)延抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)資源需求和QoS需求，以進(jìn)行路徑選擇和資源預(yù)留。當(dāng)DetNet流進(jìn)行排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，攜帶DetNet流標(biāo)識(shí)。

? 端到端路徑上的交換節(jié)點(diǎn)向控制平面報(bào)告自身節(jié)點(diǎn)在途流標(biāo)識(shí)、確定性流總速率及確定性流的入度和出度，以指導(dǎo)全局循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)。

? 每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)為確定性流分配三隊(duì)列，分別用于接收、緩存和傳輸。

? 出口節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)隙周期標(biāo)識(shí)計(jì)算測(cè)量確定性流的端到端時(shí)延和抖動(dòng)，將異常差錯(cuò)報(bào)告給控制平面，以調(diào)整全局循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)策略。

3.2 三隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)處理機(jī)制

考慮到PCP位數(shù)限制，全局循環(huán)排隊(duì)沿用標(biāo)準(zhǔn)CQF的八隊(duì)列設(shè)計(jì)，其中兩隊(duì)列用于確定性業(yè)務(wù)流量排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)，伴隨確定性雙隊(duì)列的，額外引入一個(gè)共享緩存隊(duì)列。該隊(duì)列不直接從輸入端口接收數(shù)據(jù)，僅接收兩個(gè)確定性隊(duì)列溢出時(shí)擬丟棄數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行排隊(duì)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)流的緩存和平滑調(diào)度。并與對(duì)應(yīng)隊(duì)列門控進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，調(diào)節(jié)出口報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)速率。隨著確定性流量的增加，可按兩確定性隊(duì)列加伴隨緩存隊(duì)列的配置成組增加用于確定性業(yè)務(wù)流量排隊(duì)的隊(duì)列。全局三隊(duì)列循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制如圖2所示。

圖2 GCQF-3循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

交換節(jié)點(diǎn)完成選路和交換后，基于以太網(wǎng)幀中的VLAN標(biāo)簽、PCP分類碼和流標(biāo)識(shí)區(qū)分流量?jī)?yōu)先級(jí)，對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并將確定性流輸出至相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)。其中，確定性業(yè)務(wù)進(jìn)入分發(fā)至兩個(gè)確定性隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)。各交換節(jié)點(diǎn)的確定性隊(duì)列控制單元定期對(duì)兩個(gè)確定性隊(duì)列和緩存伴隨隊(duì)列的忙閑狀態(tài)和流標(biāo)識(shí)進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)控狀態(tài)匯報(bào)至確定性控制器。確定性控制器對(duì)其計(jì)算確定性流的端到端路徑，并對(duì)各交換節(jié)點(diǎn)承載的確定性業(yè)務(wù)流屬性、數(shù)量和流量進(jìn)行估計(jì)，并將與其反饋至與其相關(guān)聯(lián)的交換節(jié)點(diǎn)。各交換節(jié)點(diǎn)根據(jù)各自隊(duì)列狀態(tài)、確定性流需求和路徑各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，控制緩存伴隨隊(duì)列的存取順序和速度，調(diào)節(jié)確定性隊(duì)列門控打開閉合時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)排隊(duì)的數(shù)據(jù)報(bào)未超出確定性隊(duì)列容量時(shí)，GCQF-3與CQF相同，兩隊(duì)列在奇偶周期輪流打開。當(dāng)排隊(duì)數(shù)據(jù)報(bào)超出確定性隊(duì)列容量，GCQF-3并不會(huì)將數(shù)據(jù)報(bào)丟棄，而是進(jìn)入緩存伴隨隊(duì)列進(jìn)行緩存，確定性隊(duì)列中當(dāng)前數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束后，按序逐流分等級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)緩存伴隨隊(duì)列中確定性等級(jí)高的數(shù)據(jù)報(bào)，其門控周期保持與CQF一致，但其數(shù)據(jù)報(bào)調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)頻次取決于端到端傳播路徑和路徑節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

3.3 隊(duì)列門控策略及參數(shù)

（1）GCQF-3時(shí)序

大規(guī)模確定性網(wǎng)絡(luò)完成路徑規(guī)劃、資源切片和路由選擇后，端到端路徑和拓?fù)湎鄬?duì)固定，單跳往返時(shí)延和端到端往返時(shí)延相對(duì)固定，但因兩個(gè)確定性隊(duì)列循環(huán)開閉周期和上游報(bào)文發(fā)送時(shí)間與下游報(bào)文接收時(shí)間與與上下游往返時(shí)間相關(guān)，隨著端到端路徑傳播距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，節(jié)點(diǎn)排隊(duì)時(shí)延和端到端時(shí)延都將增大。為降低確定性流時(shí)延，GCQF-3針對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)排隊(duì)和門控轉(zhuǎn)發(fā)需占用兩個(gè)時(shí)隙周期的問題，直接將端到端傳播距離較長(zhǎng)的確定性流的數(shù)據(jù)報(bào)同時(shí)通過兩個(gè)確定性隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)，保證長(zhǎng)距確定性流數(shù)據(jù)報(bào)無須耗費(fèi)等待周期，一直處于可發(fā)送狀態(tài)，但發(fā)送時(shí)機(jī)仍受排隊(duì)長(zhǎng)度和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)速度影響。

如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)CQF以T為單位周期性輪流開閉隊(duì)列門控。隊(duì)列6奇數(shù)時(shí)隙打開，偶數(shù)時(shí)隙關(guān)閉；隊(duì)列7奇數(shù)時(shí)隙關(guān)閉，偶數(shù)時(shí)隙打開。若平均每跳傳輸時(shí)延為P，則數(shù)據(jù)報(bào)每跳時(shí)延為[T+P, 2T+P]，端到端N跳的時(shí)延為[NT+NP, 2NT+NP]，端到端時(shí)延隨跳數(shù)二倍增加。當(dāng)隊(duì)列負(fù)載較重和端到端路徑跳數(shù)較長(zhǎng)時(shí)，GCQF-3除了在奇數(shù)時(shí)隙打開隊(duì)列6門控，偶數(shù)時(shí)隙打開隊(duì)列7時(shí)隙，將未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過緩存伴隨隊(duì)列HQ轉(zhuǎn)發(fā)，HQ保持與打開狀態(tài)的門控連接，則除首跳外，數(shù)據(jù)報(bào)每跳時(shí)延為[P,P+δ]，則端到端N跳的時(shí)延為[T+P+δ,T+NP+δ]，即時(shí)延僅與傳播時(shí)延相關(guān)。

圖3 GCQF-3循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

（2）門控策略

為簡(jiǎn)單起見，上述GCQF-3時(shí)序僅介紹了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜土髁亢愣顟B(tài)下的端到端隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)序。真實(shí)網(wǎng)絡(luò)受節(jié)點(diǎn)加入退出、負(fù)載分布和服務(wù)能力影響，其端到端路徑跳數(shù)和距離也隨之變化。另一方面，確定性業(yè)務(wù)碼流并非恒定速率，且受路徑變化和確定性流非均勻到達(dá)的影響，高負(fù)載確定性網(wǎng)絡(luò)中端到端路徑上中間節(jié)點(diǎn)不可避免地存在流量突發(fā)。為降低長(zhǎng)距轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延，且兼顧平滑抑制流量突發(fā)問題，GCQF-3綜合平衡周期循環(huán)、快速轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)感知3類門控策略。

（1）周期循環(huán)策略

周期循環(huán)門控策略適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小和端到端跳數(shù)較少的情況，GCQF-3退化為CQF，在奇偶周期交替分別打開確定性隊(duì)列6和7。

（2）快速轉(zhuǎn)發(fā)策略

快速轉(zhuǎn)發(fā)策略是為適應(yīng)GCQF-3時(shí)序描述中提到的大規(guī)模確定性網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)而制定的策略，相對(duì)長(zhǎng)距鏈路和多跳路徑，GCQF-3通過緩存伴隨隊(duì)列保證到達(dá)報(bào)文持續(xù)有機(jī)會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)，無須等待，但其轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度頻率受制于隊(duì)列長(zhǎng)度及隊(duì)列讀取最小調(diào)度周期，該策略相當(dāng)于以更細(xì)顆粒度執(zhí)行周期循環(huán)策略?？焖俎D(zhuǎn)發(fā)策略僅與三隊(duì)列的排隊(duì)順序和時(shí)間戳有關(guān)，不區(qū)分確定性流的類型和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。

（3）狀態(tài)感知策略

狀態(tài)感知策略是為適應(yīng)拓?fù)渥兓?、重載流量和流量突發(fā)制定的隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)策略。重載流量和突發(fā)流量情況下，不考慮網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)發(fā)，將加劇排隊(duì)擁塞和丟包，時(shí)延抖動(dòng)難以保障。針對(duì)此問題，各交換節(jié)點(diǎn)的GCQF-3根據(jù)確定性控制器返回的端到端路徑上逐跳往返傳播時(shí)延，交換節(jié)點(diǎn)相應(yīng)端口的入度、出度、流量和隊(duì)列負(fù)載比，以及本節(jié)點(diǎn)相應(yīng)端口的待轉(zhuǎn)發(fā)流量，確定其轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度頻率，若感知的上述狀態(tài)未超過門限值，其策略將簡(jiǎn)化為快速轉(zhuǎn)發(fā)策略，甚至周期循環(huán)策略。

針對(duì)上述3種情況，GCQF-3的排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)策略算法的相關(guān)流程如算法1所示，其中涉及的參數(shù)符號(hào)見表1。

表1 GCQF-3排隊(duì)策略相關(guān)參數(shù)

算法1GCQF-3隊(duì)列門控策略

輸入Sid, Pidi

輸出T,Repeatk

獲取確定性流的Sid, Pidi

通過Pidi計(jì)算Hopi

計(jì)算Lengthi

else

else

else

return result

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 仿真框架

不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模拓?fù)浜痛_定性流量負(fù)載對(duì)循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的端到端時(shí)延與抖動(dòng)性能影響較大，為快速評(píng)估循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列的時(shí)延抖動(dòng)性能，在事件驅(qū)動(dòng)的OMNeT++（objective modular network tested in C++）仿真平臺(tái)[15]基礎(chǔ)之上，構(gòu)建承載確定性流量排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的驗(yàn)證環(huán)境，其仿真驗(yàn)證框架如圖4所示，包括流量拓?fù)錁?gòu)建、時(shí)隙分配映射、排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)控制和仿真參數(shù)控制4個(gè)部分。

圖4 確定性網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)仿真框架

（1）流量拓?fù)錁?gòu)建

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在確定性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中占比較高，而本地工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在線形、環(huán)形和星形3種拓?fù)洹ｈb于此，本仿真框架將生成線形拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)浜托切瓮負(fù)?種以驗(yàn)證不同拓?fù)湎碌拇_定性流量排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

（2）時(shí)隙分配映射

時(shí)隙分配是確定性網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)門控的基礎(chǔ)，本仿真框架中不區(qū)分同步時(shí)鐘和異步時(shí)隙映射，但將時(shí)隙劃分為確定性周期、非確定性周期及保護(hù)周期，其周期占比分別為70%、25%、5%。

（3）排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)控制

本仿真控制框架在OMNeT++的NeSting中實(shí)現(xiàn)了CQF、CQF-3和GCQF-3等多種框架，為保證GCQF-3的正常運(yùn)行，還對(duì)路徑和狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)控和感知，對(duì)排隊(duì)等級(jí)和周期調(diào)度參數(shù)等進(jìn)行修改和控制。

（4）仿真參數(shù)控制

為全面評(píng)估各種參數(shù)對(duì)確定性網(wǎng)絡(luò)中排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)策略的影響，該模塊對(duì)表1中所示參數(shù)提供調(diào)整接口，并組合確定性流量、非確定性流量、背景流量和突發(fā)流量等各種流量進(jìn)行打流仿真測(cè)試。

在上述確定性網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)仿真框架下，對(duì)本文提出的GCQF-3排隊(duì)機(jī)制與CQF和CQF-3等現(xiàn)有排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的時(shí)延抖動(dòng)性能進(jìn)行如下對(duì)比。此外，不同機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)通信開銷、確定性流擴(kuò)展性和調(diào)度復(fù)雜度等方面也相去甚遠(yuǎn)，本文還將從網(wǎng)絡(luò)通信開銷、靈活擴(kuò)展性和調(diào)度復(fù)雜度等方面展開定性分析和總結(jié)。

4.2 性能比較

（1）不同拓?fù)湎屡抨?duì)策略的平均時(shí)延

確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)性能影響較大，如圖5所示，在相同策略下，環(huán)形拓?fù)湎屡抨?duì)轉(zhuǎn)發(fā)性能最差，星形拓?fù)湎屡抨?duì)轉(zhuǎn)發(fā)性能最優(yōu)。在相同拓?fù)湎?，本文提出的GCQF-3排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)性能最優(yōu)，以線形拓?fù)錇槔?，GCQF-3相對(duì)CQF平均時(shí)延縮短27%，而相對(duì)CQF-3平均時(shí)延縮短33.5%。其主要原因是CQF-3通過增加的隊(duì)列增加了抗突發(fā)能力，保證了包丟失，但未改變轉(zhuǎn)發(fā)頻率和周期，反而增加了排隊(duì)長(zhǎng)度，導(dǎo)致時(shí)延增加。GCQF-3雖增加了緩存伴隨隊(duì)列，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)加快了轉(zhuǎn)發(fā)頻率，在不突破節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載和隊(duì)列容量的條件下，大幅降低排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

圖5 不同拓?fù)湎屡抨?duì)策略的平均時(shí)延

（2）線形拓?fù)湎赂鞣N排隊(duì)策略的平均抖動(dòng)

由確定性網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)策略時(shí)延分析可知，線形拓?fù)湟蚱渎窂介L(zhǎng)度和排隊(duì)時(shí)序的特點(diǎn)，最能代表排隊(duì)策略對(duì)確定性流性能的影響。主要以線形拓?fù)錇橹鬟M(jìn)行分析，CQF、CQF-3和GCQF-3的平均抖動(dòng)性能如圖6所示。其中GCQF-3平均抖動(dòng)介于CQF和CQF-3之間，鑒于CQF對(duì)流量突發(fā)和重載流量性能支撐不佳，而CQF-3通過三隊(duì)列聯(lián)動(dòng)加大了隊(duì)列緩存，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量突發(fā)的平滑。而QCQF-3雖加大了隊(duì)列緩存，但在門控打開周期增加了轉(zhuǎn)發(fā)頻率，導(dǎo)致下游節(jié)點(diǎn)流量匯聚突發(fā)的可能性加大。

圖6 線形拓?fù)湎虏煌抨?duì)策略的平均抖動(dòng)

（3）線形拓?fù)湎赂鞣N排隊(duì)策略的平均丟包率

與確定性網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)策略抖動(dòng)分析類似，CQF、CQF-3和GCQF-3的平均丟包率如圖7所示。 GCQF-3由于加快了隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)頻率，三隊(duì)列出現(xiàn)擁塞情況較少，大大降低了丟包率，在重載情況下（非過載），GCQF-3相對(duì)CQF丟包率降低了78%，相對(duì)CQF-3其丟包率降低61%。

圖7 線形拓?fù)湎虏煌抨?duì)策略的平均丟包率

綜合上述對(duì)比結(jié)果，GCQF-3除了抖動(dòng)略有增加之外，時(shí)延和丟包率都優(yōu)于CQF和CQF-3。

4.3 定性分析

（1）網(wǎng)絡(luò)通信開銷

該開銷主要來源隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)決策時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列監(jiān)控和狀態(tài)傳遞的開銷，不僅包括控制平面開銷，也包括數(shù)據(jù)平臺(tái)的開銷。受測(cè)量控制分布式和集中式的影響，其網(wǎng)絡(luò)通信開銷各不相同，但總體趨勢(shì)一致。因GCQF-3排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制需獲取端到端全局隊(duì)列狀態(tài)，而另外兩種隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制屬于獨(dú)立節(jié)點(diǎn)自調(diào)節(jié)方式，GCQF-3的網(wǎng)絡(luò)通信開銷則遠(yuǎn)大于CQF和CQF-3，針對(duì)時(shí)間敏感長(zhǎng)距離通信，后續(xù)將需進(jìn)一步研究在低開銷和時(shí)延及丟包率之間找到平衡的方法。

（2）靈活拓展性

CQF和CQF-3在解決時(shí)延和抖動(dòng)問題時(shí)，并未充分考慮可伸縮性，尤其是隨著確定性流增加時(shí)。GCQF-3考慮流量增加的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，但其狀態(tài)監(jiān)控和傳遞隨著網(wǎng)絡(luò)的增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)于排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)效性和擴(kuò)展性帶來新的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)確定性業(yè)務(wù)需求分析了確定性網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)需求，并對(duì)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的過濾整形和隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)控制方進(jìn)行了簡(jiǎn)單綜述。針對(duì)大規(guī)模確定性網(wǎng)絡(luò)存在的時(shí)延抖動(dòng)挑戰(zhàn)，本文在CQF基礎(chǔ)上，引入端到端網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)對(duì)隊(duì)列門控機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，提出GCQF-3排隊(duì)機(jī)制。并基于OMNeT++搭建一套事件驅(qū)動(dòng)的確定性網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估仿真系統(tǒng)，分析了線形、環(huán)形和星形拓?fù)湎翪QF、CQF-3和GCQF-3的隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)控制機(jī)制的時(shí)延抖動(dòng)性能。雖3種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，總體來說，GCQF-3在滿足抖動(dòng)需求的情況，時(shí)延和丟包率都優(yōu)于其他兩種機(jī)制。但GCQF-3網(wǎng)絡(luò)和隊(duì)列狀態(tài)監(jiān)控的粒度及消息傳遞的時(shí)機(jī)和策略還需進(jìn)一步優(yōu)化，以平衡網(wǎng)絡(luò)開銷和時(shí)延抖動(dòng)性能，并進(jìn)一步提升擴(kuò)展性。除此之外，后續(xù)還將進(jìn)一步細(xì)化排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)策略中流量負(fù)載率和出入度對(duì)GCQF-3排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)策略的影響，以及通過增強(qiáng)學(xué)習(xí)來提高其排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)策略的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。