杜 婧，喬廬峰，陳慶華，劉 熹，鄒仕祥

（中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京 210007）

0 引言

以太網(wǎng)是目前應用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，其具有良好的開放性和互操作性，部署方便、成本較低。傳統(tǒng)以太網(wǎng)無論是采用載波監(jiān)聽多路訪 問/沖突檢測（Carrier Sense Multiple Access/Collosion Detection，CSMA/CD）技術(shù)還是交換式以太網(wǎng)，都無法在帶寬、時延和抖動等網(wǎng)絡指標上提供高可靠、確定性的服務，這使得它們無法直接應用于車載網(wǎng)絡、工業(yè)控制等領(lǐng)域，此類需求推動了時間敏感網(wǎng)絡技術(shù)（Time Sensitive Network，TSN）的發(fā)展。

IEEE 802工作組在傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上[1]，針對音視頻業(yè)務流提出了音視頻橋接技術(shù)（Audio Video Bridging，AVB），使其支持時間同步、帶寬預留、低延遲等功能，并發(fā)展出多個與之相關(guān)的協(xié) 議，如IEEE 802.1Qat、IEEE 802.1AS、IEEE 802.1 Qav等。后來，AVB應用范圍擴大到了工業(yè)控制、汽車控制等領(lǐng)域，同時擴大了所支持的業(yè)務類別并更名為TSN。TSN包括時間同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡配置3大關(guān)鍵技術(shù)。其中，時間同步是整個TSN技術(shù)實現(xiàn)的前提，流量調(diào)度是TSN技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵，網(wǎng)絡配置是實現(xiàn)TSN技術(shù)的保障，這些技術(shù)的應用有效彌補了傳統(tǒng)以太網(wǎng)非實時性和不確定性的短板，為時間敏感型業(yè)務提供了低延時、高穩(wěn)定性的服務[2]。

TSN網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中的集中網(wǎng)絡配置控制器（Centralized Network Configuration controller，CNC）可以通過集中用戶配置控制器（Centralized User Configuration controller，CUC），獲取發(fā)送端和接收端對網(wǎng)絡帶寬和端到端傳輸時延需求等服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）相關(guān)參數(shù)，然后運算得到網(wǎng)絡配置參數(shù)并下發(fā)給網(wǎng)絡中相關(guān)的各交換機和端系統(tǒng)（終端0、終端1）。端系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡配置參數(shù)產(chǎn)生進入TSN網(wǎng)絡的業(yè)務流，TSN交換機可以準確識別業(yè)務流類型，根據(jù)調(diào)度策略對數(shù)據(jù)進行調(diào)度，確保多種類型的業(yè)務流可以共存在一個網(wǎng)絡中，并能夠滿足各自的QoS需求。

圖1 TSN網(wǎng)絡基本結(jié)構(gòu)

TSN中的端系統(tǒng)產(chǎn)生進入TSN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)業(yè)務，同時也接收來自其他端系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)。對于不同類型的業(yè)務，TSN網(wǎng)絡應提供不同的QoS。例如，對于時間敏感的控制數(shù)據(jù)，TSN端系統(tǒng)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前應向CUC發(fā)出申請，提出相應的QoS需求參數(shù)。CUC將相關(guān)信息通知CNC，由CNC生成網(wǎng)絡配置參數(shù)并下發(fā)給所有的TSN交換機，同時也返回對TSN端系統(tǒng)的配置信息。此后，TSN端系統(tǒng)需要按照配置的參數(shù)，如最大突發(fā)長度、平均速率、調(diào)度時間表參數(shù)等，輸出特定的業(yè)務流。端系統(tǒng)根據(jù)TSN網(wǎng)絡配置參數(shù)調(diào)度和輸出數(shù)據(jù)業(yè)務，是TSN網(wǎng)絡保證特定業(yè)務端到端QoS的前提和基礎(chǔ)。

TSN端系統(tǒng)中，除了特定的數(shù)據(jù)源，隊列管理器是其核心，它由緩沖區(qū)管理器和隊列調(diào)度器兩部分組成。緩沖區(qū)管理器支持基于優(yōu)先級的緩沖資源分配機制和基于鏈表結(jié)構(gòu)的邏輯隊列管理機制；隊列調(diào)度器同時支持基于時間列表的輸出門控機制、基于信用的輸出調(diào)度機制和基于優(yōu)先級的輸出調(diào)度機制。緩沖區(qū)管理器和隊列調(diào)度器的工作參數(shù)均可根據(jù)需要由CNC動態(tài)配置，二者配合使用，可以滿足多業(yè)務混合條件下的端系統(tǒng)業(yè)務緩存與輸出調(diào)度需求。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了應用于TSN端系統(tǒng)的隊列管理器電路，支持靈活的網(wǎng)絡參數(shù)配置，可以滿足TSN網(wǎng)絡對端系統(tǒng)的設(shè)計需求。

1 TSN端系統(tǒng)隊列管理器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

TSN端系統(tǒng)有兩種基本類型：第一類端系統(tǒng)本身是數(shù)據(jù)源，可以根據(jù)TSN規(guī)范產(chǎn)生不同類別的數(shù)據(jù)幀；第二類端系統(tǒng)是一種TSN網(wǎng)絡接入設(shè)備，可以對非TSN終端產(chǎn)生的業(yè)務數(shù)據(jù)進行緩沖、流量整形后發(fā)送到TSN網(wǎng)絡，實現(xiàn)TSN網(wǎng)絡對端系統(tǒng)所要求的接入功能。這兩類端系統(tǒng)可以看作實現(xiàn)業(yè)務匯聚功能的專用TSN交換機，而且在隊列管理器設(shè)計上具有相似之處。下面以第二類端系統(tǒng)中的隊列管理器為例加以分析，此時端系統(tǒng)的應用場景和外部連接關(guān)系如圖2所示[1]。

圖2 接入型端系統(tǒng)在時間敏感網(wǎng)絡中的位置

當端系統(tǒng)為多個不同類型的終端提供TSN網(wǎng)絡接入時，需要對不同類型的業(yè)務進行識別、緩存以及輸出調(diào)度，TSN把業(yè)務分成8個基本類別，其中，時間敏感型業(yè)務有音頻業(yè)務、視頻業(yè)務和各種控制數(shù)據(jù)；非時間敏感型數(shù)據(jù)業(yè)務包括最大努力業(yè)務、卓越努力業(yè)務、關(guān)鍵應用業(yè)務和背景業(yè)務流。來自不同終端的數(shù)據(jù)流經(jīng)過業(yè)務合路后統(tǒng)一進行識別和分類，區(qū)分時間敏感流和非時間敏感流[3]，然后進入隊列管理器。本文設(shè)計的端系統(tǒng)隊列管理器的基本功能如圖3所示。圖中的輸入控制狀態(tài)機負責將輸入以太網(wǎng)幀分割成定長的內(nèi)部信元，并寫入當前可用自由指針指向的數(shù)據(jù)存儲區(qū)；數(shù)據(jù)存儲區(qū)是所有輸出業(yè)務流共享的，采用雙端口靜態(tài)隨機訪問存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）實現(xiàn)，被劃分為多個64字節(jié)的數(shù)據(jù)塊；自由指針隊列管理著SRAM中當前可用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針；緩沖區(qū)管理器內(nèi)部可以以鏈表形式管理多個邏輯隊列，用于存儲不同類型的業(yè)務；隊列調(diào)度器可以根據(jù)TSN網(wǎng)絡的配置，確定不同邏輯隊列的輸出調(diào)度方式，支持靈活的動態(tài)配置；輸出接口狀態(tài)機可以根據(jù)輸出調(diào)度結(jié)果將數(shù)據(jù)幀從SRAM中讀出并發(fā)送到TSN網(wǎng)絡。緩沖區(qū)管理器和隊列調(diào)度器是本設(shè)計中的兩個核心電路[4]，是進行設(shè)計和分析的重點。

圖3 端系統(tǒng)中的隊列管理器整體結(jié)構(gòu)[5]

2 端系統(tǒng)中隊列管理器的設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計的隊列管理器中的緩沖區(qū)管理器和隊列調(diào)度器的詳細結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中緩沖區(qū)管理器包括指針寫入控制狀態(tài)機、隊列管理狀態(tài)機、指針讀出狀態(tài)機和存儲在鏈表存儲區(qū)中的指針隊列；隊列調(diào)度器包括針對16個流采用的基于信用的整形器（Credit Based Shaper，CBS）[1]、不同優(yōu)先級隊列之間采用的嚴格優(yōu)先級調(diào)度器和支持可配置門控列表的輸出門控電路[2]，三者相互配合，實現(xiàn)端系統(tǒng)的輸出業(yè)務調(diào)度功能[6]。

圖4 緩沖區(qū)管理器和隊列調(diào)度器的詳細結(jié)構(gòu)

緩沖區(qū)管理器決定了輸入端口緩沖區(qū)的分配方式，主要功能是對輸入端口有限的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行合理分配和使用。由于端系統(tǒng)需要將多個端口輸入的業(yè)務匯聚到一個端口進入TSN網(wǎng)絡，不同類型的終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)業(yè)務具有各自的流量特征，可能在TSN網(wǎng)絡端口處發(fā)生擁塞，造成緩沖區(qū)溢出和數(shù)據(jù)丟棄。緩沖區(qū)管理器需要根據(jù)業(yè)務類別、各自的QoS需求、業(yè)務優(yōu)先級等，合理劃分和使用有限的緩沖資源，最大限度地保證時間敏感型業(yè)務的緩沖區(qū)需求，在一定范圍內(nèi)共享緩沖資源以提高緩沖資源利用率，并按照優(yōu)先級權(quán)重對共享進行管理等[4]。

隊列調(diào)度器決定了輸出帶寬的分配方式，主要功能是根據(jù)TSN網(wǎng)絡規(guī)范和不同類型業(yè)務的QoS需求進行業(yè)務輸出調(diào)度。它可以按照CNC給出的配置參數(shù)，針對不同類型的業(yè)務采用不同的調(diào)度策略，合理分配輸出帶寬，對進入TSN網(wǎng)絡的業(yè)務流進行整形，使其既可以符合所配置的流量特征，也可以滿足業(yè)務本身的QoS需求[5]。

2.1 基于鏈表結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)管理器的設(shè)計與實現(xiàn)

端系統(tǒng)作為時間敏感網(wǎng)絡的接入設(shè)備，從多個終端設(shè)備中接收數(shù)據(jù)幀，而內(nèi)部存儲資源有限，為了提高存儲區(qū)的利用率，也為了保障端系統(tǒng)正常運行，采用了一種基于鏈表結(jié)構(gòu)的邏輯隊列共享緩存的緩沖區(qū)管理方法[3]。其原理是將內(nèi)部緩沖區(qū)劃分為64字節(jié)的存儲塊，每個存儲塊對應一個指針，當前可用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)對應的指針被存儲在圖中的自由指針隊列中，自由指針中包含對應存儲塊的地址。當一個數(shù)據(jù)幀到達后，它先被分割成1個或多個長度為64字節(jié)的定長內(nèi)部信元（長度不足時需要進行數(shù)據(jù)填充）。輸入接口狀態(tài)機處理輸入信元時，會首先從自由指針隊列讀出一個自由指針，其次將當前信元寫入該指針指向的共享數(shù)據(jù)存儲空間中，最后該指針根據(jù)其對應數(shù)據(jù)幀的類別被寫入到緩沖區(qū)管理器內(nèi)部相應的邏輯隊列中。

緩沖區(qū)管理器可以同時管理多個邏輯隊列。每個邏輯隊列對應著包括頭指針（head）、尾指針（tail）、信元深度（cell_depth）、數(shù)據(jù)幀數(shù)（frame_depth）、隊列非空標志（depth_flag）在內(nèi)的一組寄存器。本設(shè)計中包括8個優(yōu)先級隊列和16個基于流的隊列，因此共包括24組寄存器。如圖5（a）所示，以隊列0為例，進行寫入操作時，當前到達的指針（圖中值為100的指針）如果是一個隊列的第一個指針，則head0和tail0的取值同時為100，cell_depth0值變?yōu)?，由于該數(shù)據(jù)幀中包括多個信元，因此frame_depth0保持為0。此后，多個信元到達，相應的指針在指針存儲區(qū)中以鏈表方式進行存儲，假如當前數(shù)據(jù)幀包括3個信元，那么當前隊列指針鏈表的構(gòu)成如圖5（b）所示。此時frame_depth0的值由0變?yōu)?，depth_flag0由0變?yōu)?，表示當前隊列中有完整的數(shù)據(jù)幀，可以被調(diào)度輸出。指針讀出控制狀態(tài)機持續(xù)監(jiān)視每個邏輯隊列的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)某個邏輯隊列中有完整的數(shù)據(jù)幀，就會向隊列管理狀態(tài)機申請將該邏輯隊列隊首的指針讀出。隊列管理狀態(tài)機根據(jù)head0的值（100）及鏈表存儲結(jié)構(gòu)[3]，可以依次讀出該隊列的多個指針，直至tail0所指向的存儲區(qū)。讀出的指針由讀出控制狀態(tài)機寫入與該邏輯隊列對應的臨時指針緩沖區(qū)中。

圖5 鏈表存儲區(qū)結(jié)構(gòu)

臨時指針緩沖區(qū)由一個深度很小的先入先出存儲器（First In First Out，F(xiàn)IFO）構(gòu)成，本設(shè)計中針對16個流和8個優(yōu)先級隊列分別設(shè)置了一個臨時指針緩沖區(qū)（圖中stream0-stream15、class7-class0對應的FIFO），用于存儲各邏輯隊列首部的指針。傳統(tǒng)的緩沖區(qū)隊列中通常不設(shè)置臨時指針緩沖區(qū)，本設(shè)計是為了滿足TSN對輸出調(diào)度實時性的要求而增加的。圖5中鏈表隊列的寫入和讀出操作是互斥的，這使得隊列調(diào)度器從某個邏輯隊列中讀出指針的時延可能較大并存在抖動。采用臨時指針緩沖區(qū)后，隊列調(diào)度器可以根據(jù)調(diào)度需要實時讀出所選擇隊列首部的指針，消除了隊列管理狀態(tài)機的指針讀出操作時延不確定性，保證了輸出數(shù)據(jù)幀的實時調(diào)度，可滿足端系統(tǒng)對時間敏感業(yè)務調(diào)度的時間精度要求。

本設(shè)計中的緩沖區(qū)管理器把緩沖區(qū)分塊，建立對應數(shù)據(jù)塊指針，把指針以鏈表的形式存入存儲區(qū)，并給各個隊列建立臨時指針緩沖區(qū)，使得端系統(tǒng)的多個輸入端口可以共享緩沖區(qū)，給時間敏感型業(yè)務預留一定存儲資源，提高端系統(tǒng)的抗壓性能，滿足時間敏感網(wǎng)絡的需求。

2.2 支持多種調(diào)度算法的隊列調(diào)度器的設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計中的隊列調(diào)度器調(diào)度數(shù)據(jù)時，使用了嚴格優(yōu)先級調(diào)度算法和CBS調(diào)度兩種調(diào)度算法，調(diào)度算法配合門控實現(xiàn)了對時間敏感型業(yè)務的特殊調(diào)度，最終實現(xiàn)對時間敏感業(yè)務的帶寬保證和時延保證。隊列調(diào)度器中使用8個門來控制8個優(yōu)先級的緩沖隊列，隊列調(diào)度器通過門控列表控制門狀態(tài)和門操作的執(zhí)行時間，相鄰兩次門操作之間的時間間隔相等。門控列表和門操作間隔都可以由CNC配置，門狀態(tài)為open時代表允許該門對應優(yōu)先級的緩沖隊列傳輸數(shù)據(jù)，當同一時刻有多個門狀態(tài)為open時，不同優(yōu)先級之間的緩沖隊列按照嚴格優(yōu)先級算法進行傳輸。按照需要制定門控列表并執(zhí)行門操作，可以給時間敏感業(yè)務提供保證帶寬和確定性時延的服務。如圖4所示，T1時刻門狀態(tài)為OCCCCCCC，表示門7為open，其他門均為closed，即在T1到T2時間段內(nèi)，僅允許優(yōu)先級為7的數(shù)據(jù)幀傳輸，這段時間的端口帶寬被全部用來傳輸優(yōu)先級為7的數(shù)據(jù)幀，控制每個時間片內(nèi)門7開啟的時間段，可以精確控制優(yōu)先級為7的業(yè)務流占用的總帶寬；控制相鄰門7兩次開啟的時間間隔，可以精確控制時間敏感業(yè)務的流量分布。這種通過配置門控列表確定時間敏感業(yè)務流量分布特征的方式可以精確控制時間敏感業(yè)務在每個節(jié)點的時延，從而可以精確控制時間敏感業(yè)務的端到端時延。

不同優(yōu)先級的緩沖隊列使用嚴格優(yōu)先級算法選出傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，相同優(yōu)先級的緩沖隊列使用CBS調(diào)度算法選擇數(shù)據(jù)幀。如圖4所示，門7后共有17條優(yōu)先級為7的緩沖隊列，包括class7和 stream0～ stream15，端系統(tǒng)會根據(jù)stream0～ stream15的業(yè)務需求和流量特征給每條流配置不同的信用參數(shù)。門7開啟時，隊列調(diào)度器使用CBS調(diào)度算法從stream0～stream15中選出數(shù)據(jù)幀進行傳輸，若stream0～stream15中沒有符合發(fā)送條件的，則發(fā)送class7中的數(shù)據(jù)幀。

CBS調(diào)度算法主要根據(jù)隊列信用進行調(diào)度，隊列信用相關(guān)參數(shù)則是在端系統(tǒng)初始化時由CNC配置的，包括最大信用值hicredit、最小信用值locredit、信用值增加速率idlesope和信用值減小速率sendslope。門7的狀態(tài)為open且stream0-stream15中有等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀時，該緩沖隊列的信用以idlesope的速率開始增長。門狀態(tài)為open時隊列信用值開始累加，門狀態(tài)從open轉(zhuǎn)為closed時隊列信用值清零且保持不變，直到下一個open狀態(tài)。數(shù)據(jù)幀在門狀態(tài)為open且該隊列信用值為非負數(shù)的時候可以開始傳輸，數(shù)據(jù)幀傳輸時隊列信用值以sendslope的速率減小，當前數(shù)據(jù)幀傳輸完成后若隊列中還有數(shù)據(jù)幀等待傳輸且信用值為非負數(shù)，則開始傳輸下一個數(shù)據(jù)幀。如圖6所示，0到t1時間段內(nèi)，該隊列沒有數(shù)據(jù)幀等待，隊列信用值保持為0；t1時刻，數(shù)據(jù)幀A進入隊列，此時端口為空閑狀態(tài)可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀，開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀A；t1到t2時間段內(nèi)，數(shù)據(jù)幀A通過端口發(fā)送出去，該隊列的信用值以sendslope速率下降；t2時刻，數(shù)據(jù)幀A發(fā)送完畢；t2到t3時間段內(nèi)，該隊列信用值以idlesope速率上升；t3時刻，該隊列信用值上升到0，但此時隊列中沒有等待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，隊列信用值保持為0。

圖6 發(fā)送數(shù)據(jù)幀時隊列信用的變化

隊列信用相關(guān)參數(shù)與隊列占用帶寬之間存在對應關(guān)系，假設(shè)門打開時某隊列中有數(shù)據(jù)幀，且每次該隊列傳輸數(shù)據(jù)幀信用值都剛好降低到locredit，門打開時，傳輸數(shù)據(jù)幀的時間和門打開時間之前的比值為：

根據(jù)式（1）可知，在門打開時，該隊列占用輸出端口傳輸數(shù)據(jù)的時間和門打開的總時間之間的關(guān)系為該隊列信用增加速率和信用減小速率的代數(shù)關(guān)系，說明通過CNC配置隊列信用相關(guān)參數(shù)可以精確控制該隊列在門打開時占用輸出端口傳輸數(shù)據(jù)的時間，CBS調(diào)度算法配合門控列表可以精確控制該隊列占用的總帶寬。門控機制結(jié)合嚴格優(yōu)先級和CBS算法可以實現(xiàn)對時間敏感業(yè)務的帶寬保證和時延 保證。

3 關(guān)鍵電路仿真分析

本文設(shè)計的隊列管理器基于Xilinx Zynq7020 FPGA實現(xiàn)，圖7、圖8、圖9是典型仿真波形。圖7中，PHYA_rgmii接口包括信號PHYA_rgmii_rxc、PHYA_rgmii_rx_ctl和PHYA_rgmii_rxd，連續(xù)輸入長度為1 000字節(jié)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀（PHYA_rgmii_rx_ctl為1表示當前正在輸入1個數(shù)據(jù)幀），該業(yè)務流在電路內(nèi)部采用CBS算法進行流量整形?？梢钥闯?，大量輸入的數(shù)據(jù)幀被丟棄，只有在該隊列的信用值符合輸出調(diào)度要求時，才會將當前隊列首部的數(shù)據(jù)幀輸出，此時，PHYA_rgmii_tx接口按照一定間隔輸出經(jīng)過流量整形的數(shù)據(jù)幀，說明CBS調(diào)度器可以基于信用配置進行數(shù)據(jù)幀的輸出調(diào)度。

圖7 CBS算法仿真結(jié)果

圖8中，通過用戶端口A和用戶端口B分別連續(xù)輸入長度為1 000字節(jié)和500字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，二者輸入帶寬之和大于輸出端口的帶寬。此時在輸出端口上觀察PHYA_rgmii_tx_ctl可以看出，端口A輸入的長度為1 000字節(jié)的數(shù)據(jù)幀數(shù)量明顯多于端口B輸入的長度為500字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，說明隊列調(diào)度器可以按照優(yōu)先級進行數(shù)據(jù)幀的輸出調(diào)度。

圖8 嚴格優(yōu)先級算法仿真結(jié)果

圖9中，輸入端口A輸入的數(shù)據(jù)幀按照信用進行調(diào)度輸出，端口B輸入的數(shù)據(jù)幀按照優(yōu)先級進行調(diào)度。如圖9所示，長度為1 000字節(jié)的數(shù)據(jù)幀根據(jù)信用累計情況近似等間隔輸出，長度為500字節(jié)的數(shù)據(jù)幀占據(jù)了剩余的帶寬。

圖9 CBS算法和嚴格優(yōu)先級聯(lián)合仿真結(jié)果

綜上仿真分析可見，本文實現(xiàn)的隊列管理器可以滿足TSN對端系統(tǒng)關(guān)于業(yè)務緩沖和調(diào)度功能的需求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種應用于TSN端系統(tǒng)的隊列管理器，說明了隊列管理器的工作流程，分析了采用邏輯鏈表實現(xiàn)的緩沖區(qū)管理器的工作機制，分析了支持CBS算法、嚴格優(yōu)先級調(diào)度和門控列表的隊列調(diào)度器的工作機制和關(guān)鍵工作參數(shù)。仿真分析表明，所實現(xiàn)的隊列管理器可以滿足TSN端系統(tǒng)對用戶業(yè)務進行緩沖和分類調(diào)度的需求。