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，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)控制等領域，此類需求推動了時間敏感網(wǎng)絡技術（Time Sensitive Network，TSN）的發(fā)展。

IEEE 802工作組在傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議的基礎上[1]，針對音視頻業(yè)務流提出了音視頻橋接技術（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大關鍵技術。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)絡配置是實現(xiàn)TSN技術的保障，這些技術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。

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)的設計需求。

1 TSN端系統(tǒng)隊列管理器電路結(jié)構(gòu)設計

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)度器是本設計中的兩個核心電路[4]，是進行設計和分析的重點。

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)中隊列管理器的設計與實現(xiàn)

本設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)管理器的設計與實現(xiàn)

端系統(tǒng)作為時間敏感網(wǎng)絡的接入設備，從多個終端設備中接收數(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，本設計中針對16個流和8個優(yōu)先級隊列分別設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)隊列中通常不設置臨時指針緩沖區(qū)，本設計是為了滿足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)度器的設計與實現(xiàn)

本設計中的隊列調(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

隊列信用相關參數(shù)與隊列占用帶寬之間存在對應關系，假設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系為該隊列信用增加速率和信用減小速率的代數(shù)關系，說明通過CNC配置隊列信用相關參數(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 關鍵電路仿真分析

本文設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?？梢钥闯觯罅枯斎氲臄?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)關于業(yè)務緩沖和調(diào)度功能的需求。

4 結(jié)語

本文設計了一種應用于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。