丁輝，丁濤杰，耿琪

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

當前所有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳統(tǒng)以太網(wǎng)仍然占據(jù)著主導地位，但它同時也存在著自身的缺陷。傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用“盡力而為”的數(shù)據(jù)傳輸方式?jīng)Q定了其不能提供確定的傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及時延抖動[1]。尤其是對傳輸時延和抖動性能要求較高的音視頻業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，“盡力而為”很可能導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖д?。目前以太網(wǎng)也應(yīng)用于工業(yè)和汽車控制領(lǐng)域[2]，對于工廠生產(chǎn)控制信號和汽車駕駛控制信號，如果不能保證它們的實時性和確定性，可能會導致非常嚴重的后果。雖然后續(xù)出現(xiàn)了多種網(wǎng)絡(luò)標準體系來解決以上問題，如CAN[3]、EtherCAT[4]、PROFINET[5]等，但是由于這些標準體系互相閉塞，使得網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備變得異常復(fù)雜。因此，急需一種統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系標準，時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Network，TSN）[6]標準由此產(chǎn)生。它是由IEEE802.1 工作組提出的[7]，從之前的AVB（Audio Video Bridging）[8]標準發(fā)展而來。其采用了高精度時間同步、流量整形和調(diào)度、冗余等一系列關(guān)鍵協(xié)議標準，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和實時性。

1 時間感知整形器原理

TSN 主要包括三大關(guān)鍵技術(shù)：時間同步、流量調(diào)度以及配置管理[9]。時間同步是整個TSN 協(xié)議運行的前提，實現(xiàn)TSN 網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備之間高精度的時鐘同步[10]。流量調(diào)度是TSN 協(xié)議中的核心技術(shù)[11]，保證了時間敏感流量的確定性和低延遲。配置管理通過獲取用戶對于TSN 網(wǎng)絡(luò)帶寬和時延等需求信息，智能地進行計算生成相應(yīng)的配置信息，并將這些配置參數(shù)下發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的TSN 設(shè)備[12]。

在傳統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）技術(shù)中，將網(wǎng)絡(luò)中的流量劃分為八個類別，不同的類別對應(yīng)不同的優(yōu)先級[13]。通過數(shù)據(jù)幀的802.1Q VLAN 標簽中的PCP 字段標記幀的優(yōu)先級。

TSN 網(wǎng)絡(luò)中時間敏感類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與其他非時間敏感類數(shù)據(jù)是在同一個通道中傳輸?shù)摹榱吮苊馄渌麡I(yè)務(wù)對時間敏感類業(yè)務(wù)的影響，IEEE802.1 工作組提出了IEEE802.1Qbv 協(xié)議[14]，該協(xié)議中定義了時間感知整形器（Time-Aware Shaper，TAS），其是基于時分復(fù)用的原理，將交換機的輸出端口傳輸時間軸劃分成若干個互相獨立的時隙，在每個傳輸時隙里，用戶可以自定義各個隊列的門控開關(guān)狀態(tài)。基于這種調(diào)度機制，時間敏感流可以被單獨置于特定的時隙中進行傳輸，從而避免受非時間敏感流的影響，保證了時間敏感流的確定性和實時性。

時間感知整形器的詳細工作過程如圖1 所示[15]。首先，交換機根據(jù)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級字段，將其分別映射到不同的輸出隊列中。然后從隊列取出數(shù)據(jù)幀后，將會通過傳輸選擇算法進行決策傳輸，通常使用的傳輸算法包括：嚴格優(yōu)先級算法SP、基于信用整形器CBS 等。最后，在TAS中，每個隊列將會與一個傳輸門相關(guān)聯(lián)，傳輸門的開關(guān)狀態(tài)決定了該隊列是否允許被傳輸[16]。

圖1 時間感知整形器工作過程

TAS 調(diào)度機制的核心在于門控列表（GCL）技術(shù)，GCL 存儲了各個時間段端口的各隊列的門控開關(guān)狀態(tài)，端口按固定周期時間從隊列中取出數(shù)據(jù)幀進行傳輸，GCL 將每個周期分成若干個時隙（t0、t1、t2…），在每個時隙中可以配置八個隊列的門控開關(guān)狀態(tài)，狀態(tài)值為“1”表示傳輸門打開，狀態(tài)值為“0”表示傳輸門關(guān)閉。此外，GCL 中還包括了各個時隙的時間長度，這更增加了TAS 的配置靈活性。

2 時間感知整形器設(shè)計

2.1 TSN交換機軟硬件架構(gòu)

目前可選擇的TSN 芯片較少，基于芯片性能和成本考慮，選用NXP（恩智浦）的LS1028A TSN 專用芯片。LS1028A集成有兩片64位的ARM Cortex v8處理器和專用的4 口TSN 交換芯片。其硬件支持TSN 的主要協(xié)議，如802.1AS、802.1Qav、802.1Qbv、802.1Qbu、802.1Qci、802.1CB 等。

文中設(shè)計的TSN 交換機的硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。該交換機大致結(jié)構(gòu)與普通交換機類似，分為交換模塊、MCU 控制模塊、PHY 模塊和外圍電路等模塊。

圖2 TSN交換機硬件系統(tǒng)架構(gòu)

TSN 交換機的軟件系統(tǒng)選用開放式工業(yè)Linux系統(tǒng)(OpenIL)，因為TSN 的特性就是實時性強，而OpenIL 是針對工業(yè)領(lǐng)域開發(fā)的專業(yè)Linux 版本，擴展了實時性的操作系統(tǒng)，并且支持工業(yè)自動化OEM 的Time-Sensitive 網(wǎng)絡(luò)（包括流過濾監(jiān)管、分時擁塞感知整形和802.1AS 時間同步等）。軟件系統(tǒng)的總體框圖如圖3 所示。

圖3 OpenIL軟件系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 TAS算法

TAS 算法主要由三個狀態(tài)機模塊組成，即循環(huán)定時狀態(tài)機、列表配置狀態(tài)機和列表執(zhí)行狀態(tài)機，如圖4 所示。列表配置狀態(tài)機主要作用是更新當前的門控列表內(nèi)容；循環(huán)定時狀態(tài)機根據(jù)與門控列表相關(guān)的時間參數(shù)（如OperBaseTime、OperCycleTime 等）來產(chǎn)生門控列表啟動信號；列表執(zhí)行狀態(tài)機則是按順序執(zhí)行門控列表中的門操作，并在每個操作之間插入適當?shù)臅r間延遲。

圖4 TAS算法狀態(tài)機

TAS 算法的具體工作流程如圖5 所示。列表配置狀態(tài)機接收到列表配置更新信號后，開始對門控列表的表項內(nèi)容和門控列表的相關(guān)參數(shù)進行更新，包括門控列表長度、門控循環(huán)周期等。當列表配置狀態(tài)機完成對門控列表的更新后，會給循環(huán)定時狀態(tài)機發(fā)送一條門控列表配置完成等待執(zhí)行的信號。循環(huán)定時狀態(tài)機收到列表配置狀態(tài)機發(fā)送的配置完成信號后，會根據(jù)門控列表循環(huán)周期和當前時間判斷門控列表是否需要開始執(zhí)行。如果需要開始執(zhí)行，則會向列表執(zhí)行狀態(tài)機發(fā)送一條門控列表執(zhí)行啟動信號。列表執(zhí)行狀態(tài)機監(jiān)測到門控列表執(zhí)行的啟動信號后，會從列表配置狀態(tài)機中讀取門控列表的具體內(nèi)容，依次執(zhí)行門控列表中的各表項。

圖5 TAS算法工作流程

3 測試驗證

3.1 驗證設(shè)計

使用單臺TSN 交換機和三臺PC 機進行組網(wǎng)測試驗證，實驗拓撲如圖6 所示。PC1 和PC2 分別向PC3 發(fā)送不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀，通過在交換機的PORT3 端口上配置TAS 功能來測試驗證時間感知整形器機理。

圖6 時間感知整形器實驗拓撲圖

PC1和PC2所發(fā)送數(shù)據(jù)幀中的VLAN標簽信息如表1 所示。PC1 發(fā)送的數(shù)據(jù)幀VLAN ID=100，PCP=3；PC2發(fā)送的數(shù)據(jù)幀VLAN ID=200，PCP=2；PC1模擬發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流，PC2 模擬發(fā)送低優(yōu)先級數(shù)據(jù)流。

表1 報文的VLAN標簽信息

3.1.1 門控開關(guān)測試

傳輸門開關(guān)測試主要是測試驗證交換機端口各隊列的傳輸門開閉是否可控。在測試中，首先要使能交換機的TAS 功能，包括全局使能和端口使能。然后配置TAS 的門控列表參數(shù)，門控列表中只配置一條表項，即關(guān)閉全部隊列或打開全部隊列的傳輸門。通過觀察經(jīng)過交換機端口的所有優(yōu)先級流量是否全部中斷或者全部通過，來驗證傳輸門開關(guān)功能的生效與否。

3.1.2 門控列表調(diào)度測試

該項測試主要是為了驗證TAS 是否能夠按照預(yù)先配置好的門控列表，精準地控制各隊列的傳輸門開關(guān)狀態(tài)的變化和維持時長。測試時，PC1 和PC2會同時向PC3 發(fā)送滿帶寬的流量，PC1 發(fā)送的流量模擬了高優(yōu)先級的時間敏感類業(yè)務(wù)流，PC2 發(fā)送的流量模擬低優(yōu)先級的非時間敏感類業(yè)務(wù)流。

3.1.3 應(yīng)用場景測試

在實際應(yīng)用中，TAS 的主要作用是保證網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的確定性傳輸。目前在汽車電子領(lǐng)域，各汽車主機廠商根據(jù)自身的設(shè)計理念將車載以太網(wǎng)劃分成多個不同的功能域[7]，主要包括：自動駕駛域、動力總成域、底盤及安全域、智能座艙域和車身控制域等。這些不同的功能域會通過內(nèi)部TSN 交換機進行互聯(lián)，從而組成車內(nèi)的TSN 骨干網(wǎng)絡(luò)。以自動駕駛域和智能座艙域為例，來驗證所設(shè)計的時間感知整形器流量調(diào)度機制在車載TSN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景中的可行性。實驗拓撲圖如圖7 所示。

圖7 車載TSN應(yīng)用場景實驗拓撲圖

該應(yīng)用場景測試組網(wǎng)中，各設(shè)備模擬的消息類型以及所發(fā)送的數(shù)據(jù)報文優(yōu)先級如表2 所示。高清攝像頭和顯示器模擬了自動駕駛域中的音視頻數(shù)據(jù)流，對應(yīng)的優(yōu)先級為2，網(wǎng)絡(luò)測試儀用來模擬智能座艙域中產(chǎn)生的大流量背景流，對應(yīng)的優(yōu)先級為3。通過配置TAS 的門控列表功能，將關(guān)鍵業(yè)務(wù)流（即高清攝像頭數(shù)據(jù)流）放在隔離的時間片中傳輸，如果高清攝像頭所采集的音視頻信號能在顯示屏上正常播放不受背景流影響，則說明TAS 的流量調(diào)度機制實現(xiàn)了對于關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的確定性保障。

表2 應(yīng)用場景中消息的優(yōu)先級

3.2 結(jié)果分析

考慮到PC 機的發(fā)流速率受限，在圖6 時間感知整形器實驗拓撲圖中，可以將交換機與PC3相連的以太網(wǎng)口（即PORT3 端口）速率強制設(shè)置為100 Mbit/s帶寬。PC1和PC2分別向PC3發(fā)送帶寬速率為60 Mbps的數(shù)據(jù)流。

3.2.1 嚴格優(yōu)先級調(diào)度

交換機在未使能TAS前，默認采用的是嚴格優(yōu)先級流量調(diào)度機制。PC1 和PC2 同時向PC3 發(fā)送60 Mbps 帶寬的數(shù)據(jù)流，圖8 為此時交換機端口的實時帶寬分配情況?？梢钥闯鲇捎赑C1 發(fā)送的數(shù)據(jù)流優(yōu)先級較高，PC2 發(fā)送的數(shù)據(jù)流優(yōu)先級較低，當兩個隊列的報文同時到達交換機出端口時，交換機優(yōu)先保證高優(yōu)先級隊列的傳輸。所以，PC1 發(fā)送給PC3的60 Mbps 數(shù)據(jù)流經(jīng)過交換機轉(zhuǎn)發(fā)后被允許全部通過，而PC2 發(fā)送給PC3 的60 Mbit/s 數(shù)據(jù)流經(jīng)過交換機后僅通過了40 Mbit/s。這也說明了嚴格優(yōu)先級調(diào)度不能保障低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。

圖8 嚴格優(yōu)先級調(diào)度帶寬分配

3.2.2 門控開關(guān)測試

如表3 所示，TAS 的門控列表中只配置一個表項，八個隊列的門控狀態(tài)全部設(shè)置為0，即關(guān)閉隊列的傳輸門。

表3 門控開關(guān)測試項的門控列表配置

測試結(jié)果如圖9 所示，可以看到在開啟TAS 功能，并且配置八個隊列的門控開關(guān)狀態(tài)全部為0（即關(guān)閉狀態(tài)）后，PC1 和PC2 發(fā)送給PC3 的數(shù)據(jù)流都被完全阻塞了，實現(xiàn)了對于傳輸門的關(guān)閉操作。再重新修改門控列表的配置，將八個隊列的門控開關(guān)全部設(shè)置為1，即打開所有的隊列傳輸門。此時PC1 和PC2 發(fā)送的數(shù)據(jù)流均能通過傳輸門同時到達出端口，交換機再次根據(jù)嚴格優(yōu)先級算法進行流量調(diào)度，最終，PC1 發(fā)出的數(shù)據(jù)流通過速率為60 Mbit/s，PC2發(fā)出的數(shù)據(jù)流通過速率為40 Mbit/s。

圖9 傳輸門開閉時流量傳輸情況

3.2.3 門控列表調(diào)度測試

依照表4 配置門控列表信息，共創(chuàng)建兩條表項，在時隙1 中僅打開隊列3 的傳輸門開關(guān)，時隙長度為40 000 ns，在時隙2 中僅打開隊列2 的傳輸門開關(guān)，時隙長度為60 000 ns，因此門控列表的循環(huán)周期總時長即為100 000 ns。

表4 門控列表調(diào)度測試項的門控列表配置

圖10 顯示了同時發(fā)送流量到PC3 時PC1 和PC2所分配到的帶寬情況，可以看出，PC1 約分配到了40%的帶寬，而PC2 約分配到了60%的帶寬，因此證明該調(diào)度器可以實現(xiàn)將不同優(yōu)先級的流量分配到相應(yīng)的傳輸時隙。另外，從圖中也能看出PC1 和PC2所分配到的帶寬處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，因此可以實現(xiàn)周期性的數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)度。

圖10 門控列表配置后帶寬分配

3.2.4 應(yīng)用場景測試

如3.1.3 節(jié)所述，在車載TSN 的應(yīng)用場景中，由于背景流量的優(yōu)先級高于高清視頻流，所以在沒有開啟TAS 功能之前，大流量的背景流與音視頻流同時傳輸時，音視頻會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，無法保證自動駕駛域中關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的實時性和確定性。當采用了時間感知整形器調(diào)度機制，將關(guān)鍵的音視頻數(shù)據(jù)流單獨放置于一個時隙中進行傳輸，使其不受大背景流的影響，并且通過配置門控列表中的參數(shù)，保證音視頻流的帶寬要求。測試結(jié)果顯示音視頻流可以正常播放，不會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

TSN 是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的重要方向，具有廣闊的應(yīng)用前景，而流量調(diào)度機制則是TSN 的關(guān)鍵核心技術(shù)。文中介紹了IEEE802.1Qbv 標準中的時間感知整形器的工作原理，并提出了一種TSN 交換機的時間感知整形器調(diào)度機制的設(shè)計，在自研TSN交換機上進行了實際的組網(wǎng)測試驗證。測試結(jié)果表明，可以實現(xiàn)時間感知整形器的功能，也能滿足時間敏感業(yè)務(wù)流對于確定性傳輸?shù)囊蟆?/p>