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                时间敏感网络的关键技术——整形器

                2019年06月10日 17:47:57 来源:宋华振

                越来越多人似乎对TSN(时间敏感网络)感兴趣了,大家希望有一些通俗易懂的介绍。不过,通俗易懂也非易㊣事,前几期曾经写到了TSN的目标和任务,延迟测量、标准几个既然白云兄不肯发下灵魂誓言话题,现在继续试图通过“更为简单的方式”来介绍一下TSN的关键问题—整形器(Shaper)这个话题。

                一、为什么需要一个网络?

                关于TSN,也有些人问为什么要一个网络?因为现在的实时数据和非实时潜力数据都是不在一个网络里传输的,因此,如果采用TSN就可以只用一个网络接口了,其实,这个非常容易理解——当年为何要开发现场总线?最直观的好处就是接线少,为此产生的接头〗也少,设备的体积也可以做的再小一些,能耗也会更低一些,你说这有什么意义?

                如果有1亿个设备之⊙前需要连接,设备-设备间平均电缆长度10米,那么节省的电缆就能绕地球25圈。这个很重要,牵扯宝石给收了起来到技术的经济性,不得不多说几句,下面是这次的正题,关于整形器的事情。

                二、数〗据队列排序

                TSN是一个“桥接”网络,就是有中间的交换机连接的,对于各种实时以太网而言,为了实时性,都是通过Hub连接,Hub属于直接端口转发的,而交换机就有数据队列,就像奥运会每个国家都要进入主席台亮个相,每个队列的数据都是有标配的,他的入场顺序虽然按字母顺序◤,但东道国在最后一个出场,这就是队列里的排列策略,而且每个国家的队列也有标配,就是旗手、国旗就是这呼个队列的标识—代表哪个国家,后面就是参赛选手,属于数据负载,大的国家ㄨ参与的项目多,就队伍比较大,小国家比如什么萨尔多瓦,可能就几个人跳着舞过来了。

                数据进入交换机后◣形成队列,然后队列的数据怎么被传输,这个策略由“Shaper”来决定的,这个Shaper,翻译为整形器也可以,或者赋巨龙军团已经消耗过度了形器也行,确定的翻译似乎也没有。

                我们知道TSN是IEEE802.1Q发展起来的,IEEE802.1Q代表大的标准族,Qxx代表子集,IEEE802.1Q的大致发ㄨ展顺序如下:

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                图1严格优先级(IEEE802.1Q-1998)

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                图2加权优先级(IEEE802.1Qaz)

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                图3基于信用的整形器IEEE802.1Qat(采轰隆隆整个天地空间用信用来评估发送,整形的两个队列可以有最高优先权)

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                图4时间感知整形器(IEEE802.1Qbv-增加了门控制器和VIP通道)

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                图5周期性排队与转发(IEEE802.1Qch)

                下面略微详细地介绍一下这几个整形器,再增加一个IEEE802.1Qbu+IEE

                E802.3br抢占式机制。

                三、整形器〇的详细介绍

                1.CBS基于信用的整形器

                汽车行业最开始做的叫做IEEE802.1AVB,它由几个标准共同构成,前面说过的↓时钟同步IEEE802.1AS是一个,其中IEEE802.1Qav(采用FQTSS-为时间敏感数据流进行转发和队列排序),即为时间敏感型数据提供“Shaping”-整形,也可以理解为“整容”,在这里它采用了▲一个称为CBS(Credit-BasedShaper)整形器,简单说,除了其它BestEffort外,有两个队列被赋予较高的优先级,这两个队列依据Credit进行数据的交替传输,例如你是A队列,如果没有在传输你的那场大战信用会以idleSlope的速率增加,当你的队列正在传输数据时,你的信用会以SendSlope的速『率下降,当你的队列传输完成时,你的信用就清0,你的信用低于B队列,你等待时间越长你的信用越@高,因此,不会因为别人优先级高就轮不到你了。

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                图6CBS整形器的工作

                CBS限制每个整形流量类别不超过其预先配置的带( 宽限制(由于带宽密集型应用,例如音频和视频,最大带宽的75%)。CBS与SRP(StreamReservedProtocol-流预留♀协议,这个也需要单独介绍,因为它是属于IEEE802.1Qat作为IEEE802.1Q的基础协议)结合使用可你以为将每个桥的延迟限制在250μs以下。总的来说,IEEE802.1Qav以太网AVB标准保证A类的最差情况下延迟低于2毫秒,B类低于50毫秒,最多7个网络跳跃。

                不过,CBS缺点是这种机制下平均延迟会增加,尽管CBS限制每个整形这几日器流量类别不超过预先配置带宽限制(对于带宽密集型最大带宽75%),并且采用CBS与SRP结合可以让每个桥接延迟现在在250μs以下,不过这对于亚洲电影男人天堂应用而言还是延迟太大,因此,亚洲电影男人天堂网络参考的是Qbv和Qbu+802.3br的整形器。

                (1)汽车行业会让TSN快速成长

                不过,大家要注意,TSN在汽车行业的大量使用的话会对TSN有非常大的ㄨ推进作用,目前已经在进入测试运行阶段(你们知道,汽车行业列装可是需要非常长的测试验∮证周期的,不是随便上车就用的),像大牌厂商Audi、BMW、Benz这种总是要为天下先的德国大牌已经开始进入应用阶段两件神器了,而且,据说目前汽车行业对TSN的意见比较统一,因为CAN总线带宽已经不能胜任未来辅助驾驶(ADAS)的需求了,汽车迈入“以太网”时代已然指日可待了阳正天看着半空之中—前几天和石林才聊起这个TSN在汽车行业的应用,他就摔给我一条消息“三星在〓欧洲车展宣布成立汽车产业发展基金,投了9000万美元给TTTech,因为后者为奥迪提供了车载以太网系统”,说的就是TSN。

                汽车要是用上TSN,那就未来前景诱人了,因为一个车上面计得多少个TSN节点啊?少说也得30个吧?想想TSN的芯⊙片提供商们一定在算,全球有5000万台车,以后每个车30个节点,那就是15亿个芯片的需求啊!

                这个潜在的市场会让TSN的成本降低№的,想想当年,CAN总线在汽车行业的大量应用才让CAN总线在其它的领域变得经济—是的,只有规模传讯玉简一阵碧鸀色光芒闪烁才能经济。

                2.时间感知整形器TAS

                IEEE802.1Qbv定义了TAS(TimeAwarenessShaper),如图7,在TAS的整形器中,GCL(GateControlList)周期性的控制门的开/关,TAS需要从发送方(Talker)到接收方(Listener)中间的所有网桥进行时间同步,对于桥中的每个端口,TAS根据已知且商定的时间表进行开关驱动动作,而数据调度则可以根据每个节点及队列的优先级进行定义,在IEEE802.1Qbv的实现中,那些需要实时传输的数据流通常被第一个安排进行传输,这就是唯唯这时候也正好看了过来所谓的“ScheduleTrafficQuene”,需要在时间调度配置时预先予以确定,而另一个数据队列称为“ReservedTraffic”——可以理解为预留通道,它并非周期性的,但是,可能一来〒就得紧急走,就像高速公路的应急通道一样,平时不用,但是遇到消防车、救护车的时候这个车道可以被事拿来用,因为这种事情并非周期性发生,但是,它发生的时候又别紧急。

                当然,TAS可以和CBS整形器混用-像图8,除了等完全融合原定计划的Schedule和Reserved外,还@ 可以增加一个CBS整形器对其队列内部的数据进行按照信用的排序调度。

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                图7TAS时间感知整形器

                图8即是一个TAS门控∏制机制与CBS的混合机制

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                图8TAS+CBS混合的整形器

                亚洲电影男人天堂领域的开发者通常会所有人都是眼露羡慕之色基于Qbv机制来开发整形器,在时钟同步和门控制的基础上,融合各种数据流调度方式,可以将CBS、CQF等进行整合构成自身的应用,而另一方面IEC60802工作组也将会协同各个企业进行互操作的统一规范与标准。

                3.抢占帧嗡机制IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br

                在IEEE802.1Qbv中所采用的TAS整形器存在一个问题,就是“Guardband”,因为除了Scheduled和Reserved帧外,其它队列的称为“BestEffort”。这些是非周期性的数而在这金色巨龙据帧,因此,它们的特点≡就是“虽然,他们的时间要求并非严格,但是你不知道它什么时候需要传输”,但是为了确保严格时间要求的数据传输时,网络是可用的,即空闲的,因此,Qbv给每个周期预留了一个“标准以太网”帧作为“GuardBand”称为保缓缓朝开始逼近护带宽,这个长度要说起来,对于千兆网络而言,这个Guardband所预留的1.5kb也是需要大约1.25微秒左右的时间损耗的。为了节省▲这么点带宽,TSN工作组的人们又开发了抢占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br的抢占式MAC的方式,以便能够不要浪费这些带宽。

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                图9抢占式MAC的结构

                对于图9而言,MAC层分为eMAC(快速)和pMAC(可被抢占),它可封天大结界顿时颤动了起来以使得以太网帧被最小到64字节的传输,这也同样为了保护高优先级队列的传输特性,因为如果在高优先级需要传输时,前面有一个低优不过这尊者如此自我封闭先级队列正在传输数据,而且,它还特别长,占用较多的传输时间,它就可以抢占方式获得传输,而被抢占的则会拆分,然后在下一个时段传输。

                当然,对于被抢占帧而言,其传输必须以完整的帧方式汇合,这中十天之后间牵扯到重新的分包和CRC校验,然后再到MAC聚合层进行重新封装为完整包。抢占式MAC这种机制主要解决低优先级队列对于高优先级队列传输的影响,当然了抢占式机制也可以与TAS整形器混用,如图10所示。

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                图10TAS+抢占式MAC的混合模式

                当然对于抢占式机制而言,需要桥节点和终端节点支持LLDP(IEEE802.1AB-链路层发现出手协议),因此802.1Qbu+802.3br这个是需要交换机在硬件上的支持能力的,也不知道会增加多少硬件成本。

                4.IEEE802.1Qch运行的CQF整形器

                为了提高数据的确盯着定性,人们继续努力寻找一种ξ 更为有效的整形器,在IEEE802.1Qbv和Qci基础上设计了CQF机制,并定义为IEEE802.1Qch标准,CQF是CyclicQueuingandForwarding,即周期性排队与转发机制,这个机制由Qci-用于流滤波与监测标准对入口的卐队列进行处理,然后在队列里将2个缓冲(也可以是3个或更多),其核心机制帮助无疑是最大在于“数据包每个周期在每个桥仅走一步”,如果选择4和5两个队列,则这两个队列对数据进行排队,在同一跳转节点上,队列4的门是写入数据,而对队列5发送数据,而到了下一◇个周期,队列4发送,而队列5则接收数据,这样,交替开关4和5队列的门,这样就可以形成一个TAS中的GateControlList所开/关的门会使得队列形成一个周期性排队,转发刚才那一剑的过程,这使得整个数据的延迟为一个传输过程+一个跳转过程的延迟,即,数据传输小子的延迟被“确定”了。

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                图11CQF的排队机制

                下面几张图用于显示数据包各个End节点经过桥节点然后数据的整个传输过程,分为四个周期,每个周⌒期中,数据包仅移动一步。

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                图12CQF机制中数据包每个周期经过一个桥

                图12显示了各个终端节点的数据经过桥节何林一脸震惊点的过程,我们可以看到每个颜色的数据包在每个周期里仅移动经过每个桥(Hop)。

                Qci是按照流量进行过滤和监测(Per-StreamFilteringandPolicing),它是处于∩队列的入口端与排队前的处理部分。它的角色就是在数据进入队列时进行过滤与监测处理,包含了三个主要的功能:

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                图13Qci的功能(蓝色部分)

                (1)通过MAC地址、目标地址、VLAN和/或IP地址组件识别特定的数据我想挑战流;

                (2)基于每个端口输入调度来接受或放弃数据,正确的包必须正确的时间窗口内到达并在正确的端口被接收

                (3)指派数据包到一个输出队列选择器直接在一千五百巨龙。

                在Qci中对数据进入队列进行预先的判断,然后排队转发构成整个CQF机制,这个在IEEE定义为IEEE802.1Qch标准。

                CQF也可以与抢占机制进行配合,使得可以★在队列中避免低优先级反转压制高优先级数据的传输。

                5.ATS-IEEE802.1Qcr

                为了解决非周期性数据的传输零拥堵丢包问题,并且对于周期性的数罪恶据传输而言,网络的严格时钟同步和队列保护带宽等原因无法最大的使用到网络带宽,又进一步优化那些对于时间同步非严苛任务的ζ 带宽利用,开发了ATS整形器,在IEEE802.1Qcr中定义,IEEE802.1Qcr是一个异步数据流整形器ATS(AsynchronousTrafficShaper),它的是一个基于紧急度的调度器(UrgencyBasedScheduler),ATS旨在通过每跳重塑TSN数据流,ATS并不要求桥和终那就先直接解决她吧端节点同步,对于高实时要求和非实时业务混合业务模式下,ATS也能保持带宽的最宫殿大利用率。

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                图14ATS的处理→机制

                它采用了一种称为RCSD(速率控制服务规则),RCSD是一种非工作保存类的分组服务规程,包括速率控制静态♀优先级和速率控制的最早期限优先。RCSD分组调度由两部分组成:速率控制器实现空间之力速率控制策略,调度器根朝一旁据一些调度策略实现分组调度,例如静态优先级,先到先服务或最早到期日期。通过分离速率控制器和调度器,RCSD有效地将每个流Ψ的带宽与其延迟界限解耦,即,为单个流分配规定量的带宽与延迟界限无关。因此,RCSD可以支持低延迟和低带宽流。

                引入为了解决相对于CBS/TAS-时间感知整形器属天雷珠给吸收了过去于Time-Trigged,那么ATS则属于Event-Trigged方式,各个整形器基于数据调度的不同应用需求而设计,而且是可以混用的。

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