精準(zhǔn)調(diào)度，確定性保障：信而泰IEEE 802.1Qbv協(xié)議測(cè)試實(shí)戰(zhàn)指南

引言：

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，TSN）是基于以太網(wǎng)的新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。TSN在MAC層提供統(tǒng)一的時(shí)間敏感機(jī)制，為語(yǔ)音、視頻、工業(yè)控制等關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供低時(shí)延、高可靠性的確定性傳輸。TSN標(biāo)準(zhǔn)體系涵蓋時(shí)鐘同步、流量調(diào)度、可靠性和安全等關(guān)鍵領(lǐng)域。

IEEE 802.1Qbv（流量調(diào)度增強(qiáng)）協(xié)議是TSN流量調(diào)度機(jī)制的核心。該協(xié)議允許網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)關(guān)鍵業(yè)務(wù)流的特征和時(shí)序需求進(jìn)行配置，將特定業(yè)務(wù)流映射到專用轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列，并依據(jù)預(yù)定義的門控列表（Gate Control List，GCL）進(jìn)行周期性調(diào)度，從而優(yōu)先保障關(guān)鍵流量，有效避免其在設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)因擁塞而丟包。在TSN網(wǎng)絡(luò)中部署802.1Qbv，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)流端到端轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的精確控制與高度確定性。

壹  802.1Qbv協(xié)議測(cè)試必要性

IEEE 802.1Qbv是TSN網(wǎng)絡(luò)的核心調(diào)度機(jī)制，為工業(yè)控制、自動(dòng)駕駛等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供確定性低時(shí)延保障。該協(xié)議通過(guò)TAS和GCL精確控制流量發(fā)送時(shí)機(jī)，若實(shí)現(xiàn)不當(dāng)，可能導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)延遲或丟失，引發(fā)嚴(yán)重事故。因此，進(jìn)行IEEE 802.1Qbv協(xié)議功能測(cè)試是驗(yàn)證設(shè)備能否嚴(yán)格按策略調(diào)度流量、保障高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。

貳  802.1Qbv協(xié)議核心機(jī)制

➽  TAS機(jī)制與門控原理

TSN中，802.1Qbv協(xié)議為識(shí)別出的關(guān)鍵流量提供基于精確時(shí)間點(diǎn)的確定性調(diào)度，其核心機(jī)制是通過(guò)預(yù)配置的802.1Qbv門控列表（Gate Control List，GCL）來(lái)控制隊(duì)列的發(fā)送時(shí)機(jī)。用戶配置時(shí)，需在TSN調(diào)度策略（或TSN配置）中定義GCL的關(guān)鍵參數(shù)（如周期、各隊(duì)列門控狀態(tài)與時(shí)長(zhǎng)）。隨后，將該策略應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的出接口（egress port）上。部署成功后，該接口即能依據(jù)GCL的時(shí)序規(guī)則，對(duì)TSN流量執(zhí)行嚴(yán)格的確定性調(diào)度，確保其在預(yù)定時(shí)間窗口內(nèi)無(wú)沖突地發(fā)送。

圖1  Transmission selection with gates

如圖1所示各隊(duì)列的門的開/關(guān)狀態(tài)由GCL精確控制。GCL可以有多行，GCL根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)間BaseTime，循環(huán)執(zhí)行，每CycleTime執(zhí)行一次。

將不同流量等級(jí)（Traffic Class）的流量映射到獨(dú)立的轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列，是實(shí)施802.1Qbv門控調(diào)度的基礎(chǔ)前提，這種隊(duì)列隔離機(jī)制使得GCL能夠?qū)Σ煌��?duì)列實(shí)施差異化的調(diào)度策略：即在任意給定時(shí)刻，允許某些隊(duì)列開門發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)保持其他隊(duì)列關(guān)門阻塞。

流量分類入隊(duì)可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，例如：

•  基于VLAN優(yōu)先級(jí)(PCP)：利用VLAN報(bào)文頭中的3位PCP字段區(qū)分8種優(yōu)先級(jí)，映射到不同隊(duì)列。

•  基于IP DSCP：根據(jù)IP報(bào)文頭的DSCP字段值，將其映射到特定的流量等級(jí)和隊(duì)列。

•  基于精細(xì)化流分類：通過(guò)配置策略，依據(jù)報(bào)文頭信息（如源/目的MAC地址、源/目的IP地址、協(xié)議類型等）顯式指定報(bào)文的流量等級(jí)。

➽  GCL配置邏輯

門控列表（GCL）精確控制每個(gè)隊(duì)列的發(fā)送狀態(tài)，其兩種基本狀態(tài)為：

•  Open（開門）：根據(jù)與隊(duì)列相關(guān)的傳輸選擇算法的定義，選擇要發(fā)送的排隊(duì)幀；

•  Close（關(guān)門）：不會(huì)選擇排隊(duì)的幀進(jìn)行傳輸。

每個(gè)隊(duì)列的“開”或“關(guān)”狀態(tài)由GCL精確控制。GCL包含多個(gè)條目，定義了每個(gè)隊(duì)列在特定時(shí)間段內(nèi)的門控狀態(tài)。GCL基于基準(zhǔn)時(shí)間(Base Time)啟動(dòng)，并周期性循環(huán)執(zhí)行，每個(gè)周期的時(shí)長(zhǎng)稱為周期時(shí)間(Cycle Time)，隊(duì)列通常根據(jù)其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度（優(yōu)先級(jí)數(shù)值越高表示優(yōu)先級(jí)越高，范圍通常為7到0）。在門控狀態(tài)為“開”的前提下，設(shè)備嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)從高到低（7->6->...->0）的順序發(fā)送隊(duì)列中的報(bào)文。

圖2  GCL表象

以節(jié)點(diǎn)0為例，設(shè)備會(huì)先發(fā)送隊(duì)列7中的報(bào)文，隊(duì)列7中報(bào)文發(fā)送完成后發(fā)送隊(duì)列6中的報(bào)文，隊(duì)列6中報(bào)文發(fā)送完成后發(fā)送隊(duì)列5中的報(bào)文，然后再發(fā)隊(duì)列3中的報(bào)文依次類推。

802.1Qbv中定義的時(shí)間感知整形器（time aware shaper，TAS），利用時(shí)間周期的概念來(lái)調(diào)度數(shù)據(jù)，可通過(guò)循環(huán)計(jì)時(shí)器中的循環(huán)計(jì)時(shí)器開始時(shí)間確定一個(gè)GCL執(zhí)行周期開始的時(shí)間。

➽  循環(huán)計(jì)時(shí)器狀態(tài)機(jī)

圖3  計(jì)時(shí)器狀態(tài)機(jī)

SetCycleStartTime（）過(guò)程確定下一個(gè)GCL執(zhí)行周期開始的時(shí)間。該過(guò)程根據(jù)Current Time、Oper Base Time、Oper Cycle Time、Oper Cycle Time Extension、Config Change Time和Config Pending的值，將Cycle Start Time變量設(shè)置為起始時(shí)間，具體規(guī)則如下：

1、Config Pending=FALSE，且Oper Base Time>=Current Time，（例如Oper Base Time指定當(dāng)前時(shí)間或未來(lái)時(shí)間）那么Cycle Start Time=Oper Base Time；

2、Config Pending=FALSE，且Oper Base Time<Current Time，（例如Oper Base Time指定過(guò)去的時(shí)間）那么Cycle Start Time=(Oper Base Time+N*Oper Cycle Time)其中N是滿足關(guān)系式的最小整數(shù)；

3、Config Pending=TRUE，且Config Change Time>(Current Time+Oper Cycle Time+Oper Cycle Time Extension)那么Cycle StartTime=(Oper Base Time+N*Oper Cycle Time)其中N是滿足關(guān)系式的最小整數(shù)；

4、Config Pending=TRUE，且Config Change Time<=(Current Time+Oper Cycle Time+Oper Cycle Time Extension)那么Cycle Start Time=Config Change Time。

叁   信而泰802.1Qbv協(xié)議測(cè)試方案與能力

➽  測(cè)試方案

通過(guò)測(cè)試儀對(duì)TSN交換機(jī)的802.1Qbv協(xié)議進(jìn)行全面驗(yàn)證，基于IEEE 802.1AS高精度時(shí)間同步，配置流量調(diào)度表、GCL及Bucket List策略，結(jié)合VLAN與目的MAC過(guò)濾規(guī)則，可精準(zhǔn)驗(yàn)證交換機(jī)在復(fù)雜場(chǎng)景下的確定性調(diào)度能力。測(cè)試結(jié)果量化關(guān)鍵流量時(shí)延抖動(dòng)（達(dá)納秒級(jí)精度）、帶寬保障及門控觸發(fā)準(zhǔn)確性，確保設(shè)備符合實(shí)時(shí)通信的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，為協(xié)議可靠性提供權(quán)威測(cè)試。

➽  核心測(cè)試能力

信而泰BigTao220+TSN特性板卡的IEEE802.1QBV測(cè)試能力：

•  支持流量調(diào)度表手動(dòng)配置；

•  支持門控列表配置；

•  支持過(guò)濾器（VLAN、目的MAC地址最后三個(gè)字節(jié)）配置；

•  支持Bucket List配置；

•  支持使用IEEE 802.1AS進(jìn)行時(shí)間同步。

肆   測(cè)試實(shí)踐：用例設(shè)計(jì)與配置詳解

為驗(yàn)證上述理論機(jī)制，本節(jié)將詳細(xì)闡述一個(gè)典型的測(cè)試用例及其在信而泰RENIX測(cè)試平臺(tái)上的核心配置。

測(cè)試用例設(shè)計(jì)

1.用例描述：

驗(yàn)證TSN交換機(jī)Qbv行為。配置3個(gè)GCL，周期時(shí)間（Cycle Time）為3 ms，每個(gè)時(shí)隙1ms；第一個(gè)表項(xiàng)放行優(yōu)先級(jí)為0的流量，第二個(gè)表項(xiàng)放行優(yōu)先級(jí)為1的流量，第三個(gè)表項(xiàng)放行優(yōu)先為3、4、5、6的流量。

2.測(cè)試目的：驗(yàn)證DUT（TSN交換機(jī)）是否根據(jù)配置的GCL正確、準(zhǔn)時(shí)地執(zhí)行門控調(diào)度。

3.測(cè)試拓?fù)洌?/STRONG>