基于FAST的TSN交換（2）基于FAST的TSN交換模型
發(fā)布時(shí)間：2019-1-14
在802.1Q-2014定義的以太網(wǎng)交換基本模型基礎(chǔ)上，針對(duì)TSN的特定需求，802.1Qci和802.1Qbv修訂對(duì)交換模型中分組輸出緩存的入隊(duì)列操作和出隊(duì)列調(diào)度機(jī)制進(jìn)行了擴(kuò)展，通過(guò)使用門控時(shí)間列表等機(jī)制對(duì)時(shí)間敏感分組入隊(duì)和出隊(duì)操作進(jìn)行了限制。
FAST 3.0的流水線可以在保持現(xiàn)有模塊不變前提下，通過(guò)按需擴(kuò)展插入新的模塊支持用戶定制的功能，因此可以方便地將TSN交換處理流程映射到FAST流水線上實(shí)現(xiàn)。
一、TSN交換處理流程
（1）標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交換流程
802.1Q-2014定義了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的交換流程，如下圖所示。處理流程主要包含10個(gè)模塊，每個(gè)模塊的功能見(jiàn)下表。
802.1Q規(guī)范沒(méi)有明確定義流量測(cè)量的粒度，無(wú)法對(duì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的流量進(jìn)行細(xì)粒度的測(cè)量和管控。雖然支持多種輸出調(diào)度算法，但更多是保證輸出調(diào)度的優(yōu)先級(jí)，或者按照預(yù)先確定的權(quán)值分配不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列占用的輸出帶寬，在調(diào)度中沒(méi)有利用全局時(shí)間信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)確定性的延時(shí)控制。軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用可以簡(jiǎn)化交換流程，將生成樹(shù)管理以及地址學(xué)習(xí)功能上載到控制器上實(shí)現(xiàn)，可以針對(duì)每條細(xì)粒度的流定義交換行為，但也難以實(shí)現(xiàn)確定性的延時(shí)控制。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)的幀交換流程及其TSN擴(kuò)展
（2）TSN對(duì)以太網(wǎng)交換流程的擴(kuò)充
針對(duì)確定性交換的目標(biāo)，TSN主要在時(shí)間同步（802.1AS）、單流的過(guò)濾和管控（802.1Qci，Per-Stream Filtering and Policing），時(shí)間敏感流量的調(diào)度（802.1Qbv Enhancement for scheduled traffic）以及幀剝奪（802.1Qbu）四個(gè)方面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交換流程進(jìn)行增強(qiáng)，除了時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)外，其他三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都成為802.1Q的修訂，并合并到最新的802.1Q-2018中。
時(shí)間同步機(jī)制采用IEEE 1588的PTP協(xié)議，為分組進(jìn)入隊(duì)列和輸出調(diào)度的時(shí)間門控邏輯提供精確的全局同步時(shí)間。
TSN在轉(zhuǎn)發(fā)流程中擴(kuò)充的單流過(guò)濾和管控（PSFP）機(jī)制主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能，一是單流測(cè)量，使用令牌桶機(jī)制測(cè)量到達(dá)的每條流得流量和最大幀長(zhǎng)度是否超過(guò)預(yù)定合約；二是時(shí)間門控隊(duì)列選擇機(jī)制，即將全局時(shí)間（分組到達(dá)的時(shí)刻）加入隊(duì)列選擇算法中考慮，重新計(jì)算分組內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)，并根據(jù)內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)而不是分組VLAN頭或IP頭中攜帶的外部?jī)?yōu)先級(jí)選擇輸出隊(duì)列號(hào)；三是入隊(duì)測(cè)量，基于令牌桶機(jī)制對(duì)進(jìn)入特定隊(duì)列的流量進(jìn)行測(cè)量，保證進(jìn)入相應(yīng)隊(duì)列緩存的分組流量滿足一定的合約。
輸出時(shí)間門控機(jī)制將全局時(shí)間用于輸出調(diào)度，對(duì)于保存時(shí)間敏感幀的特定隊(duì)列，是有在制定時(shí)刻才會(huì)打開(kāi)。輸出門控機(jī)制實(shí)際上是為每個(gè)輸出隊(duì)列設(shè)置了一個(gè)開(kāi)關(guān)，只有開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，隊(duì)列調(diào)度請(qǐng)求才會(huì)發(fā)送到輸出調(diào)度模塊，該隊(duì)列中的調(diào)度請(qǐng)求才能被響應(yīng)。
幀剝奪機(jī)制主要是避免低優(yōu)先級(jí)的長(zhǎng)幀在發(fā)送時(shí)占用輸出接口，影響高優(yōu)先級(jí)幀的發(fā)送。例如在某個(gè)時(shí)刻，高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列門的狀態(tài)由關(guān)閉變成打開(kāi)，因此輸出調(diào)度邏輯可調(diào)度該隊(duì)列中的高優(yōu)先級(jí)幀發(fā)送。若在高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列門打開(kāi)前，一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的幀剛剛被調(diào)度，則該幀的發(fā)送可以立刻終止，在高優(yōu)先級(jí)幀發(fā)送完成后，低優(yōu)先級(jí)的幀可以繼續(xù)發(fā)送。為了使以太網(wǎng)的MAC層支持幀剝奪機(jī)制（支持一個(gè)幀分多次發(fā)送，MAC層負(fù)責(zé)這些分片的重新組合），802.3工作組也推出了相應(yīng)的規(guī)范（802.3br）。
二、FAST-TSN實(shí)現(xiàn)模型
FAST基本流水線包含協(xié)議解析（GPP），關(guān)鍵字提取（GKE），匹配查表（GME），通用動(dòng)作（GAC）和通用輸出控制（GOE）五個(gè)基本的模塊，可為TSN交換提供基本的分組處理功能。而時(shí)間同步，以及流的測(cè)量整型、時(shí)間門控和輸出調(diào)度邏輯分別由用戶定義的PTP UDA、CFQ UDO和PTPUDO模塊實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。
圖2 基于FAST-TSN交換實(shí)現(xiàn)模型
FAST-TSN模型的特點(diǎn)是：
1.在硬件流水線中插入PTP協(xié)議處理模塊，完全由硬件實(shí)現(xiàn)PTP同步幀（sync/delay-req/delay-resp幀）處理，不需要軟件參與，因此支持頻率更高的時(shí)間同步操作，可獲取優(yōu)于100ns的同步精度。
2.將TSN的PSFP機(jī)制中的流分類和單流測(cè)量映射到FAST基本流水線中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)GME實(shí)現(xiàn)基于五元組的流分類功能，為每個(gè)分組分配一個(gè)flowID并填寫到分組的元數(shù)據(jù)中，后續(xù)的GAC、GOE和UDO模塊可以利用flowID進(jìn)行相關(guān)的操作。
3.采用獨(dú)立的UDO模塊實(shí)現(xiàn)核心的TSN門控和調(diào)度機(jī)制，通過(guò)UDO模塊的重構(gòu)可以支持多種TSN實(shí)現(xiàn)模型，滿足不同TSN交換場(chǎng)景的需求。我們實(shí)現(xiàn)的CQF-UDO模型可以保證確定性的端到端交換延時(shí)。
我們將在后續(xù)文章中，對(duì)TSN的CQF轉(zhuǎn)發(fā)模型，以及PTP UDA、PTPUDO以及CFQ UDO模塊的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
