越來越多人似乎對TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）感興趣了，大家希望有一些通俗易懂的介紹。不過，通俗易懂也非易事，前幾期曾經(jīng)寫到了TSN的目標和任務(wù)，延遲測量、標準幾個話題，現(xiàn)在繼續(xù)試圖通過“更為簡單的方式”來介紹一下TSN的關(guān)鍵問題—整形器（Shaper）這個話題。

一、為什么需要一個網(wǎng)絡(luò)？

關(guān)于TSN，也有些人問為什么要一個網(wǎng)絡(luò)？因為現(xiàn)在的實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)都是不在一個網(wǎng)絡(luò)里傳輸?shù)?，因此，如果采用TSN就可以只用一個網(wǎng)絡(luò)接口了，其實，這個非常容易理解——當年為何要開發(fā)現(xiàn)場總線？最直觀的好處就是接線少，為此產(chǎn)生的接頭也少，設(shè)備的體積也可以做的再小一些，能耗也會更低一些，你說這有什么意義？

如果有1億個設(shè)備之前需要連接，設(shè)備-設(shè)備間平均電纜長度10米，那么節(jié)省的電纜就能繞地球25圈。這個很重要，牽扯到技術(shù)的經(jīng)濟性，不得不多說幾句，下面是這次的正題，關(guān)于整形器的事情。

二、數(shù)據(jù)隊列排序

TSN是一個“橋接”網(wǎng)絡(luò)，就是有中間的交換機連接的，對于各種實時以太網(wǎng)而言，為了實時性，都是通過Hub連接，Hub屬于直接端口轉(zhuǎn)發(fā)的，而交換機就有數(shù)據(jù)隊列，就像奧運會每個國家都要進入主席臺亮個相，每個隊列的數(shù)據(jù)都是有標配的，他的入場順序雖然按字母順序，但東道國在最后一個出場，這就是隊列里的排列策略，而且每個國家的隊列也有標配，就是旗手、國旗就是這個隊列的標識—代表哪個國家，后面就是參賽選手，屬于數(shù)據(jù)負載，大的國家參與的項目多，就隊伍比較大，小國家比如什么薩爾多瓦，可能就幾個人跳著舞過來了。

數(shù)據(jù)進入交換機后形成隊列，然后隊列的數(shù)據(jù)怎么被傳輸，這個策略由“Shaper”來決定的，這個Shaper，翻譯為整形器也可以，或者賦形器也行，確定的翻譯似乎也沒有。

我們知道TSN是IEEE802.1Q發(fā)展起來的，IEEE802.1Q代表大的標準族，Qxx代表子集，IEEE802.1Q的大致發(fā)展順序如下：

圖1嚴格優(yōu)先級（IEEE802.1Q-1998）

圖2加權(quán)優(yōu)先級（IEEE802.1Qaz）

圖3基于信用的整形器IEEE802.1Qat（采用信用來評估發(fā)送，整形的兩個隊列可以有最高優(yōu)先權(quán)）

圖4時間感知整形器（IEEE802.1Qbv-增加了門控制器和VIP通道）

圖5周期性排隊與轉(zhuǎn)發(fā)（IEEE802.1Qch）

下面略微詳細地介紹一下這幾個整形器，再增加一個IEEE802.1Qbu+IEE

E802.3br搶占式機制。

三、整形器的詳細介紹

1.CBS基于信用的整形器

汽車行業(yè)最開始做的叫做IEEE802.1AVB，它由幾個標準共同構(gòu)成，前面說過的時鐘同步IEEE802.1AS是一個，其中IEEE802.1Qav(采用FQTSS-為時間敏感數(shù)據(jù)流進行轉(zhuǎn)發(fā)和隊列排序），即為時間敏感型數(shù)據(jù)提供“Shaping”-整形，也可以理解為“整容”，在這里它采用了一個稱為CBS（Credit-BasedShaper）整形器，簡單說，除了其它BestEffort外，有兩個隊列被賦予較高的優(yōu)先級，這兩個隊列依據(jù)Credit進行數(shù)據(jù)的交替?zhèn)鬏?，例如你是A隊列，如果沒有在傳輸你的信用會以idleSlope的速率增加，當你的隊列正在傳輸數(shù)據(jù)時，你的信用會以SendSlope的速率下降，當你的隊列傳輸完成時，你的信用就清0，你的信用低于B隊列，你等待時間越長你的信用越高，因此，不會因為別人優(yōu)先級高就輪不到你了。

圖6CBS整形器的工作

CBS限制每個整形流量類別不超過其預先配置的帶寬限制（由于帶寬密集型應(yīng)用，例如音頻和視頻，最大帶寬的75%）。CBS與SRP(StreamReservedProtocol-流預留協(xié)議，這個也需要單獨介紹，因為它是屬于IEEE802.1Qat作為IEEE802.1Q的基礎(chǔ)協(xié)議）結(jié)合使用可將每個橋的延遲限制在250μs以下?？偟膩碚f，IEEE802.1Qav以太網(wǎng)AVB標準保證A類的最差情況下延遲低于2毫秒，B類低于50毫秒，最多7個網(wǎng)絡(luò)跳躍。

不過，CBS缺點是這種機制下平均延遲會增加，盡管CBS限制每個整形器流量類別不超過預先配置帶寬限制（對于帶寬密集型最大帶寬75%），并且采用CBS與SRP結(jié)合可以讓每個橋接延遲現(xiàn)在在250μs以下，不過這對于工業(yè)應(yīng)用而言還是延遲太大，因此，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)參考的是Qbv和Qbu+802.3br的整形器。

（1）汽車行業(yè)會讓TSN快速成長

不過，大家要注意，TSN在汽車行業(yè)的大量使用的話會對TSN有非常大的推進作用，目前已經(jīng)在進入測試運行階段（你們知道，汽車行業(yè)列裝可是需要非常長的測試驗證周期的，不是隨便上車就用的），像大牌廠商Audi、BMW、Benz這種總是要為天下先的德國大牌已經(jīng)開始進入應(yīng)用階段了，而且，據(jù)說目前汽車行業(yè)對TSN的意見比較統(tǒng)一，因為CAN總線帶寬已經(jīng)不能勝任未來輔助駕駛（ADAS）的需求了，汽車邁入“以太網(wǎng)”時代已然指日可待了—前幾天和石林才聊起這個TSN在汽車行業(yè)的應(yīng)用，他就摔給我一條消息“三星在歐洲車展宣布成立汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金，投了9000萬美元給TTTech，因為后者為奧迪提供了車載以太網(wǎng)系統(tǒng)”，說的就是TSN。

汽車要是用上TSN，那就未來前景誘人了，因為一個車上面得多少個TSN節(jié)點??？少說也得30個吧？想想TSN的芯片提供商們一定在算，全球有5000萬臺車，以后每個車30個節(jié)點，那就是15億個芯片的需求??！

這個潛在的市場會讓TSN的成本降低的，想想當年，CAN總線在汽車行業(yè)的大量應(yīng)用才讓CAN總線在其它的領(lǐng)域變得經(jīng)濟—是的，只有規(guī)模才能經(jīng)濟。

2.時間感知整形器TAS

IEEE802.1Qbv定義了TAS（TimeAwarenessShaper），如圖7，在TAS的整形器中，GCL（GateControlList）周期性的控制門的開/關(guān)，TAS需要從發(fā)送方（Talker）到接收方（Listener）中間的所有網(wǎng)橋進行時間同步，對于橋中的每個端口，TAS根據(jù)已知且商定的時間表進行開關(guān)驅(qū)動動作，而數(shù)據(jù)調(diào)度則可以根據(jù)每個節(jié)點及隊列的優(yōu)先級進行定義，在IEEE802.1Qbv的實現(xiàn)中，那些需要實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通常被第一個安排進行傳輸，這就是所謂的“ScheduleTrafficQuene”，需要在時間調(diào)度配置時預先予以確定，而另一個數(shù)據(jù)隊列稱為“ReservedTraffic”——可以理解為預留通道，它并非周期性的，但是，可能一來就得緊急走，就像高速公路的應(yīng)急通道一樣，平時不用，但是遇到消防車、救護車的時候這個車道可以被拿來用，因為這種事情并非周期性發(fā)生，但是，它發(fā)生的時候又別緊急。

當然，TAS可以和CBS整形器混用-像圖8，除了原定計劃的Schedule和Reserved外，還可以增加一個CBS整形器對其隊列內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行按照信用的排序調(diào)度。

圖7TAS時間感知整形器

圖8即是一個TAS門控制機制與CBS的混合機制

圖8TAS+CBS混合的整形器

工業(yè)領(lǐng)域的開發(fā)者通常會基于Qbv機制來開發(fā)整形器，在時鐘同步和門控制的基礎(chǔ)上，融合各種數(shù)據(jù)流調(diào)度方式，可以將CBS、CQF等進行整合構(gòu)成自身的應(yīng)用，而另一方面IEC60802工作組也將會協(xié)同各個企業(yè)進行互操作的統(tǒng)一規(guī)范與標準。

3.搶占幀機制IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br

在IEEE802.1Qbv中所采用的TAS整形器存在一個問題，就是“Guardband”，因為除了Scheduled和Reserved幀外，其它隊列的稱為“BestEffort”。這些是非周期性的數(shù)據(jù)幀，因此，它們的特點就是“雖然，他們的時間要求并非嚴格，但是你不知道它什么時候需要傳輸”，但是為了確保嚴格時間要求的數(shù)據(jù)傳輸時，網(wǎng)絡(luò)是可用的，即空閑的，因此，Qbv給每個周期預留了一個“標準以太網(wǎng)”幀作為“GuardBand”稱為保護帶寬，這個長度要說起來，對于千兆網(wǎng)絡(luò)而言，這個Guardband所預留的1.5kb也是需要大約1.25微秒左右的時間損耗的。為了節(jié)省這么點帶寬，TSN工作組的人們又開發(fā)了搶占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br的搶占式MAC的方式，以便能夠不要浪費這些帶寬。

圖9搶占式MAC的結(jié)構(gòu)

對于圖9而言，MAC層分為eMAC（快速）和pMAC（可被搶占），它可以使得以太網(wǎng)幀被最小到64字節(jié)的傳輸，這也同樣為了保護高優(yōu)先級隊列的傳輸特性，因為如果在高優(yōu)先級需要傳輸時，前面有一個低優(yōu)先級隊列正在傳輸數(shù)據(jù)，而且，它還特別長，占用較多的傳輸時間，它就可以搶占方式獲得傳輸，而被搶占的則會拆分，然后在下一個時段傳輸。

當然，對于被搶占幀而言，其傳輸必須以完整的幀方式匯合，這中間牽扯到重新的分包和CRC校驗，然后再到MAC聚合層進行重新封裝為完整包。搶占式MAC這種機制主要解決低優(yōu)先級隊列對于高優(yōu)先級隊列傳輸?shù)挠绊?，當然了搶占式機制也可以與TAS整形器混用，如圖10所示。

圖10TAS+搶占式MAC的混合模式

當然對于搶占式機制而言，需要橋節(jié)點和終端節(jié)點支持LLDP（IEEE802.1AB-鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議），因此802.1Qbu+802.3br這個是需要交換機在硬件上的支持能力的，也不知道會增加多少硬件成本。

4.IEEE802.1Qch運行的CQF整形器

為了提高數(shù)據(jù)的確定性，人們繼續(xù)努力尋找一種更為有效的整形器,在IEEE802.1Qbv和Qci基礎(chǔ)上設(shè)計了CQF機制，并定義為IEEE802.1Qch標準，CQF是CyclicQueuingandForwarding，即周期性排隊與轉(zhuǎn)發(fā)機制，這個機制由Qci-用于流濾波與監(jiān)測標準對入口的隊列進行處理，然后在隊列里將2個緩沖（也可以是3個或更多），其核心機制在于“數(shù)據(jù)包每個周期在每個橋僅走一步”，如果選擇4和5兩個隊列，則這兩個隊列對數(shù)據(jù)進行排隊，在同一跳轉(zhuǎn)節(jié)點上，隊列4的門是寫入數(shù)據(jù)，而對隊列5發(fā)送數(shù)據(jù)，而到了下一個周期，隊列4發(fā)送，而隊列5則接收數(shù)據(jù)，這樣，交替開關(guān)4和5隊列的門，這樣就可以形成一個TAS中的GateControlList所開/關(guān)的門會使得隊列形成一個周期性排隊，轉(zhuǎn)發(fā)的過程，這使得整個數(shù)據(jù)的延遲為一個傳輸過程+一個跳轉(zhuǎn)過程的延遲，即，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t被“確定”了。

圖11CQF的排隊機制

下面幾張圖用于顯示數(shù)據(jù)包各個End節(jié)點經(jīng)過橋節(jié)點然后數(shù)據(jù)的整個傳輸過程，分為四個周期，每個周期中，數(shù)據(jù)包僅移動一步。

圖12CQF機制中數(shù)據(jù)包每個周期經(jīng)過一個橋

圖12顯示了各個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)過橋節(jié)點的過程，我們可以看到每個顏色的數(shù)據(jù)包在每個周期里僅移動經(jīng)過每個橋（Hop）。

Qci是按照流量進行過濾和監(jiān)測（Per-StreamFilteringandPolicing），它是處于隊列的入口端與排隊前的處理部分。它的角色就是在數(shù)據(jù)進入隊列時進行過濾與監(jiān)測處理，包含了三個主要的功能：

圖13Qci的功能（藍色部分）

（1）通過MAC地址、目標地址、VLAN和/或IP地址組件識別特定的數(shù)據(jù)流；

（2）基于每個端口輸入調(diào)度來接受或放棄數(shù)據(jù)，正確的包必須正確的時間窗口內(nèi)到達并在正確的端口被接收

（3）指派數(shù)據(jù)包到一個輸出隊列選擇器。

在Qci中對數(shù)據(jù)進入隊列進行預先的判斷，然后排隊轉(zhuǎn)發(fā)構(gòu)成整個CQF機制，這個在IEEE定義為IEEE802.1Qch標準。

CQF也可以與搶占機制進行配合，使得可以在隊列中避免低優(yōu)先級反轉(zhuǎn)壓制高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳輸。

5.ATS-IEEE802.1Qcr

為了解決非周期性數(shù)據(jù)的傳輸零擁堵丟包問題，并且對于周期性的數(shù)據(jù)傳輸而言，網(wǎng)絡(luò)的嚴格時鐘同步和隊列保護帶寬等原因無法最大的使用到網(wǎng)絡(luò)帶寬，又進一步優(yōu)化那些對于時間同步非嚴苛任務(wù)的帶寬利用，開發(fā)了ATS整形器，在IEEE802.1Qcr中定義，IEEE802.1Qcr是一個異步數(shù)據(jù)流整形器ATS（AsynchronousTrafficShaper），它的是一個基于緊急度的調(diào)度器（UrgencyBasedScheduler），ATS旨在通過每跳重塑TSN數(shù)據(jù)流，ATS并不要求橋和終端節(jié)點同步，對于高實時要求和非實時業(yè)務(wù)混合業(yè)務(wù)模式下，ATS也能保持帶寬的最大利用率。

圖14ATS的處理機制

它采用了一種稱為RCSD（速率控制服務(wù)規(guī)則），RCSD是一種非工作保存類的分組服務(wù)規(guī)程，包括速率控制靜態(tài)優(yōu)先級和速率控制的最早期限優(yōu)先。RCSD分組調(diào)度由兩部分組成：速率控制器實現(xiàn)速率控制策略，調(diào)度器根據(jù)一些調(diào)度策略實現(xiàn)分組調(diào)度，例如靜態(tài)優(yōu)先級，先到先服務(wù)或最早到期日期。通過分離速率控制器和調(diào)度器，RCSD有效地將每個流的帶寬與其延遲界限解耦，即，為單個流分配規(guī)定量的帶寬與延遲界限無關(guān)。因此，RCSD可以支持低延遲和低帶寬流。

引入為了解決相對于CBS/TAS-時間感知整形器屬于Time-Trigged，那么ATS則屬于Event-Trigged方式，各個整形器基于數(shù)據(jù)調(diào)度的不同應(yīng)用需求而設(shè)計，而且是可以混用的。