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如何使用TSN调度流量来实现关键时间流的超低时延

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许多关键时间应用都要依赖多个网络跃点上的超低时延才能正常发挥作用。在本博客中,我们将探讨在快速配置调度流量的同时保障其预期性能的各种方法。

时间敏感网络(TSN)是一系列在基于以太网的网络上实现确定性通信的标准。TSN可以为不同的确定性网络要求提供不同的工具。

调度流量(IEEE 802.1Qbv)和帧优先权(IEEE 802.1Qbu和802.3br)是在多个跃点上实现超低时延的部分最适合的可用TSN工具。调度流量的工作方式是为不同类型的流量分配专用的时隙,类似于时分多址(TDMA)方案的工作原理。然而,要在每个网络跃点配置专用时隙,并确保通过网络的帧不会遭遇等待时间,说起来很容易,但做起来却绝非易事。

驾驭以太网网络中的“绿波”

当我们在道路上驾车时,一路绿波无疑是一种美好的体验。所谓绿波就是一系列的交通信号灯(通常为三个或更多)通过协调工作的方式,在主交通方向上的多个路口实现连续不断的车流。这些交通信号灯需要根据相互之间的距离和预期的车速来接受配置。

资料来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Green_wave#/media/File:GreenWave.gif

与此类似的是,对于以太网而言,当一系列的桥接和终端站以相互协调的方式接受配置,使经过调度的流在多个跃点上实现连续的数据流,而这就是通过调度实现的流量绿波。在配置网络时,线缆和桥接的延迟,以及链路的速度,都需要被考虑在内。

桥接或终端站上每个启用Qbv的发送端口都有一个门参数表。这个门参数表的特性取决于:

  • 基础时间:调度启动的时间

  • 周期时间:控制列表索引返回至零后所用的时间,以及

  • 控制列表:这是一个排序列表,其中的每个条目都规定哪个队列应开启或关闭,以及开启或关闭的时间长度。

在快速配置调度流量的同时为其预期性能提供保障

要想配置多个跃点上调度流量并实现绿波,有一种简易解决方案,即使用基础时间来补偿线缆和桥接延迟。例如,在上面呈现的简单网络拓扑结构中,我们可以在送话方1处以基础时间0.0启动。

在桥接1处,基础时间应当是送话方1和桥接1之间的线缆延迟,再加上该帧穿越桥接1所用的时间。在存储和转发桥接中,帧长度也需要考虑在内。如果是直通式桥接,这一问题可以忽略。

根据该公式的类推,在跃点n处,基础时间应当设置为:

同样的方法也适用于更复杂的网络拓扑结构,以及有多个送话方和受话方的多个流。线缆和桥接延迟可以按动态方式计算。网络配置可以由CNC和CUC实时更新,在有新的流加入网络时,以及在流量条件发生变化时,都可以保持绿波。

测量端到端时延还不够

要想为实现预期的超低时延提供保障,仅测量端到端时延是远远不够的。我们还需要在网络上的不同点位处采集一系列的指标,对已调度流在时间和多跃点上的稳定性进行评价。评价调度流的最重要指标包括:

  1. 特定已调度流的每个帧部分与预期到达时间的偏差
    • 最大正偏差
    • 最大负偏差
    • 平均偏差

  2. 已调度流量的计时直方图-例如,在以下时间内收到了多少帧:
    • 距预期时间0..100纳秒
    • 距预期时间100..500纳秒
    • 距预期时间0.5..2微秒

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Razvan Petre

Manager Product Management - Cloud and IP

Razvan Petre负责思博伦云及IP业务部门的时间敏感网络(TSN)产品战略。他协助设计的测试和保障解决方案可满足下一代TSN设备和网络测试需求,适用于包括汽车、工业自动化、航空航天和运营商网络在内的多个垂直行业。Razvan在测试和通信系统设计方面拥有超过15年的工作经验,并特别关注电信、汽车、工业自动化和公共部门等众多领域的性能和一致性协议测试工作。他拥有布加勒斯特理工大学的计算机科学理学硕士学位。