作者 | J

小編 | CACTUS

前言

我們在以往的文章中介紹了TSN相關(guān)的各個內(nèi)容，包括《TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）純干貨分享》、《TSN（Time-Sensitive Networking）時間敏感網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議導讀：時間同步 | 延時 | 802.1Qav | 802.1Qch | 802.1Qbv | 802.1Qbu》、《基于TSN 802.1AS協(xié)議的時間同步分析（7種延時，1次厘清）》等等。

本次將介紹TSN Qav的相關(guān)內(nèi)容。

什么是Qav

IEEE 802.1Qav 是時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）標準族中的重要組成部分，全稱為"Forwarding and Queuing for Time-Sensitive Streams"（時間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊），其核心在于引入了基于信用的整形器（Credit-Based Shaper, CBS），確保時間敏感流和普通流能夠獲得預期的整形流量。

在談到流量整形時，我們先看一下基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式。在二層VLAN數(shù)據(jù)的VLAN tag中，我們定義了不同數(shù)據(jù)使用了不同的優(yōu)先級，在交換機的目標端口進行多個源端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，會根據(jù)緩存隊列中數(shù)據(jù)的優(yōu)先級進行發(fā)送，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)會持續(xù)使用發(fā)送資源。

最終的數(shù)據(jù)情況如圖所示

上圖表示了一段1ms窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)（紅框為放大圖），其中高優(yōu)先級數(shù)據(jù)占據(jù)了所有的帶寬資源，形成了蜂擁的現(xiàn)象。

這一情況可能會存在2個問題，一是低優(yōu)先級數(shù)據(jù)被完全阻塞無法發(fā)送（雖然數(shù)據(jù)的優(yōu)先級低，但還是希望能有一部分帶寬用于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)發(fā)送），二是高優(yōu)先級數(shù)據(jù)蜂擁浪費了帶寬資源且增加數(shù)據(jù)丟失的風險（即雖然數(shù)據(jù)優(yōu)先級高，但并不期望蜂擁到達目標終端）。

Qav為了優(yōu)化這部分的流量整形，一是限定了高優(yōu)先級流量的最大帶寬來保證可以發(fā)送低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，二是使用CBS算法來離散高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)發(fā)送。CBS算法為基于信用的計算方式，簡單來說，數(shù)據(jù)想要發(fā)送就需要支付信用點，當信用點小于0則不允許被發(fā)送，信用點會隨時間恢復。

如上圖所示，數(shù)據(jù)1、2、3需要轉(zhuǎn)發(fā)到目標端口，數(shù)據(jù)1發(fā)送后信用點降低，當數(shù)據(jù)1發(fā)送完畢，需要等待信用點恢復到0后才可以發(fā)送數(shù)據(jù)2，蜂擁的數(shù)據(jù)1、2、3就被整形成了間隔均勻的目標數(shù)據(jù)。

使用TSN Systems公司的TSN CoreSolution進行數(shù)據(jù)分析后，即可獲得上述的流量圖，in的那一行是源端口的蜂擁數(shù)據(jù)，out那一行是經(jīng)過Qav整形后的目標端口的數(shù)據(jù)，可以直觀地看到，源端口的蜂擁數(shù)據(jù)在目標端口轉(zhuǎn)發(fā)后被整形為間隔均勻的目標數(shù)據(jù)。

設(shè)置不同的帶寬限制就可以獲得不同的信用點上升和下降速率（即idleSlope和sendSlop），就能控制相應數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率。結(jié)合低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的發(fā)送行為，就會形成特定的數(shù)據(jù)流。

如上圖所示，在低優(yōu)先級數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，接收到發(fā)送數(shù)據(jù)1的指令，則信用點會增加，當?shù)蛢?yōu)先級數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后可以發(fā)送數(shù)據(jù)1，同時消耗信用點，數(shù)據(jù)1發(fā)送完畢后由于還有信用點，則可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)2，數(shù)據(jù)2 發(fā)送完畢后信用點小于0，需要等待信用點恢復后才能發(fā)送數(shù)據(jù)3。

由此我們可以知道，當數(shù)據(jù)延遲在可接受范圍內(nèi)，可以通過Qav的方式進行流量整形，以達到平緩數(shù)據(jù)和保證低優(yōu)先級數(shù)據(jù)不被長時間阻塞的目的。

怎么測試Qav

理清了Qav基本內(nèi)容后，我們來說明一下如何進行Qav的測試。我們把Qav測試分為一致性測試和自定義測試，一致性測試是基于AVnu發(fā)布的一致性測試規(guī)范，而自定義測試則是需要基于OEM的需求以及Qav相關(guān)的流量配置來進行測試。

（1）Qav一致性測試

Qav的一致性測試主要包含3個章節(jié)的內(nèi)容，分別是轉(zhuǎn)發(fā)機制驗證、CBS算法驗證、AVB及非AVB的交換機特殊性驗證。測試環(huán)境大部分是基于一個源端口轉(zhuǎn)發(fā)到一個目標端口。

如下圖所示

也存在特殊的環(huán)境，如一進二出和二進一出的場景。

如下圖所示

一致性測試的過程中通常需要根據(jù)不同的測試要求，修改交換機以及Qav的配置，如設(shè)置特定的預留帶寬、配置特定的轉(zhuǎn)發(fā)流等。

（2）Qav自定義測試

Qav的自定義測試通常需要OEM的需求和配置作為前提，比如在設(shè)計階段，需要拆解存在哪些流量，每個流量應該如何分類到Qav的配置中，對應的預留帶寬應該是多少，有哪些端口需要啟用Qav等等。

有了這些定義之后，我們就可以對需要測試的流量進行拆解分析，設(shè)計合適的用例來驗證Qav的機制實現(xiàn)情況、流量偏差情況、流量沖突處理行為是否正常等等。

（3）測試工具的選擇

由于Qav的測試更多地需要流量分析而不是單一數(shù)據(jù)的判斷處理，我們更推薦TSN CoreSolution來進行這部分的測試。TSN CoreSolution可以實現(xiàn)在交換機的源端口打入特定的流量，然后對于流量的轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系進行記錄和檢查，同時結(jié)合其Data Flow中用戶自定義的配置和分析規(guī)則，形成直觀的數(shù)據(jù)流量表現(xiàn)，簡單操作可見如下示例。

（4）測試示例

我們選擇一項測試來進行說明。首先我們配置了Qav中的高優(yōu)先級和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，同時分配高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的預留帶寬為20Mb/s，在交換機的源端口打入高優(yōu)先級數(shù)據(jù)80Mb/s，并在高優(yōu)先級數(shù)據(jù)間隔中插入低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，期望在目標端口只有20Mb/s的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)。

我們需要的分析規(guī)則如下：

首先在真實環(huán)境或者LOG分析中，過濾源端口數(shù)據(jù)和目標端口數(shù)據(jù)，需要展示源端口的整體數(shù)據(jù)和帶寬，在目標端口中過濾出高優(yōu)先級數(shù)據(jù)和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)并展示，同時展示高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的帶寬。

在TSN CoreSolution的Data Flow具體配置如下

然后在TSN CoreSolution的輸出頁面，可以查看到總輸入帶寬大約100Mb/s，輸出的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)帶寬大約20Mb/s

見下圖總覽

將展示的結(jié)果進行放大，可以看到輸入的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)每幀1000字節(jié)，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)每幀100字節(jié)，均勻間隔穿插發(fā)送，而輸出端限制了高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，此發(fā)送行為受CBS算法控制而形成預期帶寬的數(shù)據(jù)輸出。

見下圖

我們再放大數(shù)據(jù)展示并進行時間戳的標注，就可以直觀地看到當Qav機制生效后的數(shù)據(jù)延遲表現(xiàn)，如下圖示例，蜂擁的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)被整形為間隔300多μs的目標端數(shù)據(jù)。

總結(jié)

本次為大家介紹了TSN Qav的相關(guān)基礎(chǔ)知識和測試內(nèi)容，了解了其優(yōu)劣勢和相關(guān)特點，后續(xù)會帶來更多關(guān)于TSN協(xié)議的測試實踐內(nèi)容，敬請關(guān)注。

北匯信息是TSN Systems在中國的獨家合作伙伴，借助其專業(yè)的TSN工具TSN Coresolution，能夠為下一代E/E架構(gòu)中時間敏感網(wǎng)絡(luò)提供系統(tǒng)級測試解決方案，包括系統(tǒng)設(shè)計測試、系統(tǒng)性能測試以及系統(tǒng)魯棒性測試等

注：文中圖片來源于TSN CoreSolution、AVnu