精準調(diào)度，確定性保障：信而泰IEEE 802.1Qbv協(xié)議測試實戰(zhàn)指南

引言：

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，TSN）是基于以太網(wǎng)的新一代網(wǎng)絡(luò)標準。TSN在MAC層提供統(tǒng)一的時間敏感機制，為語音、視頻、工業(yè)控制等關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供低時延、高可靠性的確定性傳輸。TSN標準體系涵蓋時鐘同步、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）協(xié)議是TSN流量調(diào)度機制的核心。該協(xié)議允許網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)關(guān)鍵業(yè)務(wù)流的特征和時序需求進行配置，將特定業(yè)務(wù)流映射到專用轉(zhuǎn)發(fā)隊列，并依據(jù)預(yù)定義的門控列表（Gate Control List，GCL）進行周期性調(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)時因擁塞而丟包。在TSN網(wǎng)絡(luò)中部署802.1Qbv，可實現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)流端到端轉(zhuǎn)發(fā)時延的精確控制與高度確定性。

壹  802.1Qbv協(xié)議測試必要性

IEEE 802.1Qbv是TSN網(wǎng)絡(luò)的核心調(diào)度機制，為工業(yè)控制、自動駕駛等實時業(yè)務(wù)提供確定性低時延保障。該協(xié)議通過TAS和GCL精確控制流量發(fā)送時機，若實現(xiàn)不當，可能導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)延遲或丟失，引發(fā)嚴重事故。因此，進行IEEE 802.1Qbv協(xié)議功能測試是驗證設(shè)備能否嚴格按策略調(diào)度流量、保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。

貳  802.1Qbv協(xié)議核心機制

➽  TAS機制與門控原理

TSN中，802.1Qbv協(xié)議為識別出的關(guān)鍵流量提供基于精確時間點的確定性調(diào)度，其核心機制是通過預(yù)配置的802.1Qbv門控列表（Gate Control List，GCL）來控制隊列的發(fā)送時機。用戶配置時，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、各隊列門控狀態(tài)與時長）。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的時序規(guī)則，對TSN流量執(zhí)行嚴格的確定性調(diào)度，確保其在預(yù)定時間窗口內(nèi)無沖突地發(fā)送。

圖1  Transmission selection with gates

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

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

流量分類入隊可通過多種方式實現(xiàn)，例如：

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

•  基于IP DSCP：根據(jù)IP報文頭的DSCP字段值，將其映射到特定的流量等級和隊列。

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

➽  GCL配置邏輯

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

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

•  Close（關(guān)門）：不會選擇排隊的幀進行傳輸。

每個隊列的“開”或“關(guān)”狀態(tài)由GCL精確控制。GCL包含多個條目，定義了每個隊列在特定時間段內(nèi)的門控狀態(tài)。GCL基于基準時間(Base Time)啟動，并周期性循環(huán)執(zhí)行，每個周期的時長稱為周期時間(Cycle Time)，隊列通常根據(jù)其優(yōu)先級進行調(diào)度（優(yōu)先級數(shù)值越高表示優(yōu)先級越高，范圍通常為7到0）。在門控狀態(tài)為“開”的前提下，設(shè)備嚴格按照優(yōu)先級從高到低（7->6->...->0）的順序發(fā)送隊列中的報文。

圖2  GCL表象

以節(jié)點0為例，設(shè)備會先發(fā)送隊列7中的報文，隊列7中報文發(fā)送完成后發(fā)送隊列6中的報文，隊列6中報文發(fā)送完成后發(fā)送隊列5中的報文，然后再發(fā)隊列3中的報文依次類推。

802.1Qbv中定義的時間感知整形器（time aware shaper，TAS），利用時間周期的概念來調(diào)度數(shù)據(jù)，可通過循環(huán)計時器中的循環(huán)計時器開始時間確定一個GCL執(zhí)行周期開始的時間。

➽  循環(huán)計時器狀態(tài)機

圖3  計時器狀態(tài)機

SetCycleStartTime（）過程確定下一個GCL執(zhí)行周期開始的時間。該過程根據(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指定當前時間或未來時間）那么Cycle Start Time=Oper Base Time；

2、Config Pending=FALSE，且Oper Base Time<Current Time，（例如Oper Base Time指定過去的時間）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)議測試方案與能力

➽  測試方案

通過測試儀對TSN交換機的802.1Qbv協(xié)議進行全面驗證，基于IEEE 802.1AS高精度時間同步，配置流量調(diào)度表、GCL及Bucket List策略，結(jié)合VLAN與目的MAC過濾規(guī)則，可精準驗證交換機在復(fù)雜場景下的確定性調(diào)度能力。測試結(jié)果量化關(guān)鍵流量時延抖動（達納秒級精度）、帶寬保障及門控觸發(fā)準確性，確保設(shè)備符合實時通信的嚴格標準，為協(xié)議可靠性提供權(quán)威測試。

➽  核心測試能力

信而泰BigTao220+TSN特性板卡的IEEE802.1QBV測試能力：

•  支持流量調(diào)度表手動配置；

•  支持門控列表配置；

•  支持過濾器（VLAN、目的MAC地址最后三個字節(jié)）配置；

•  支持Bucket List配置；

•  支持使用IEEE 802.1AS進行時間同步。

肆   測試實踐：用例設(shè)計與配置詳解

為驗證上述理論機制，本節(jié)將詳細闡述一個典型的測試用例及其在信而泰RENIX測試平臺上的核心配置。

測試用例設(shè)計

1.用例描述：

驗證TSN交換機Qbv行為。配置3個GCL，周期時間（Cycle Time）為3 ms，每個時隙1ms；第一個表項放行優(yōu)先級為0的流量，第二個表項放行優(yōu)先級為1的流量，第三個表項放行優(yōu)先為3、4、5、6的流量。

2.測試目的：驗證DUT（TSN交換機）是否根據(jù)配置的GCL正確、準時地執(zhí)行門控調(diào)度。

3.測試拓撲：

圖4 拓撲

測試儀配置詳解

門控中依次添加三個GCL列表項，門狀態(tài)中指定門狀態(tài)，0為關(guān)門，1為開門。列表0放行優(yōu)先級0流量、列表1放行優(yōu)先級1流量、列表2放行3、4、5、6優(yōu)先級流量。門狀態(tài)持續(xù)時長設(shè)置每個列表的持續(xù)時間，所有列表持續(xù)時間之和為Oper Cycle Time此例設(shè)置每個GCL持續(xù)時間為1ms，Oper Cycle Time為3ms；過濾器索引為測試儀統(tǒng)計不同GCL放行流量的落點情況。（門控規(guī)則與DUT保持一致）

圖5  測試儀配置1

配置Qbv流量，點擊自動創(chuàng)建流量會自動生成對應(yīng)優(yōu)先級的Qbv流，也可以點擊“添加”手動創(chuàng)建其他流量，配置測試類型為Continuous。

圖6  測試儀配置2

配置AS協(xié)議并點擊完成，在配置導(dǎo)航欄中可看到生成的AS協(xié)議，點擊啟動所有協(xié)議，能看到測試儀Telkerd端口AS時鐘狀態(tài)為Slave，Listener端口AS時鐘狀態(tài)為Master，統(tǒng)計中能看到時間偏移量及協(xié)議包交互數(shù)量均正常，時間同步是Qbv調(diào)度基準時間的基石，需優(yōu)先確保其建立成功。

圖7  測試儀配置3

在端口中設(shè)置基準時間，此時間為未來某個絕對時間戳，并換算成秒，配置基準時間為未來時間，以滿足協(xié)議規(guī)則a的要求，確保調(diào)度周期從預(yù)定時間開始。

圖8  基準時間

圖9  測試儀配置4

伍  測試結(jié)果分析

啟動Qbv流量后，測試儀將在設(shè)定的基準時間到達后開始發(fā)送流量。通過查看測試儀提供的詳細統(tǒng)計信息，可進行如下分析：

圖10  測試結(jié)果時延性能

查看流量統(tǒng)計中的平均時延，可達納秒級精度，驗證低時延保障。

調(diào)度準確性

在Qbv流量統(tǒng)計中，觀察優(yōu)先級0、1的流量是否僅在第一個和第二個1ms時間窗內(nèi)成功通過，優(yōu)先級3-6的流量是否在第三個1ms時間窗內(nèi)通過。此結(jié)果可證明DUT嚴格遵循了配置的門控規(guī)則。

完整性檢查

確保無預(yù)期之外的丟包，所有關(guān)鍵流量均在其調(diào)度時間窗內(nèi)被成功轉(zhuǎn)發(fā)。

陸   結(jié)語

IEEE 802.1Qbv協(xié)議作為TSN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)確定性傳輸?shù)暮诵�，依托時間感知整形器（TAS）和門控列表（GCL）為關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供納秒級調(diào)度保障，但其配置復(fù)雜且對時序高度敏感，測試驗證難度極大。信而泰TSN測試平臺直面該挑戰(zhàn)，提供從GCL策略仿真、多優(yōu)先級流量生成到基于IEEE 802.1AS的高精度時間同步的一體化測試方案，全面驗證設(shè)備在真實業(yè)務(wù)場景下的調(diào)度準確性與時序合規(guī)性，這一切能力的背后，離不開高性能硬件平臺的支撐。

圖11 TSN測試板卡

信而泰自主研發(fā)的TSN模塊基于高性能FPGA實現(xiàn)100%線速流量生成與納秒級精度統(tǒng)計，確保每一幀數(shù)據(jù)都可被精確發(fā)送、捕獲，為Qbv測試的可靠性與權(quán)威性奠定堅實的硬件基礎(chǔ)，為工業(yè)自動化、車載網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的TSN技術(shù)落地提供強有力的測試保障。