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(biāo)準(zhǔn)。TSN在MAC層提供統(tǒng)一的時間敏感機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)）協(xié)議是TSN流量調(diào)度機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)，若實現(xiàn)不當(dāng)，可能導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)延遲或丟失，引發(fā)嚴(yán)重事故。因此，進(jìn)行IEEE 802.1Qbv協(xié)議功能測試是驗證設(shè)備能否嚴(yán)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(jī)制

➽  TAS機(jī)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(jī)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(jī)。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(yán)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(zhǔn)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(jī)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(xì)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(yán)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(jī)

圖3  計時器狀態(tài)機(jī)

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(dāng)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(jī)的802.1Qbv協(xié)議進(jìn)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(zhǔn)驗證交換機(jī)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(dá)納秒級精度）、帶寬保障及門控觸發(fā)準(zhǔn)確性，確保設(shè)備符合實時通信的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(jī)制，本節(jié)將詳細(xì)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(jī)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(jī)）是否根據(jù)配置的GCL正確、準(zhǔn)時地執(zhí)行門控調(diào)度。

3.測試拓?fù)洌?/STRONG>