交換機(jī)中的排隊延時是給分組端到(dào)端延時帶來不确定性的重要因素。由于要支持确定性的延時，TSN交換機(jī)中的隊列設計必須有别于傳統的标準交換機(jī)。基于FAST流水(shuǐ)線擴展模型和CQF-UDO模塊設計，我們在openbox-S4可編程平台上(shàng)展開(kāi)TSN交換機(jī)原型（FAST-TSN-04）設計，本文詳細介紹了該原型機(jī)中的隊列模型，并對分組交換延時進行分析。 一(yī)、FAST-TSN-04的隊列模型       FAST-TSN-04基于Openbox-S4實現（核心FPGA為(wèi)ZynqXC7Z030），支持4個(gè)千兆以太網接口分組和TSN的CQF流量整形，可保證精确的分組交換延時。其内部的隊列結構如下(xià)圖所示。分組交換過程的緩存主要分為(wèi)三個(gè)階段，即輸入緩存，交換緩存和輸出緩存。    （1）輸出緩存
     輸入緩存在openbox-S4平台提供的FPGA OS中實現，用戶無法根據TSN的轉發需求進行任何修改和定制。每個(gè)接口接收的分組不加區别的按照(zhào)先來先服務的隊列形式保存在輸入緩存FIFO隊列中。FIFO隊列的寬度為(wèi)128bit，時鍾頻率為(wèi)125HHz。由于每個(gè)接口速率為(wèi)1Gbps，因此進入FIFO隊列的速率最大為(wèi)1Gbps，而在A點調度器(qì)調度分組輸出帶寬為(wèi)16Gbps（128b*125MHz）。      參考文獻[1]證明了在上(shàng)述隊列結構下(xià)，每個(gè)FIFO隊列不溢出的條件(jiàn)為(wèi)：      且分組在隊列中的最大延時：      将Vi=1Gbps，f=125MHz，Bd=128b，L=1500B，N=4帶入可得将每個(gè)接收的FIFO隊列長(cháng)度設置為(wèi)1.8KB即可保證無分組溢出，分組的最大延時為(wèi)4.5us。    （2）交換緩存
     交換緩存采用共享存儲方式，即B點（FAST流水(shuǐ)線中的GPP模塊）從(cóng)PB獲取空閑的緩沖區塊地址，将每個(gè)到(dào)達的分組寫入PB中存儲，同時将地址信息寫入分組的元數據中。FAST流水(shuǐ)線模塊（GKE、GME、GAC）利用分組的元數據進行交換查表，得到(dào)其目的輸出接口，即可将分組的元數據（包含分組優先級和輸出接口号）寫入相(xiàng)應的輸出隊列中等待調度。      GAC沒有對TSN進行優化設計，每個(gè)端口僅支持高(gāo)（H）低(dī)（L）兩個(gè)優先級隊列。支持TSN時，可配置将優先級4-7的分組元數據送高(gāo)優先級隊列緩存，優先級0-3的分組元數據送低(dī)優先級隊列緩存。C點（GAC模塊）的調度器(qì)采用兩級調度的思想，第一(yī)級是每個(gè)輸出端口調度高(gāo)優先級分組輸出，第二級是在多(duō)個(gè)優先級隊列中采用Round-Robin方式進行調度。      采用RR調度可能(néng)導緻一(yī)個(gè)端口的低(dī)優先級幀先于另一(yī)個(gè)端口的高(gāo)優先級隊列發送，這種情況是合理的，因為(wèi)GAC調度對應的速率為(wèi)16Gbps，而對應CQF-UDO的輸出帶寬為(wèi)1Gbps，即使高(gāo)優先級幀被優先調度到(dào)UDO模塊，還(hái)需要在UDO模塊中進行進一(yī)步緩存。      交換緩存是交換機(jī)中的重要緩存。當多(duō)個(gè)輸入端口向一(yī)個(gè)輸出端口同時發送數據時，交換機(jī)理想的緩存應該在一(yī)定流量條件(jiàn)下(xià)保證輸出接口不溢出。目前TSN工(gōng)作組正在制定面向工(gōng)業(yè)自(zì)動化場景的TSN規範草(cǎo)案“IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation“，在工(gōng)作組最新文檔（參考文獻2）中給出了交換機(jī)輸出接口緩存資源MinimumFrameMemory的計算(suàn)公式： MinimumFrameMemory= (NumberOfPorts – 1) × MaxPortBlockingTime × Linkspeed 其中NumberOfPorts為(wèi)交換機(jī)接口數，MaxPortBlockingTime為(wèi)數據緩存時間，Linkspeed為(wèi)接口鏈路(lù)速率。通(tōng)過上(shàng)述公式，文檔給出了當接口數目為(wèi)4，鏈路(lù)速率為(wèi)1Gbps，MaxPortBlockingTime為(wèi)典型值200us時，需要的緩存大小(xiǎo)為(wèi)75KB。    （3）輸出緩存
     輸出緩存位于CQF-UDO内部，是針對TSN CQF流量整形機(jī)制設計的專用隊列。CQF-UDO包含4個(gè)隊列，其中Q7和Q6為(wèi)保存時間敏感分組的乒乓隊列，Q4為(wèi)保存帶寬預約分組的隊列，Q0為(wèi)保留Best Effort分組的低(dī)優先級隊列。      由于時間敏感分組（優先級為(wèi)7）和預約帶寬分組（優先級為(wèi)4）在交換緩存中作為(wèi)高(gāo)優先級分組會(huì)被優先調度到(dào)UDO，因此對于合理的離線調度（不會(huì)造成輸出端口擁塞），高(gāo)優先級流量不會(huì)在輸出端口長(cháng)時間排隊。      造成輸出接口Q7/Q6排隊的是CQF模型。假設時間敏感流量乒乓隊列切換的時間槽為(wèi)125us（802.1Qch中給出的典型切換時間），且時間敏感流量不超過鏈路(lù)負載的20%（200Mbps），因此Q7和Q6每個(gè)隊列緩存最大需要125us*20%*1Gbps，即3.2KB。      Q4隊列主要保存帶寬預約流量，由于在D點（GOE）可使用令牌桶對流量整形，因此Q4的長(cháng)度隻等于令牌桶的桶深即可，這裡(lǐ)可設置為(wèi)4KB。      Q0隊列隻是用于16G速率到(dào)接口1Gbps速率的轉換，隻要D點（GOE）對UDO進行正體1Gbps的帶寬限速，Q0隊列隻需緩存一(yī)個(gè)大的完整分組即可，因此選擇2KB即可。 二、緩存資源和轉發延時評估    （1）存儲資源評估
     根據以上(shàng)分析，對FAST-TSN-04使用的存儲資源進行評估如下(xià)表所示。      Opnebox-S4選用Zynq芯片XC7Z030内嵌的緩沖區為(wèi)9.3Mb，而FAST-TSN-04使用的緩沖區大小(xiǎo)為(wèi)140KB，約1.1Mb。因此即使考慮數據成塊分配導緻緩存效率降低(dī)， FPGA内部緩存是可以滿足需求的。    （2）延時評估
     對FAST-TSN-04的延時評估主要針對時間敏感流量和帶寬預約流量。基于上(shàng)述分析，圖中各參考點之間的延時估算(suàn)如下(xià)表所示。表中的延時估算(suàn)為(wèi)頭進到(dào)頭出的延時。對于最大分為(wèi)1500B和千兆帶寬，分組頭進尾出延時還(hái)要增肌1500*8b/1GBps=12us左右。由于FAST流水(shuǐ)線時鍾為(wèi)125MHz，每個(gè)時鍾節拍8ns，1us約125個(gè)時鍾節拍。      基于上(shàng)述分析，不考慮CQF的緩存需求，交換流程中高(gāo)優先級分組（時間敏感分組和預約帶寬分組）最大延時約15us。對于無離線規劃的best effort分組，最大延時可能(néng)超過600us（75KB/1Gbps）。 參考文獻
[1] 李韬，孫志(zhì)剛等，面向下(xià)一(yī)代互聯網實驗平台的新型報(bào)文處理模型——EasySwitch， 計算(suàn)機(jī)學報(bào)，2011年(nián)11期
[2] Use CasesIEC/IEEE 60802 V1.3,https://1.ieee802.org/tsn/iec-ieee-60802-tsn-profile-for-industrial-automation/