交換機(jī)中的(de)排隊延時是給分組端到端延時帶來不确定性的(de)重要因素。由于要支持确定性的(de)延時，TSN交換機(jī)中的(de)隊列設計必須有(yǒu)别于傳統的(de)标準交換機(jī)。基于FAST流水線擴展模型和(hé)CQF-UDO模塊設計，我們在openbox-S4可(kě)編程平台上展開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(de)隊列模型，并對分組交換延時進行(xíng)分析。 一(yī)、FAST-TSN-04的(de)隊列模型       FAST-TSN-04基于Openbox-S4實現（核心FPGA為(wèi)ZynqXC7Z030），支持4個千兆以太網接口分組和(hé)TSN的(de)CQF流量整形，可(kě)保證精确的(de)分組交換延時。其內(nèi)部的(de)隊列結構如(rú)下圖所示。分組交換過程的(de)緩存主要分為(wèi)三個階段，即輸入緩存，交換緩存和(hé)輸出緩存。    （1）輸出緩存
     輸入緩存在openbox-S4平台提供的(de)FPGA OS中實現，用戶無法根據TSN的(de)轉發需求進行(xíng)任何修改和(hé)定制。每個接口接收的(de)分組不加區别的(de)按照先來先服務的(de)隊列形式保存在輸入緩存FIFO隊列中。FIFO隊列的(de)寬度為(wèi)128bit，時鍾頻率為(wèi)125HHz。由于每個接口速率為(wèi)1Gbps，因此進入FIFO隊列的(de)速率最大為(wèi)1Gbps，而在A點調度器調度分組輸出帶寬為(wèi)16Gbps（128b*125MHz）。      參考文獻[1]證明了在上述隊列結構下，每個FIFO隊列不溢出的(de)條件為(wèi)：      且分組在隊列中的(de)最大延時：      将Vi=1Gbps，f=125MHz，Bd=128b，L=1500B，N=4帶入可(kě)得将每個接收的(de)FIFO隊列長(cháng)度設置為(wèi)1.8KB即可(kě)保證無分組溢出，分組的(de)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流水線中的(de)GPP模塊）從PB獲取空閑的(de)緩沖區塊地(dì)址，将每個到達的(de)分組寫入PB中存儲，同時将地(dì)址信息寫入分組的(de)元數據中。FAST流水線模塊（GKE、GME、GAC）利用分組的(de)元數據進行(xíng)交換查表，得到其目的(de)輸出接口，即可(kě)将分組的(de)元數據（包含分組優先級和(hé)輸出接口号）寫入相應的(de)輸出隊列中等待調度。      GAC沒有(yǒu)對TSN進行(xíng)優化設計，每個端口僅支持高(gāo)（H）低(dī)（L）兩個優先級隊列。支持TSN時，可(kě)配置将優先級4-7的(de)分組元數據送高(gāo)優先級隊列緩存，優先級0-3的(de)分組元數據送低(dī)優先級隊列緩存。C點（GAC模塊）的(de)調度器采用兩級調度的(de)思想，第一(yī)級是每個輸出端口調度高(gāo)優先級分組輸出，第二級是在多個優先級隊列中采用Round-Robin方式進行(xíng)調度。      采用RR調度可(kě)能導緻一(yī)個端口的(de)低(dī)優先級幀先于另一(yī)個端口的(de)高(gāo)優先級隊列發送，這種情況是合理(lǐ)的(de)，因為(wèi)GAC調度對應的(de)速率為(wèi)16Gbps，而對應CQF-UDO的(de)輸出帶寬為(wèi)1Gbps，即使高(gāo)優先級幀被優先調度到UDO模塊，還需要在UDO模塊中進行(xíng)進一(yī)步緩存。      交換緩存是交換機(jī)中的(de)重要緩存。當多個輸入端口向一(yī)個輸出端口同時發送數據時，交換機(jī)理(lǐ)想的(de)緩存應該在一(yī)定流量條件下保證輸出接口不溢出。目前TSN工作組正在制定面向工業自(zì)動化場景的(de)TSN規範草(cǎo)案“IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation“，在工作組最新文檔（參考文獻2）中給出了交換機(jī)輸出接口緩存資源MinimumFrameMemory的(de)計算公式： 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)接口鏈路速率。通過上述公式，文檔給出了當接口數目為(wèi)4，鏈路速率為(wèi)1Gbps，MaxPortBlockingTime為(wèi)典型值200us時，需要的(de)緩存大小為(wèi)75KB。    （3）輸出緩存
     輸出緩存位于CQF-UDO內(nèi)部，是針對TSN CQF流量整形機(jī)制設計的(de)專用隊列。CQF-UDO包含4個隊列，其中Q7和(hé)Q6為(wèi)保存時間敏感分組的(de)乒乓隊列，Q4為(wèi)保存帶寬預約分組的(de)隊列，Q0為(wèi)保留Best Effort分組的(de)低(dī)優先級隊列。      由于時間敏感分組（優先級為(wèi)7）和(hé)預約帶寬分組（優先級為(wèi)4）在交換緩存中作為(wèi)高(gāo)優先級分組會被優先調度到UDO，因此對于合理(lǐ)的(de)離(lí)線調度（不會造成輸出端口擁塞），高(gāo)優先級流量不會在輸出端口長(cháng)時間排隊。      造成輸出接口Q7/Q6排隊的(de)是CQF模型。假設時間敏感流量乒乓隊列切換的(de)時間槽為(wèi)125us（802.1Qch中給出的(de)典型切換時間），且時間敏感流量不超過鏈路負載的(de)20%（200Mbps），因此Q7和(hé)Q6每個隊列緩存最大需要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(kě)使用令牌桶對流量整形，因此Q4的(de)長(cháng)度隻等于令牌桶的(de)桶深即可(kě)，這裏可(kě)設置為(wèi)4KB。      Q0隊列隻是用于16G速率到接口1Gbps速率的(de)轉換，隻要D點（GOE）對UDO進行(xíng)正體1Gbps的(de)帶寬限速，Q0隊列隻需緩存一(yī)個大的(de)完整分組即可(kě)，因此選擇2KB即可(kě)。 二、緩存資源和(hé)轉發延時評估    （1）存儲資源評估
     根據以上分析，對FAST-TSN-04使用的(de)存儲資源進行(xíng)評估如(rú)下表所示。      Opnebox-S4選用Zynq芯片XC7Z030內(nèi)嵌的(de)緩沖區為(wèi)9.3Mb，而FAST-TSN-04使用的(de)緩沖區大小為(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內(nèi)部緩存是可(kě)以滿足需求的(de)。    （2）延時評估
     對FAST-TSN-04的(de)延時評估主要針對時間敏感流量和(hé)帶寬預約流量。基于上述分析，圖中各參考點之間的(de)延時估算如(rú)下表所示。表中的(de)延時估算為(wèi)頭進到頭出的(de)延時。對于最大分為(wèi)1500B和(hé)千兆帶寬，分組頭進尾出延時還要增肌1500*8b/1GBps=12us左右。由于FAST流水線時鍾為(wèi)125MHz，每個時鍾節拍8ns，1us約125個時鍾節拍。      基于上述分析，不考慮CQF的(de)緩存需求，交換流程中高(gāo)優先級分組（時間敏感分組和(hé)預約帶寬分組）最大延時約15us。對于無離(lí)線規劃的(de)best effort分組，最大延時可(kě)能超過600us（75KB/1Gbps）。 參考文獻
[1] 李韬，孫志剛等，面向下一(yī)代互聯網實驗平台的(de)新型報文處理(lǐ)模型——EasySwitch， 計算機(jī)學(xué)報，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/