交换机中的排队延时是给分(fēn)组端到端延时带来不确定性的重要因素。由于要支持确定性的延时，TSN交换机中的队列设计必须有(yǒu)别于传统的标准交换机。基于FAST流水線(xiàn)扩展模型和CQF-UDO模块设计，我们在openbox-S4可(kě)编程平台上展开TSN交换机原型（FAST-TSN-04）设计，本文(wén)详细介绍了该原型机中的队列模型，并对分(fēn)组交换延时进行分(fēn)析。 一、FAST-TSN-04的队列模型       FAST-TSN-04基于Openbox-S4实现（核心FPGA為(wèi)ZynqXC7Z030），支持4个千兆以太网接口分(fēn)组和TSN的CQF流量整形，可(kě)保证精确的分(fēn)组交换延时。其内部的队列结构如下图所示。分(fēn)组交换过程的缓存主要分(fēn)為(wèi)三个阶段，即输入缓存，交换缓存和输出缓存。    （1）输出缓存
     输入缓存在openbox-S4平台提供的FPGA OS中实现，用(yòng)户无法根据TSN的转发需求进行任何修改和定制。每个接口接收的分(fēn)组不加區(qū)别的按照先来先服務(wù)的队列形式保存在输入缓存FIFO队列中。FIFO队列的宽度為(wèi)128bit，时钟频率為(wèi)125HHz。由于每个接口速率為(wèi)1Gbps，因此进入FIFO队列的速率最大為(wèi)1Gbps，而在A点调度器调度分(fēn)组输出带宽為(wèi)16Gbps（128b*125MHz）。      参考文(wén)献[1]证明了在上述队列结构下，每个FIFO队列不溢出的条件為(wèi)：      且分(fēn)组在队列中的最大延时：      将Vi=1Gbps，f=125MHz，Bd=128b，L=1500B，N=4带入可(kě)得将每个接收的FIFO队列長(cháng)度设置為(wèi)1.8KB即可(kě)保证无分(fēn)组溢出，分(fēn)组的最大延时為(wèi)4.5us。    （2）交换缓存
     交换缓存采用(yòng)共享存储方式，即B点（FAST流水線(xiàn)中的GPP模块）从PB获取空闲的缓冲區(qū)块地址，将每个到达的分(fēn)组写入PB中存储，同时将地址信息写入分(fēn)组的元数据中。FAST流水線(xiàn)模块（GKE、GME、GAC）利用(yòng)分(fēn)组的元数据进行交换查表，得到其目的输出接口，即可(kě)将分(fēn)组的元数据（包含分(fēn)组优先级和输出接口号）写入相应的输出队列中等待调度。      GAC没有(yǒu)对TSN进行优化设计，每个端口仅支持高（H）低（L）两个优先级队列。支持TSN时，可(kě)配置将优先级4-7的分(fēn)组元数据送高优先级队列缓存，优先级0-3的分(fēn)组元数据送低优先级队列缓存。C点（GAC模块）的调度器采用(yòng)两级调度的思想，第一级是每个输出端口调度高优先级分(fēn)组输出，第二级是在多(duō)个优先级队列中采用(yòng)Round-Robin方式进行调度。      采用(yòng)RR调度可(kě)能(néng)导致一个端口的低优先级帧先于另一个端口的高优先级队列发送，这种情况是合理(lǐ)的，因為(wèi)GAC调度对应的速率為(wèi)16Gbps，而对应CQF-UDO的输出带宽為(wèi)1Gbps，即使高优先级帧被优先调度到UDO模块，还需要在UDO模块中进行进一步缓存。      交换缓存是交换机中的重要缓存。当多(duō)个输入端口向一个输出端口同时发送数据时，交换机理(lǐ)想的缓存应该在一定流量条件下保证输出接口不溢出。目前TSN工作组正在制定面向工业自动化场景的TSN规范草(cǎo)案“IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation“，在工作组最新(xīn)文(wén)档（参考文(wén)献2）中给出了交换机输出接口缓存资源MinimumFrameMemory的计算公式： MinimumFrameMemory= (NumberOfPorts – 1) × MaxPortBlockingTime × Linkspeed 其中NumberOfPorts為(wèi)交换机接口数，MaxPortBlockingTime為(wèi)数据缓存时间，Linkspeed為(wèi)接口链路速率。通过上述公式，文(wén)档给出了当接口数目為(wèi)4，链路速率為(wèi)1Gbps，MaxPortBlockingTime為(wèi)典型值200us时，需要的缓存大小(xiǎo)為(wèi)75KB。    （3）输出缓存
     输出缓存位于CQF-UDO内部，是针对TSN CQF流量整形机制设计的专用(yòng)队列。CQF-UDO包含4个队列，其中Q7和Q6為(wèi)保存时间敏感分(fēn)组的乒乓队列，Q4為(wèi)保存带宽预约分(fēn)组的队列，Q0為(wèi)保留Best Effort分(fēn)组的低优先级队列。      由于时间敏感分(fēn)组（优先级為(wèi)7）和预约带宽分(fēn)组（优先级為(wèi)4）在交换缓存中作為(wèi)高优先级分(fēn)组会被优先调度到UDO，因此对于合理(lǐ)的离線(xiàn)调度（不会造成输出端口拥塞），高优先级流量不会在输出端口長(cháng)时间排队。      造成输出接口Q7/Q6排队的是CQF模型。假设时间敏感流量乒乓队列切换的时间槽為(wèi)125us（802.1Qch中给出的典型切换时间），且时间敏感流量不超过链路负载的20%（200Mbps），因此Q7和Q6每个队列缓存最大需要125us*20%*1Gbps，即3.2KB。      Q4队列主要保存带宽预约流量，由于在D点（GOE）可(kě)使用(yòng)令牌桶对流量整形，因此Q4的長(cháng)度只等于令牌桶的桶深即可(kě)，这里可(kě)设置為(wèi)4KB。      Q0队列只是用(yòng)于16G速率到接口1Gbps速率的转换，只要D点（GOE）对UDO进行正體(tǐ)1Gbps的带宽限速，Q0队列只需缓存一个大的完整分(fēn)组即可(kě)，因此选择2KB即可(kě)。 二、缓存资源和转发延时评估    （1）存储资源评估
     根据以上分(fēn)析，对FAST-TSN-04使用(yòng)的存储资源进行评估如下表所示。      Opnebox-S4选用(yòng)Zynq芯片XC7Z030内嵌的缓冲區(qū)為(wèi)9.3Mb，而FAST-TSN-04使用(yòng)的缓冲區(qū)大小(xiǎo)為(wèi)140KB，约1.1Mb。因此即使考虑数据成块分(fēn)配导致缓存效率降低， FPGA内部缓存是可(kě)以满足需求的。    （2）延时评估
     对FAST-TSN-04的延时评估主要针对时间敏感流量和带宽预约流量。基于上述分(fēn)析，图中各参考点之间的延时估算如下表所示。表中的延时估算為(wèi)头进到头出的延时。对于最大分(fēn)為(wèi)1500B和千兆带宽，分(fēn)组头进尾出延时还要增肌1500*8b/1GBps=12us左右。由于FAST流水線(xiàn)时钟為(wèi)125MHz，每个时钟节拍8ns，1us约125个时钟节拍。      基于上述分(fēn)析，不考虑CQF的缓存需求，交换流程中高优先级分(fēn)组（时间敏感分(fēn)组和预约带宽分(fēn)组）最大延时约15us。对于无离線(xiàn)规划的best effort分(fēn)组，最大延时可(kě)能(néng)超过600us（75KB/1Gbps）。 参考文(wén)献
[1] 李韬，孙志(zhì)刚等，面向下一代互联网实验平台的新(xīn)型报文(wén)处理(lǐ)模型——EasySwitch， 计算机學(xué)报，2011年11期
[2] Use CasesIEC/IEEE 60802 V1.3,https://1.ieee802.org/tsn/iec-ieee-60802-tsn-profile-for-industrial-automation/