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基于FAST的TSN交流(5)TSN交流机行列结构 和延时剖析
宣布时间 :2019-1-22
     交流机中的排队延时是给分组端到端延时带来踏实 定性的主要 成分 。因为 要支持确定性的延时,TSN交流机中的行列设计必需 有别于传统的尺度交流机。基于FAST流水线扩展模子 和CQF-UDO模块设计,五月天app官网无限观看在openbox-S4可编程平台上睁开 TSN交流机原型(FAST-TSN-04)设计,本文详细先容 了该原型机中的行列模子 ,并对分组交流延时举行 剖析 。
一、FAST-TSN-04的行列模子
      FAST-TSN-04基于Openbox-S4完成 (焦点FPGA为ZynqXC7Z030),支持4个千兆以太网接口分组和TSN的CQF流量整形,可保险 准确 的分组交流延时。其外部 的行列结构 如下图所示。分组交流历程的缓存主要 分为三个阶段,即输入 缓存,交流缓存和输入 缓存。

图1 FAST-TSN-04的缓存结构
   (1)输入 缓存
     输入 缓存在openbox-S4平台提供的FPGA OS中完成 ,用户无法凭证 TSN的转发需求举行 任何修正 和定制。每个接口吸收 的分组不加区此外凭证 先来先效劳 的行列方式 生涯 在输入 缓存FIFO行列中。FIFO行列的宽度为128bit,时钟频率为125HHz。因为 每个接口速率为1Gbps,是以 进入FIFO行列的速率最大为1Gbps,而在A点调治器调治分组输入 带宽为16Gbps(128b*125MHz)。
     参考文献[1]证明 晰 在上述行列结构 下,每个FIFO行列不溢出的条件为:
     且分组内行 列中的最大延时:
     将Vi=1Gbps,f=125MHz,Bd=128b,L=1500B,N=4带入可得将每个吸收 的FIFO行列长度设置为1.8KB即可保险 无分组溢出,分组的最大延时为4.5us。
   (2)交流缓存
     交流缓存接纳共享存储方式,即B点(FAST流水线中的GPP模块)从PB获取闲暇 的缓冲区块地址,将每个抵达 的分组写入PB中存储,同时将地址信息写入分组的元数据中。FAST流水线模块(GKE、GME、GAC)运用 分组的元数据举行 交流查表,取得 其目的输入 接口,即可将分组的元数据(征求 分组优先级和输入 接口号)写入照应 的输入 行列中等候 调治。
     GAC没有对TSN举行 优化设计,每个端口仅支持高(H)低(L)两个优先级行列。支持TSN时,可设置 将优先级4-7的分组元数据送高优先级行列缓存,优先级0-3的分组元数据送低优先级行列缓存。C点(GAC模块)的调治器接纳两级调治的头脑 ,第一级是每个输入 端口调治高优先级分组输入 ,第二级是在多个优先级行列中接纳Round-Robin方式举行 调治。
     接纳RR调治能够 招致 一个端口的低优先级帧先于另一个端口的高优先级行列发送,这种情形 是合理的,因为 GAC调治对应的速率为16Gbps,而对应CQF-UDO的输入 带宽为1Gbps,纵然高优先级帧被优先调治到UDO模块,还需求 在UDO模块中举行 进一步缓存。
     交流缓存是交流机中的主要 缓存。当多个输入 端口向一个输入 端口同时发送数据时,交流机理想的缓存应当 在一定流量条件下保险 输入 接口不溢出。如今 TSN事情组正在制定 面向工业自动化场景的TSN规范 草案“IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation“,在事情组最新文档(参考文献2)中给出了交流机输入 接口缓存资源MinimumFrameMemory的盘算公式: MinimumFrameMemory= (NumberOfPorts – 1) × MaxPortBlockingTime × Linkspeed 其中NumberOfPorts为交流机接口数,MaxPortBlockingTime为数据缓存时间 ,Linkspeed为接口链路速率。经过 上述公式,文档给出了当接口数目为4,链路速率为1Gbps,MaxPortBlockingTime为典型值200us时,需求 的缓存巨细为75KB。
   (3)输入 缓存
     输入 缓存位于CQF-UDO外部 ,是针对TSN CQF流量整形机制设计的公用 行列。CQF-UDO征求 4个行列,其中Q7和Q6为生涯 时间 敏感分组的乒乓行列,Q4为生涯 带宽预定 分组的行列,Q0为保管 Best Effort分组的低优先级行列。
     因为 时间 敏感分组(优先级为7)和预定 带宽分组(优先级为4)在交流缓存中作为高优先级分组会被优先调治到UDO,是以 关于 合理的离线调治(不会形成 输入 端口淤塞 ),高优先级流量不会在输入 端口长时间 排队。
     形成 输入 接口Q7/Q6排队的是CQF模子 。假定 时间 敏感流量乒乓行列切换的时间 槽为125us(802.1Qch中给出的典型切换时间 ),且时间 敏感流量不凌驾链路负载的20%(200Mbps),是以 Q7和Q6每个行列缓存最大需求 125us*20%*1Gbps,即3.2KB。
     Q4行列主要 生涯 带宽预定 流量,因为 在D点(GOE)可运用 令牌桶对流量整形,是以 Q4的长度只即是令牌桶的桶深即可,这里可设置为4KB。
     Q0行列只是用于16G速率到接口1Gbps速率的转换,只需 D点(GOE)对UDO举行 正体1Gbps的带脱期 速,Q0行列只需缓存一个大的完整 分组即可,是以 选择2KB即可。
二、缓存资源和转发延时评价
   (1)存储资源评价
     凭证 以上剖析 ,对FAST-TSN-04运用 的存储资源举行 评价 如下表所示。
     Opnebox-S4选用Zynq芯片XC7Z030内嵌的缓冲区为9.3Mb,而FAST-TSN-04运用 的缓冲区巨细为140KB,约1.1Mb。是以 纵然思量 数据成块分配招致 缓存效率降低, FPGA外部 缓存是可以知足 需求的。
   (2)延时评价
     对FAST-TSN-04的延时评价 主要 针对时间 敏感流量和带宽预定 流量。基于上述剖析 ,图中各参考点之间的延时预算 如下表所示。表中的延时预算 为头进到头出的延时。关于 最大分为1500B和千兆带宽,分组头进尾出延时还要增肌1500*8b/1GBps=12us左右。因为 FAST流水线时钟为125MHz,每个时钟节拍 8ns,1us约125个时钟节拍 。
     基于上述剖析 ,不思量 CQF的缓存需求,交流流程中高优先级分组(时间 敏感分组和预定 带宽分组)最大延时约15us。关于 无离线妄想 的best effort分组,最大延时能够 凌驾600us(75KB/1Gbps)。
参考文献
[1] 李韬,孙志刚等,面向下一代互联网实验平台的新型报文处置赏罚 模子 ——EasySwitch, 盘算机学报,2011年11期
[2] Use CasesIEC/IEEE 60802 V1.3,https://1.ieee802.org/tsn/iec-ieee-60802-tsn-profile-for-industrial-automation/