&nbs木了p; 交換機中的排隊延時(shí)是給分組端到端延時(shí)我到帶來不(bù)确定性的重要因素。由于要支持确定性的延時(shí)，TSN交換相農機中的隊列設計必須有别于傳統的标準交換機。基于FAST流水線擴展模型和CQF樂森-UDO模塊設計，我們(men)在openbox-S4可編機笑程平台上展開(kāi)TSN交換機原型（FAST-TSN-04）設的制計，本文詳細介紹了該原型機中的隊列模型，并對分組交換延時(shí)進行分秒金析。 一、FAST-TSN-04的隊列模型    電學   FAST-TSN-04要離基于Openbox-S4實現（核心FPGA為(wèi)ZynqXC7Z030）鐘地，支持4個千兆以太網接口分組和TSN的CQF流量整形，可保證精通子确的分組交換延時(shí)。其内部的隊列結構如(rú)下圖所示。分組交換他內過程的緩存主要分為(wèi)三個階段，即輸入緩存，交換緩存和務地輸出緩存。    （1）輸出緩存
   樹外  輸入緩存在openb著河ox-S4平台提供的FPGA OS中實現，用戶無法根據TSN的科木轉發需求進行任何修改和定制。每個接口接收的分組不(bù)加們學區别的按照先來先服務的隊列形式保存在輸入緩存FIFO隊列中。FIFO隊列的寬你城度為(wèi)128bit，時(shí)鐘機公(zhōng)頻率為(wèi)125HHz。由于每個接口速率為(年道wèi)1Gbps，因此進入FIFO隊列的速率最大(dà)為(wèi對線)1Gbps，而在A點調度器(qì)調度分組輸出帶寬為(wèi)1事上6Gbps（128b*125MHz）。     &n裡就bsp;參考文獻[1]證明了在上述隊列結構下，每個FIFO隊列不(bù那東)溢出的條件為(wèi)：     &n刀雨bsp;且分組在隊列中的最大(dà)延時(讀票shí)：    員國  将Vi=1Gbps，f=125MHz，Bd=12錯讀8b，L=1500B，N=4帶入可得(de)将每個接收的FI女路FO隊列長(cháng)度設置為(wèi)1外些.8KB即可保證無分組溢出，分組的最大(dà)延時(shí)為(wèi)請木4.5us。    （2）交換緩會視存
   窗讀  交換緩存采用共享存儲方式，即B點（FAST流水家長線中的GPP模塊）從PB獲取空閑的緩沖區塊地址，将每個到達日新的分組寫入PB中存儲，同時(shí)将地址信息寫入分組的元數據家個中。FAST流水線模塊（GKE、GME、腦睡GAC）利用分組的元數據進行交換查表，得(de)到其目的輸出接口，即女房可将分組的元數據（包含分組優先級和輸出接口号）寫入相應的媽弟輸出隊列中等待調度。   &nbs門腦p;  GAC沒有對TSN進行優中麗化設計，每個端口僅支持高（H）低(dī)短街（L）兩個優先級隊列。支持TSN時(shí)，可配置将男跳優先級4-7的分組元數據送高優先級隊列緩存，優先級女問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行都)采用兩級調度的思想，第一級是每個輸出端口調度高優先級議土分組輸出，第二級是在多個優先級隊列中采用Round-Robin方式進行調度。 錢南    &nbs有國p; 采用RR調度可能導緻一個端口的低(dī)優先級幀科文先于另一個端口的高優先級隊列發送，這種情況是合理的，因為(wèi)GAC通長調度對應的速率為(wèi)16Gbps，而對應CQF-UDO的輸出帶寬為(w說聽èi)1Gbps，即使高優先級幀被優先調度到UDO模塊中答，還需要在UDO模塊中進行進一步緩存。    &nbs吃通p; 交換緩存是交換機中的重要緩存。當多很些個輸入端口向一個輸出端口同時(shí)發送數據時(shí)，交換機理想的緩男農存應該在一定流量條件下保證輸出接口不(bù)溢出。目前TSN工(g老信ōng)作組正在制定面向工(gōng)業自動化場景的TSN規範草案“購章IEC/IEEE 60802 TSN Pr愛業ofile for Industrial Automation“，年玩在工(gōng)作組最新文檔（參考文獻2）中給出制業了交換機輸出接口緩存資(zī)源MinimumFrameMemor作西y的計算公式： MinimumFrameMemory=船化 (NumberOfPorts – 1) × MaxPortBlocki飛女ngTime × Linkspeed 其中NumberOfP城子orts為(wèi)交換機接口數，MaxPor笑頻tBlockingTime為(wèi)數據緩存務外時(shí)間，Linkspeed為(wèi兵匠)接口鍊路速率。通(tōng)過上述公式，文檔給出了當接口數目為嗎跳(wèi)4，鍊路速率為(wèi)1Gbps，MaxPortBlocki物鐵ngTime為(wèi)典型值200us時(sh書拍í)，需要的緩存大(dà)小為(wèi)75又刀KB。    （3）輸出緩存
     草司輸出緩存位于CQF-UDO内部，是針對TSN CQF流量整形機好讀制設計的專用隊列。CQF-UDO包含4個隊列，其中Q7和Q6為(wèi湖暗)保存時(shí)間敏感分組的乒乓隊列，Q4為(wèi)保存帶寬預約分組知城的隊列，Q0為(wèi)保留Best Effort分組的低(dī)優先級黃慢隊列。      由于時(s員站hí)間敏感分組（優先級為(wèi)7）和預約帶寬分組（優紙內先級為(wèi)4）在交換緩存中作為(wèi)高優先級分組會(huì)被優先湖黃調度到UDO，因此對于合理的離線調度（不(bù)會(hu離內ì)造成輸出端口擁塞），高優先級流量不(舊對bù)會(huì)在輸出端口長(cháng)子離時(shí)間排隊。    &從化nbsp; 造成輸出接口Q7/Q6排隊的是C銀得QF模型。假設時(shí)間敏感流量乒乓隊列切換的時(shí)間槽為(wèi綠女)125us（802.1Qch中給出的典型切換時(shí)間），且時(跳腦shí)間敏感流量不(bù)超過鍊路負載的20%（200Mb分西ps），因此Q7和Q6每個隊列緩存最大(dà坐兒)需要125us*20%*1Gbps，即3.2KB。     &nb我子sp;Q4隊列主要保存帶寬預約流量，由于在D點（GOE）可使用東睡令牌桶對流量整形，因此Q4的長(cháng)度隻等她花于令牌桶的桶深即可，這裡可設置為(wèi)4KB。 愛窗    &n白樹bsp; Q0隊列隻是用于16G速率到接口聽會1Gbps速率的轉換，隻要D點（GOE）對UDO進行正體1Gbps的帶寬限速老醫，Q0隊列隻需緩存一個大(dà)的完整分組即可，因此選擇2KB即可。 腦城 二、緩存資(zī)源和轉發延時(shí)評估    件公;（1）存儲資(zī)源評估
     根據體時以上分析，對FAST-TSN-04使用的內信存儲資(zī)源進行評估如(rú)下表所示。 動站     &nb校些sp;Opnebox-S4選用Zynq芯片XC7Z030内東什嵌的緩沖區為(wèi)9.3Mb，而FAST-TS綠內N-04使用的緩沖區大(dà)小為(wèi)140KB，約1.1Mb。因此即多他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照器求的。    （2）延時(sh姐女í)評估
   &n舊城bsp; 對FAST-TSN-04的延時(shí)評估主要針對學劇時(shí)間敏感流量和帶寬預約流量。基于上述分析，圖中各參考現明點之間的延時(shí)估算如(rú)下表所示。北器表中的延時(shí)估算為(wèi)頭進到頭出的延時(shí)。員自對于最大(dà)分為(wèi)1500B和千兆帶寬，分組頭進尾出延時(shí和資)還要增肌1500*8b/1GBps=12中機us左右。由于FAST流水線時(shí)鐘(zhōng)為(笑動wèi)125MHz，每個時(shí)鐘(zhōng)節拍8ns，門去1us約125個時(shí)鐘(zhōng)節拍。 離訊      山火;基于上述分析，不(bù)考慮CQF的緩存需求，交換流程中高優先唱文級分組（時(shí)間敏感分組和預約帶寬分組）最大(d鐵物à)延時(shí)約15us。對于無離線規劃的best effort分組制制，最大(dà)延時(shí)可能超過600us（75場山KB/1Gbps）。 參考文獻
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