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TAS門控機制是TSN標(biāo)準(zhǔn)中的一個關(guān)鍵組成部分，用于確保網(wǎng)絡(luò)中的時間敏感數(shù)據(jù)的傳輸具有低延遲和低抖動。TAS通過一種被稱為“開關(guān)門”的機制來控制數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時間，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

門控傳輸?shù)脑?/strong>

IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)定義了時間感知整形器（TAS，Time-Aware Shaper），在TSN交換機中實現(xiàn)確定性傳輸。TAS基于交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)的八個優(yōu)先級隊列，使用門控列表對不同隊列進(jìn)行周期性地開關(guān)門操作。只有當(dāng)隊列的門開啟時，隊列中的數(shù)據(jù)幀才能被發(fā)送；門關(guān)閉時，數(shù)據(jù)幀將在隊列中等待。這種機制確保不同類型的數(shù)據(jù)流獨立傳輸，關(guān)鍵的時間敏感流具有確定性時延。

TAS 的周期性調(diào)度基于納秒級的高精度時鐘同步，通過門控列表（GCL，Gate Control List）周期性地調(diào)度數(shù)據(jù)流。TAS的開關(guān)機制隔絕了非周期性的非關(guān)鍵性數(shù)據(jù)流對周期性發(fā)送的關(guān)鍵數(shù)據(jù)幀的影響。時間感知整形器結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 時間感知整形器結(jié)構(gòu)圖

TAS傳輸機制中的門控隊列相互獨立，但在門控列表更改狀態(tài)的過程中，由于數(shù)據(jù)幀發(fā)送時間為一個時間段，立刻關(guān)門的過程中無法直接中斷，仍會繼續(xù)傳輸，對下一時隙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀造成干擾。對此TSN工作組定義了保護(hù)帶的概念，如圖2所示：

圖2 TAS機制中門控保護(hù)帶的效果圖

傳統(tǒng)的保護(hù)帶是在開關(guān)門之間設(shè)立一個由最大以太網(wǎng)幀長Frame_Max和傳輸速率 SP確定的全關(guān)時間，保證剩余傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀可以傳輸完成。但這種方法存在浪費帶寬的不足之處，此保護(hù)帶大小T_guardband計算方式如下所示：

現(xiàn)交換機也可通過待發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前對傳輸時隙進(jìn)行檢驗，省去占用帶寬資源的全關(guān)保護(hù)帶，即在數(shù)據(jù)幀發(fā)送之前，交換機當(dāng)前隊列剩余的時隙資源T_remain 與待傳輸?shù)漠?dāng)前數(shù)據(jù)幀的幀長Frame_size所需的時隙資源T_request進(jìn)行比較，若剩余的時隙資源不足以發(fā)送目標(biāo)的數(shù)據(jù)幀，則停止該數(shù)據(jù)幀的傳輸，避免影響下一個門控時隙的數(shù)據(jù)幀傳輸，僅當(dāng)前剩余的時隙資源T_remain 滿足所需傳輸時隙資源T_request的情況下再進(jìn)行傳輸，滿足條件如下所示：

TAS借助其周期性的門控循環(huán)精確地控制交換機端口各個隊列中的數(shù)據(jù)幀的傳輸，為關(guān)鍵數(shù)據(jù)流提供一個可預(yù)測的傳輸延遲，提供了確定性的傳輸服務(wù)。

基于門控整形的無沖突傳輸技術(shù)

TSN使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)傳輸時延包括交換機的發(fā)送時延T_trans圖片、處理時延T_proc、排隊時延T_queue和傳播時延T_prop圖片。傳輸時延模型如下所示：

傳輸時延中的處理時延由交換機自身的性能決定，可以優(yōu)化但無法消除；發(fā)送時延與數(shù)據(jù)幀的幀長和交換機的發(fā)送速率有關(guān)；傳播時延為數(shù)據(jù)幀在傳輸介質(zhì)中的傳輸時間，由于光速傳播的電/光信號，TSN應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)，此時延可忽略。

合理的數(shù)據(jù)流調(diào)度可以減少排隊時延的產(chǎn)生，實時性最高可以將排隊時延降為零，此時數(shù)據(jù)幀到達(dá)交換機的存儲轉(zhuǎn)發(fā)隊列后對應(yīng)隊列的門控通道為開啟狀態(tài)并且目標(biāo)發(fā)送端口無其他數(shù)據(jù)幀正在傳輸，數(shù)據(jù)幀直接完成存儲轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)幀的端到端傳輸時延僅包括發(fā)送時延和處理時延。

使用TAS的不同傳輸隊列結(jié)合門控機制可以避免不同優(yōu)先級對應(yīng)的各種類型數(shù)據(jù)流之間的影響，而精準(zhǔn)地控制終端發(fā)送數(shù)據(jù)流的傳輸時間，不僅可以使得數(shù)據(jù)幀的到達(dá)時間與交換機的循環(huán)時隙保持統(tǒng)一，還可以進(jìn)一步避免同一優(yōu)先級的相同類型數(shù)據(jù)幀之間的影響，實現(xiàn)無占用時隙資源沖突的直接轉(zhuǎn)發(fā)傳輸。

數(shù)據(jù)幀在無沖突的情況下開始傳輸時間T_up和傳輸完成時間T_down之間理想的門控開門時隙為交換機發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間T_trans，如下所示：

數(shù)據(jù)幀在傳輸時會受到交換機軟硬件系統(tǒng)狀況和同步誤差等因素造成的不確定性影響，對此確定性傳輸開門時隙應(yīng)預(yù)留出不確定因素引起的不確定時間T_undet圖片，增大開門時隙，如下所示。確定性傳輸開門時隙如圖3所示：

圖3 確定性傳輸開門時隙效果圖

終端設(shè)置發(fā)送相位偏移offset避免各數(shù)據(jù)幀所需的時隙資源產(chǎn)生沖突，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的直接轉(zhuǎn)發(fā)，在相應(yīng)偏移的加持下任意兩條數(shù)據(jù)幀的占用時隙滿足傳輸條件如下所示：

總結(jié)

時間感知整形器通過對 TSN 交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)的隊列劃分和門控機制，以及保護(hù)帶的引入，為時間敏感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸提供了確定性的保障。在未來的發(fā)展中，隨著TSN應(yīng)用場景的不斷拓展，TSN交換機的TAS機制需要終端設(shè)備更多地協(xié)同配合，以充分發(fā)揮時間敏感網(wǎng)絡(luò)確定性傳輸能力，有效地通過門控機制對流量進(jìn)行整形，從而滿足各數(shù)據(jù)流的傳輸質(zhì)量要求。

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