議物 交換機中(zhōng)的排隊延時是給分(下好fēn)組端到端延時帶來不确定性的重要因素。由于要支持确定性的延時，TSN有見交換機中(zhōng)的隊列設計必須有别于傳錯筆統的标準交換機。基于FAST流水線擴展模型和CQF-U東我DO模塊設計，我(wǒ)(wǒ)們在ope機他nbox-S4可編程平台上展開(kāi)TSN交換機原型（FA有我ST-TSN-04）設計，本文詳細介紹了該原型機中(zhōng黃能)的隊列模型，并對分(fēn)組交換延時進行分(fēn)刀河析。 一(yī)、FAST-TSN-04的隊列模靜章型     &n秒聽bsp; FAST-TSN-04基于Openbox-S4實現（能頻核心FPGA爲ZynqXC7Z030），支持4個千兆以太網接口分(fēn)組相著和TSN的CQF流量整形，可保證精确的分(fēn)組交換延時。其内部的隊列結坐電構如下(xià)圖所示。分(fēn)組交換過程的緩存主要分(fēn舞員)爲三個階段，即輸入緩存，交換緩存和輸出緩紙可存。    （1）算還輸出緩存
    國窗 輸入緩存在openbox-S4平台提供的自到FPGA OS中(zhōng)實現，用戶無法根據TSN的轉發需求進行任何修鐘長改和定制。每個接口接收的分(fēn)組不加區别的按照先來先服務的隊列區弟形式保存在輸入緩存FIFO隊列中(zhōng)。FIFO隊列的匠可寬度爲128bit，時鍾頻(pín)率爲125HH森上z。由于每個接口速率爲1Gbps，因此進入說離FIFO隊列的速率最大(dà)爲1Gbps，而在A點調度器調度分(fēn分學)組輸出帶寬爲16Gbps（128b*125MHz）。      城靜;參考文獻[1]證明了在上述隊列結構下(少唱xià)，每個FIFO隊列不溢出的條件爲： 國器      民樂且分(fēn)組在隊列中(zhōng)的最大(煙章dà)延時：     &nb草飛sp;将Vi=1Gbps，f=125MHz，Bd男少=128b，L=1500B，N=4帶入可得将每個接收的FIFO隊列長度設置爲1事鐵.8KB即可保證無分(fēn)組溢出，分(fēn)組的最大(dà)延時爲4為器.5us。    （2）交換緩存
     交換緩存采國秒用共享存儲方式，即B點（FAST流水線中(zhōng廠線)的GPP模塊）從PB獲取空閑的緩沖區塊地址，将每個到達的分(fēn)組寫入P計國B中(zhōng)存儲，同時将地址信息寫入分(友業fēn)組的元數據中(zhōng)。FAST流水線模塊（GK刀喝E、GME、GAC）利用分(fēn)組的元數據進行交換查表，得到其目的輸笑到出接口，即可将分(fēn)組的元數據（包含分(f來鐘ēn)組優先級和輸出接口号）寫入相應的輸出隊列中(zhōng)等待調度。 視冷     &nb靜家sp;GAC沒有對TSN進行優化設計，每個站報端口僅支持高（H）低（L）兩個優先級隊列。支持TSN雪輛時，可配置将優先級4-7的分(fēn)組元數據送高優先級隊列緩存，優先好站級0-3的分(fēn)組元數據送低優先級隊列緩存。C點（GAC模塊）的調度相東器采用兩級調度的思想，第一(yī)級是每個輸出端口調度高優先級分(fēn)組輸影校出，第二級是在多個優先級隊列中(zhōng)采用Round-Ro用是bin方式進行調度。    可內;  采用RR調度可能導緻一(yī)個端口的低師些優先級幀先于另一(yī)個端口的高優先級隊列發送，這種情況是合理的麗又，因爲GAC調度對應的速率爲16Gbps，而對應CQF-吃訊UDO的輸出帶寬爲1Gbps，即使高優先級幀被優先調度裡司到UDO模塊，還需要在UDO模塊中(zhōng)進行進一(yī機線)步緩存。      交換緩存是唱業交換機中(zhōng)的重要緩存。當多個輸入端口向一(yī)個輸出端口同時發送和書數據時，交換機理想的緩存應該在一(yī)定流量條件下(xià)保證商科輸出接口不溢出。目前TSN工(gōng)作組正在制定面向工(gōng)業自動姐紅化場景的TSN規範草案“IEC/IEEE 60802 TS對家N Profile for Industrial Autom長看ation“，在工(gōng)作組最新文檔（參考文獻2空一）中(zhōng)給出了交換機輸出接口緩存資(zī)源Mi暗匠nimumFrameMemory的計算公式： 一機 MinimumFrameMemory= (NumberOfPorts 聽見– 1) × MaxPortBlockingTime × L民熱inkspeed 其中(zhōng)Numb生船erOfPorts爲交換機接口數，MaxPortBlockingTime爲數據看河緩存時間，Linkspeed爲接口鏈路速率。通過上述家高公式，文檔給出了當接口數目爲4，鏈路速率爲姐朋1Gbps，MaxPortBlockingTime爲典型值200u你水s時，需要的緩存大(dà)小(xiǎo)爲75KB。   &nbs問兵p;（3）輸出緩存
    &nbs姐腦p;輸出緩存位于CQF-UDO内部，是針對TSN CQF流量整形機制設計的專用腦街隊列。CQF-UDO包含4個隊列，其中(zhōng)Q7和Q6爲姐地保存時間敏感分(fēn)組的乒乓隊列，Q4爲唱少保存帶寬預約分(fēn)組的隊列，Q0爲保留算也Best Effort分(fēn)組的低優先級隊列。 喝冷      由于時知吃間敏感分(fēn)組（優先級爲7）和預約帶寬分(fē頻術n)組（優先級爲4）在交換緩存中(zhōng)作姐間爲高優先級分(fēn)組會被優先調度到UDO，因此對于雜問合理的離(lí)線調度（不會造成輸出端口擁塞），高優先級亮現流量不會在輸出端口長時間排隊。      得報;造成輸出接口Q7/Q6排隊的是CQF模型。假設時間敏感流兵一量乒乓隊列切換的時間槽爲125us（802.1Qch中(zhōng哥機)給出的典型切換時間），且時間敏感流量不超過玩她鏈路負載的20%（200Mbps），因此Q7和Q6每個睡店隊列緩存最大(dà)需要125us*20%*1Gbps，即3.2KB。 拍分    &n見算bsp; Q4隊列主要保存帶寬可玩預約流量，由于在D點（GOE）可使用令牌船跳桶對流量整形，因此Q4的長度隻等于令牌桶的桶深即可，這裏可設置爲4KB。動美      Q0隊列拿能隻是用于16G速率到接口1Gbps速率的轉換，隻要D點（GOE關有）對UDO進行正體(tǐ)1Gbps的帶寬限速，Q0隊列隻好時需緩存一(yī)個大(dà)的完整分(fēn姐水)組即可，因此選擇2KB即可。 答土 二、緩存資(zī)源和轉發延時評估 拿又    （1）存儲資(zī)源評估
    &nbs呢筆p;根據以上分(fēn)析，對FAST-TS時短N-04使用的存儲資(zī)源進行評估如下(xià)表鄉不所示。     爸對; Opnebox-S4選用Zynq芯片XC7Z03朋什0内嵌的緩沖區爲9.3Mb，而FAST-TSN-04使用的緩沖區大(dà)動鐵小(xiǎo)爲140KB，約1.1Mb。因此即書水使考慮數據成塊分(fēn)配導緻緩存效率降低， FP地美GA内部緩存是可以滿足需求的。    （2）延時評估
    &n市紅bsp;對FAST-TSN-04的延時評估主要針對時間敏感流量哥黃和帶寬預約流量。基于上述分(fēn)析，錯書圖中(zhōng)各參考點之間的延時估算如下(xià)表所示。表中(zhōng事友)的延時估算爲頭進到頭出的延時。對于最大(dà)分(fēn)爲150如刀0B和千兆帶寬，分(fēn)組頭進尾出延時還要增肌1500*嗎兵8b/1GBps=12us左右。由于FAST流飛好水線時鍾爲125MHz，每個時鍾節拍8ns，1us約125個時鍾慢森節拍。    &n道年bsp; 基于上述分(fēn)析，不考慮業月CQF的緩存需求，交換流程中(zhōng)高優先級分(fēn)組黃銀（時間敏感分(fēn)組和預約帶寬分(fēn)組）最大(dà)延時約15都務us。對于無離(lí)線規劃的best effort分(fēn)快鐵組，最大(dà)延時可能超過600us（75KB/1Gbps）。 件又 參考文獻
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