來源：TSNLAB 微信公眾號

　　前言：TSN不等同於時間門控調度，TSN有很多種調度機製。筆者的目標，是把這篇文章寫得既足夠簡約，又包含足夠硬核的信息。希望為讀者帶來切實的收獲。

　　TSN的核心目標是提供有界時延（bounded latency），即報文在網絡中的傳輸時間不會超過一個確定的值，這個值就是時延的“界”，或者說是時延上界。那麼，TSN具體有哪些和有界時延相關的技術呢？（文末會有各個技術的總結。）

　　首先

，與保障時延相關的調度方法，或者說傳輸選擇（transmission selection）機製



，位於網絡設備（網橋、交換機、路由器等）中
、出端口前排隊的位置。多個隊列基於一定的規則，也就是這個傳輸選擇機製
，來判斷下一次調度哪個隊列中的報文。TSN最新的標準
、IEEE Std 802.1Q-2018的8.6.8節中，一共定義了五種傳輸選擇機製。其中，絕對優先級（SP，Strict Priority）是最基礎的、也是默認使用的機製。絕對優先級很容易理解：對於優先級為X的隊列，當且僅當所有優先級大於X的隊列均沒有可調度報文時，才允許調度優先級為X的隊列。

　　增強傳輸選擇（ETS，Enhanced Transmission Selection），允許在多個隊列之間分配帶寬。TSN沒有具體指定ETS所使用的算法。例如經典的加權輪詢（WRR
，Weighted Round-robin）、虧空輪詢（DRR
，Deficit Round-robin），都符合ETS的描述。

　　基於信用的整形（CBS
，Credit-based Shaping）
，是AVB時代定義的經典調度方法。它和單速令牌桶（Single-rate token-bucket）機製有點像，但又不完全一樣。以下四句話描述的CBS的運作機製：受到CBS整形的隊列

，如果想調度報文，則需取出相當於報文長度的信用量（credit）；當且僅當credit非負時，報文可以通過CBS整形器
；當credit為負，或隊列中報文積壓時
，credit以恒定速率IdleSlope增長；當隊列為空時，credit清零。CBS的效果，是在為特定隊列提供等同於IdleSlope的帶寬的同時，盡可能的“打散”報文
，使得低優先級的隊列也能獲得一定的傳輸機會。

　　異步流量調度（ATS
，Asynchronous Traffic Shaping），也和單速令牌桶機製有點像，甚至ATS調度器的關鍵配置參數就是cir（CommittedInformationRate）和cbs（CommittedBurstSize）。簡單來講，cir控製整形器允許通過的整體速率，cbs控製整形器能容忍的突發程度。TSN標準中，ATS核心算法部分寫了一大堆偽代碼，看得人雲裏霧裏，但實際上這段偽代碼本質上就是在描述單速令牌桶的整形機製。不過，ATS的優點在於，通過在報文入隊時運行算法，給報文分配一個允許調度時間（EligibilityTime）。這樣，在傳輸選擇機製進行判斷的時候
，不需要再重新執行令牌桶的計算。另外，ATS還有一個調度器組的概念
，即多個ATS調度器可屬於一個ATS調度器組。ATS的偽代碼還描述了當ATS調度器組對應一個物理上先入先出（FIFO）隊列時的情況。反過來，ATS調度器不依賴於和硬件調度隊列進行綁定
，因此，ATS調度器可以進行靈活的整形
，逐流
、或逐彙聚流整形

，均可。通過使用ATS進行逐跳整形，網絡中不產生大突發和突發彙聚
，整體的網絡性能會得到改善。

　　時間感知整形（TAS
，Time-Aware Shaping）
，或者用中文更順口更常用的說法是就“時間門控”，可謂TSN技術集中的“網紅”了。兩三年前，國內一些場合在討論TSN的時候
，甚至潛意識中會把TSN和TAS劃等號。隨著大家對TSN的深入了解
，漸漸也能正確認識到TAS隻是TSN技術集中的一個。而且
，在標準中
，TAS僅僅提供了一種基於時間開關門的機製：對於一個隊列，當它的門（Gate）狀態為開（open）時
，可以傳輸報文
；反之，門關（close）時，不可傳輸報文；通過門控列表（GCL
，Gate Control List），來對各隊列門的開關狀態進行配置。具體如何使用TAS構築方案，TSN標準是完全不限製的。

　　有時人們會把TAS當成一種方案
，即上下遊的網絡設備基於時間同步，控製門控開關在上下遊之間進行良好的配合
，為關鍵流量構築一條“特快通道”。這麼說沒錯，但希望各位讀者能夠識別，TSN中定義的TAS機製，和基於TAS構築方案，是兩件事情。

　　現實場景中，關鍵流量的數目很大

，為所有人構建“特快通道”不現實，也沒必要。TSN標準的附錄中
，提供了周期排隊轉發（CQF，Cyclic Queuing and Forwarding）作為一種基於TAS構築的方案。在網絡設備的出端口上劃分周期，一個周期相當於一節火車車廂，裏麵可以裝載來自不同流量的報文
；zhejiechexianglidesuoyoubaowenzaixiayigewangluoshebeizhongquanbuyingshedaolingyijiechexiangzhong。youyuchexiangdeyingsheguanxishiquedingde，duandaoduandeshiyanjiuyoumeitiaoshangdezhouqisuojuedingle。CQF方案大大簡化了門控編排的難度，但代價是一定程度上犧牲了時延（畢竟TSN的首要目標是保障有界時延，而非低時延）——即車廂到早了，也要等到下一個周期才能發車。

　　幀搶占（Frame Preemption）屬於“降低時延”的(de)技(ji)術(shu)。尤(you)其(qi)對(dui)於(yu)低(di)速(su)率(lv)鏈(lian)路(lu)，一(yi)個(ge)低(di)優(you)先(xian)級(ji)正(zheng)在(zai)發(fa)送(song)的(de)長(chang)報(bao)文(wen)，就(jiu)能(neng)阻(zu)擋(dang)高(gao)優(you)先(xian)級(ji)大(da)幾(ji)百(bai)微(wei)秒(miao)。幀(zhen)搶(qiang)占(zhan)使(shi)得(de)高(gao)優(you)先(xian)級(ji)能(neng)夠(gou)打(da)斷(duan)正(zheng)在(zai)傳(chuan)輸(shu)的(de)低(di)優(you)先(xian)級(ji)報(bao)文(wen)，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)高(gao)優(you)先(xian)級(ji)的(de)時(shi)延(yan)上(shang)界(jie)（假設一個高優先級倒黴蛋，每一跳都剛好被一個低優先級長報文擋住......幀搶占技術就是這個倒黴蛋的小確幸）。當然
，幀搶占還可以配合TAS機製，降低保護帶（Guard Band）對於帶寬的消耗。

　　下圖是上麵提到的五種傳輸選擇機製和一種應用方案的總結。細心的讀者可能會看出，這些機製是存在組合使用的情況的。其實是這樣！TSNbingbuxianzhiduozhongjizhizaizuheshiyongshideshunxuguanxi，genghaodelijiefangshishi，meigejizhidoushibaowentiaodudeyigetiaojian
，ruguoduogejizhitongshicunzai，zexutongshimanzutiaojian，cainengtiaoduchudui。

　　任何調度方法，不論設計的再精美，也不能獨立完成有界時延的保障。舉個最簡單的例子，網絡中所有終端用戶一起“耍流氓”，發送大量的流量，總體都超出了網絡的帶寬容量了

，那肯定有人會被丟包。所以
，TSN設計了資源管理的機製
，來配合調度方方法，形成方案。感興趣的讀者可以閱讀下一篇關於TSN資源管理技術的文章。