上次把TSN的背景的事情说了一下，就是为什么（Why）要推进TSN？以及TSN的历史，这次我们谈谈它是如何运行的(How)？

TSN到底怎么运行的？（How）

简而言之，TSN核心工作就是三件事，（1）对表，（2）控制红绿灯开关让车流通过的流量调度策略，（3）.配置网络的工具。

第一件事情：对表

先说对表吧！小时候看电影（80年代初，很多是黑白的）最喜欢就是看打仗的片子，小时候不明白，为啥每次打仗前指战员们都会亮起胳膊说“对表”—困惑了很多年，后来慢慢的悟出点门道了，古代的打仗就是骑兵、机弩、强弩、还有什么投石车、云梯、耧车、攻城车辆，这些兵种都得按时间顺序进行配合，别骑兵冲太快，被自己后面的强弩给射死了，应该是刚好箭的压制到对方不能抬头，然后骑兵刚好到，让对方无法准备，这都要考虑箭的射速、最大射程、骑兵运动距离与速度，实现最佳的匹配—这就是所谓的协同作战，制造过程里也是一样的啊！所有机器要协调，必须对表啊！否则，刀具就被磕坏了，模具就被撞了，那多麻烦，只不过，制造这个时间的精度是微秒级，而那个骑兵打仗可以到秒这个准确度上就好了，当然现在的打仗也要精度很高，否则一颗导弹扔偏了损失几十万几百万美刀不说，还可能把自己的盟友炸了（美国海湾战争不就经常干这种事吗？）。

对表得先有个基准

怎么对表呢？以谁的表为基准呢？这个世界的原则其实很简单—谁的表贵就是谁的，你要是带快那种几十块的不知道啥牌子的，那不行，人家天梭（Tissot）就得压你一头，当主时钟，你要是像B和抖音里那个朱一旦一样，动辄拿出块奥米伽（Omega），那起步也得5千欧罗，你行你上，这时突然有一老派男人悠然掏出一块百达.翡丽（Partek Philippe）—“你并不真正拥有着块表，你只是替你的后代保存这块表”，识货的主就会让它做主时钟（Master）你不让人家做主时钟行吗？然后，你们都变成奴隶（Slave），听人家的。

选好主时钟，然后就得把时钟信息发给你们每个人了，你们就以人家为准，调整自己的时间吧！当然了，这里还有问题就是这个线路上总会消耗点时间、时间信息出去了，你如果不给闭环反馈一下，它这个时间在路上走了多少时间，其实你也不知道，比如昨天我经过路口刚好赶上绿灯，今天我刚好一路上老碰到红灯，这个时间就具有不确定性啊！那这个延迟怎么被计算出来让其它人都知道，你到底啥时候出发的？估计啥时候能到啊？对表是为了让大家都知道时间，然后延迟计算就是让大家能够清楚的知道耽误了多少时间？

TSN是由一系列标准构成的，其中第一类标准就是对表和延迟计算用的，叫IEEE802.1AS，IEEE802.1AS-Rev,都是在IEEE1588时钟同步协议上发展的升级版。

第二件事情就是流量调度

什么叫调度策略？

医院里挂号10个窗口10个队，而浦东机场国际进关是1个队列对20个窗口，哪个效率更高？据我的老师在进行数据分析说，机场这个队列的调度机制会效率更高，因为，大家都知道，你发现你前面总是会遇到一个要么到了才拿出卡或钱包、然后还问来问去搞不清楚，但是，机场就是只要前面一个窗口结束，马上队列就可以补上去，所以，是比较快的—这就是好的调度和差的调度机制设计，它不牵扯到任何的技术，只是一个策略选择问题，所以，选择一种策略机制本身也是关乎效率的。

交通流量调度

TSN作为通信，其实它的流量调度，就跟路口的交通里的红绿灯一样，都是为了最大的效率，降低拥堵，提高通行效率。其实，交通系统里为了降低拥塞、提高吞吐能力（负荷）的方式可多了，像高铁，那就是专用通道，人家是专用的轨道上跑的，别的车跑不了，你要说交通的话，还有这个不用红绿灯的，提高效率，上海、北京很多城市都有高架，有立交桥来进行流量分配，不过，听说西二环那个立交桥都会让司机绕圈，所以流量调度还是很讲究的。

高铁这种专用通道，一般来说就像是以前的实时以太网，它必须得有铁轨，而且这个铁轨还不能随便开叉，八横八纵，而且它太快了，你不能一个小站都停一下，它启动和制动的过程消耗的时间就挺长—从北京到上海的高铁，停站3个的和停站10个就差了1个小时，你不能像高速公路可以深入到小的城市，而且到处有入口出口，高速公路算是一种提高效率的办法，比以前国道那种到处都是开口的就方便了，越是少的道口就速度越高，但是，那样就不灵活了，必须你们才能走，而且还比较贵—因为我们拥有全世界最长的收费高速公路，也不是谁都消耗的起的，所以，还得有国道、省道这种普通公路，还得有乡间低等级公路，经济实惠。

TSN其实就是一种混合模式的交通方式—既可以有专用通道让你紧急的车走，还有让你消防车也可以、还有就是普通车，这个时候就不管你们开BMW还是夏利，都按照那两根车道走。

TSN的几个调度器（Shaper）

TSN如果从技术上来说，有几种常用的Shaper-可以翻译成“整形器”、“赋型器”，或者有的也叫“Scheduler”-调度器，都可以，因为它的本质就是一个数据调度的策略，策略这个词看上去挺高大上，其实，简单就是谁先走，谁后走的问题。

严格优先级

在说TSN调度策略之前，我们先要说一下“优先级”的问题，在TSN的数据包里，它与标准以太网包不同，是插入了32位标记数据帧，其中有3位是优先级标记的，这个是按照一种严格优先级，就是0/1/2/3/4/5/6/7这个顺序，在策略上称为“严格优先级”，你们按照优先级顺序，人家走了你才能走，不要跟我说你有十万火急的事情，爷这里就这规矩，想插队没门。

TSN调度策略（基于多种整形器来实现）

策略1：基于信用的整形器（CBS）

基于信用的整形器（Credit-Based Shaper），是比较早的一个策略，在2012年那会人家就已经开始研究了，在这个调度策略里，有两个VIP客户，他们不能等你们按照那个严格优先级来走的，其中两个队列赋予了较高的优先级，你们两个先走，但是，1号队列走的时候你的信用—这个重要的指标就会下降，2号队列里的数据，它信用会上升，然后1号传完或信用没了，2号来传，等1号和2号传完了，其它队列在按照所谓的优先级来传。

万一它两个队列占着这个电话线不放呢？不行，他们两个加起来不能超过整个带宽的75%，否则，你碰到两个话多的，别人就没有机会插话了，那信息就无法协同了。

这个机制它在7个跳转（Hop-数据流经过一个交换机叫一个跳转）它会有250μS的延时，这个对于ADAS还是可以接受的，因此，目前汽车工业主要是这个整形器的研发为主。

在汽车行业里，他们把这个CBS对应的标准IEEE802.1Qav和IEEE802.1Qat和IEEE802.1AS三个标准打了个包，叫IEEE802.1AVB，Qav就是整形器，Qat则是一个网络配置的方法，AS就是对表的标准，所以，这是一个标准包，就人家汽车行业那帮大佬宝马、大众、奥迪、奔驰等一帮大众在玩。

策略2：时间感知整形器（IEEE802.1Qbv-TAS）

工业里的时间要求比较苛刻—实时网络因此有时候也叫时间严苛型网络（Time Critical Network）,在工业里觉得AVB那个还不够用，因此整了个叫时间感知整形器的策略（Time Awareness Shaper）--这个整形器的概念倒是比较容易理解：

你们每个数据节点的数据进了这个交换机的队列后，有很多个队列，然后，它有一个门控制列表，把你们分成1-8，然后它搞个周期性的队列扫描—特别提醒，这里是一个周期性的开关门列表，然后给你们调度：

ScheduledTraffic车辆：每个周期，第一个先走的，就是VVVIP车辆，这就是所谓的“周期性”、“确定性”数据,干工业的都很清楚，这个数据都是很高要求的，微秒级别的刷新。

ReservedTraffic-预留数据流，大家记得高速公路最右侧有个应急车道吧？不让你们走的，因为这个是给应急车辆比如消防车、救护车、警车，这些车辆平时未必会占用这个车道，但是，你也得给人家留着，万一有十万火急的事情，不能耽搁。

Best Effort：第三类就是其它那些数据，你们被定义为Best Effort—看这英文名字，感觉就是不受待见的感觉，我会尽最大努力的，我向你保证，但是，你自己心里有点数啊！人家还有VVVIP,VVIP,VIP在前面呢！

策略3：抢占式MAC(Qbu+802.3br)

其实，在Qbv的机制里，已经很快了，不过，人类追求更快、更高、更强的脚步从未停歇，咱们前面说这个Qbv会周期性的扫描端口，然后开门，但是，你知道，这个网络太庞大了，谁知道网络上还有谁正在传数据，所以，为了安全起见，每个周期开始前都留了一个“保护带宽”（Guardband），就是确保我这个周期一定网络是空闲的，这个保护带宽占了多少时间？它是一个标准以太网帧，对于千兆网来说，大概是1.5μS，所以，得想办法压缩一下这个时间，第二种情况在于—TSN网络的节点可不像以前的工业总线，一般都是小负载数据，TSN网络里可能传输的是视觉、视频信息，他们拿到带宽使用权后，有可能占着带宽不放—这怎么行，低优先级绝对不能占据太多高优先级人的时间。

抢占式MAC这个机制大概需要点硬件配合，就是在设计网络端口的时候采用了两块MAC芯片，一个叫可被抢占的MAC，一个叫快速的MAC，快速MAC发现我的周期到了，调度器就会把可被抢占推到堆栈里，你先等会，兄弟，我事情比较急，先过去，反正你不着急，打断就打断了，等他们走了再传一样的。

这个机制在标准里由IEEE802.1Qbu+IEEE802.1br,这个IEEE802.3br就是硬件的MAC标准，Qbu则是这个调度机制的名字。

这个机制就是有点麻烦，得硬件上专门弄个两块MAC这种的方式，所以，可能价格会贵点吧，但是，效率肯定比Qbv还要高点，否则，这钱花的没有头脑的。

策略4：周期性排队与转发（IEEE802.1Qch）

还有一种机制，叫周期性排队与转发（Cyclic Quening and Fowarding），这个机制针对桥节点转发的时候有个“一个周期走一步”的策略，比如，从这个点到另一个点，中间要经过好几个桥—比如队列里的4/5两个人，他们就每个周期相互客气一下，4号说，5号兄弟你先走，我这里输入数据，你输出，下一个周期，5号队列说，我这会输入数据，4号大哥你走吧，这个有点不好，就是对于这4号、5号两个兄弟来说，他们都是每隔一个周期才能经过一个桥，不过，好处也是有的，就是具有了“确定性”—怎么说这个时间也是确定的啊！当然了，这个同时也是要跟Qbv里提到的那个门控制队列有关，就是整个队列都有一个门控制队列给扫描开关端口。

当然了，还有一些其它的整形器和调度策略，例如ATS-针对异步数据整形器，进一步优化带宽使用效率，而IEEE802.1CB则是冗余方案，帧复制和丢弃的机制，这里就不多说了，否则太长了。

第三件事情：网络配置

你家里买了个电饭煲，你做饭的时候也要设置一下参数吧？

这个想起来似乎不够直观，大家想象一下铁路调度系统，每个车辆的速度（如复兴号、和谐号、动车组都不相同）、运行站点间距（北京到上海有停靠数量不同的车辆）、需要经停车站名称、车厢数量（8编组、12编组、16编组-对应展台也会不同），这些都是铁路这个输送系统节点的能力、需求信息，而每个铁路站点就相当于站台号（入站台轨道切换信息）、站台的停靠位置（还要每个车厢停靠到排队的乘客站的位置）、列车的延时信息（有时候也会晚点）、其它车辆的进出时间信息，而且在铁路调度中，会有闭塞系统，即，每个列车进入轨道运行期间需要先申请授权，然后占用后，别的车辆就不能使用，这些都是需要严格的调度的，整个全国火车的调度就是在既定的《全国铁路列车时刻表》—就是整个铁路网络的调度配置表。

而具体的乘客则根据售票系统搜集需求，并且自动计费，包括退票、换票的机制，这些都是网络需求在变化，然后分配车票的预售系统，给各个路段配置车票额度等，包括根据历史信息来调配车票—以实现最大的经济效益，这些都是智能调度系统来完成。

是的，铁路调度系统就是在复杂的网络节点、用户需求及动态变化中，为网络调度处最高效的运行效率，获得高的经济效益。

来源：微信号 说东道西

作者：宋华振

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