一文读懂时延敏感网络的调度整形机制

作者简介：黄玉栋，北京邮电大学网络与交换国家重点实验室研一在读，研究方向为未来网络体系架构，确定性网络，邮箱地址: [email protected].

一．什么是时延敏感网络

时延敏感网络（TSN, Time Sensitive Network）是指能保证时延敏感流的服务质量，实现低时延、低抖动和零丢包率的网络。

时延敏感流可分为周期时延敏感流（PTS, Periodic Time Sensitive），比如工厂里的循环控制指令、同步信息，和非周期/零星时延敏感流(STS，Sporadic Time Sensitive)，比如事件告警信息。

对于周期时延敏感流，一般采用同步的调度整形机制，即要求全网设备进行精准的纳秒级时钟同步，其最早的思想来自时间触发以太网（TTE, Time-Triggered Ethernet），当前研究的机制包括时间感知整形（TAS）、循环排队转发（CQF）、基于信用整形（CBS）。

对于零星时延敏感流，一般采用异步的调度整形机制，即不需要全网时钟同步，当前的研究机制包括基于紧急度的调度（Urgency-Based Scheduler，UBS）、帕特诺斯特机制（Paternoster）和帧抢占（Frame Preemption）。

看到这么多机制和新名词，它们各自有什么作用，又有什么关联和区别，大脑已经反应不过来了对不对？没关系，忘掉以上名词，接下来小编将带领大家化繁为简、抽丝剥茧、拨云见日，直击时延敏感网络调度整形机制的本质。

二．什么是调度整形机制

调度整形机制是交换机中的两种服务质量保障机制，调度是指队列调度，一般实现在交换机的出端口，包含进入队列、根据调度算法选择发送队列、出队传输三个部分；整形是指流量整形，通过限制端口的转发速率从而防止交换机内部或下一跳出现拥塞。

由于异步调度整形机制无法保证包的最坏时延满足一定阈值，只能保证包的平均时延和同步方法相当，且时延抖动比较大，在网络拥塞的情况下时延敏感流很容易产生丢包，当前的异步机制并不成熟，为更好的阐明时延敏感网络的本质，后文主要先讨论使用同步机制传输周期时延敏感流（PTS）的场景。

三．如何实现低时延、低抖动和零丢包率

那么时延敏感网络如何才能实现低时延呢？首先，网络的每跳时延可分为链路传播时延、交换机处理时延、出端口排队时延三部分，而端到端时延为逐跳时延求和。链路时延和处理时延基本为固定值，所以减少时延必须要减少排队时延，即时延敏感网络的本质就是不排队：先通过优先级队列将时延敏感流和尽力而为流隔开，再从时间上（划分时隙）或空间上（规划路由）将同样的时延敏感流隔开。

实现低时延后，包在交换机里的停留时间很短，包的累积不会超过队列缓冲区大小，从而实现零丢包率；同时，抖动是指时延的变化差值，低时延降低了最坏时延，让时延上界靠近时延下界，减小了时延的变化区间，从而也实现了低抖动。

四. PTS的头号问题：配置时隙

传统的以太网采用“尽力而为”的转发，无法保证包的端到端最坏时延，时延敏感网络采用类似时分复用的方式，为每一个包配置时隙，保证其有足够的时间进行转发。以下总结三种基于时间的调度整形机制和一个时隙配置模型。

• 时间触发以太网（TTE）：把时间戳打在包上，通过时间表控制包的发送，让每个包自己知道自己的发送时间，在发包侧就将各个包的发送时间隔开，严格保证时延抖动满足要求。
• 时间感知整形（TAS）：利用优先级门控队列，即在优先级队列后加上门控开关，通过门控时间表控制门控开关的打开闭合来保证时延抖动要求。其可以阻断尽力而为流的持续转发，让高优先级的包得到稳定的间隔转发时间，同时PTS流之间依然要将发包时间隔开，时延抖动保证效果才最好。比如每跳时延为T，共有n跳，则可保证端到端时延最大为nT。和TTE相比，让优先级队列决定包何时被转发，降低了对发端的要求，同时时延抖动保证粒度也会弱一些。
• 循环排队转发（CQF）：把TAS里只用一个最高优先级队列来接收时延敏感流，变为用奇偶两个队列循环接收，即所谓的乒乓队列。其可以用于解决流聚合问题，如果两个PTS流同时到达了，必有一个PTS要等待转发，循环排队转发可以保证等待的流只等待前一个PTS流转发，即一个周期T，自己再转发一个周期T，假设共有n跳，则端到端时延可保证最大为2nT。

时隙配置模型：时隙的配置问题等同于二进制背包问题，是一个NP-hard问题，时延敏感网络的流量调度和时隙配置架构流程如下图所示，首先需要确定合适的转发平面调度整形机制，然后中心化用户配置（CUC）采集各个发端的发包周期、包大小、流大小、对时延抖动的要求等信息，以及网络的拓扑信息，并将这些信息作为输入，放入时隙配置模型中；模型包含一系列的多项式约束条件，可采用整数线性规划（ILP）或可满足性模理论（SMT）等方式进行建模，然后用解析器工具或者蚁群算法、模拟退火算法、遗传算法、禁忌搜索算法等启发式算法进行求解，最后输出为满足这些约束条件的一个时隙配置方案，并可采用离线静态或者在线增量式的方法进行配置下发。

五．PTS的衍生问题：流聚合、流增量、流突发

流聚合：当拓扑复杂、拓扑不对称、存在多个分支节点时，得到毫无排队的时隙配置会非常困难，下游聚合节点会产生流聚合现象，导致PTS流排队。CQF是一种解决流聚合的机制。

流增量：一般的配置方案是离线的静态配置方案，每次计算出方案可能需要花费数个小时，然后进行部署，当有新的设备加入网络时，需要考虑逐个的规划时延敏感流的时隙配置，同时保证已下发的配置不受影响。目前结合SDN进行时延敏感网络增量调度是一个比较火的方向，叫TSSDN(Time-sensitive Software-defined Network )。

流突发：当网络中有零星时延敏感流时，很有可能与周期时延敏感流的转发产生冲突，扰乱已有的时隙配置。混合时延敏感流调度是当前还没有解决的一个问题。

六．PTS的共流问题：考虑混合流的QoS和网络利用率

共流问题也叫做混合流问题，时延敏感网络的流量可以分为三类：时延敏感流（TS），速率限制流（RT）和尽力而为流（BE）。其中时延敏感流已在第一节介绍；速率限制流是指专业音视频等有一定时延抖动要求，同时占用带宽大，需要进行速率限制的流量；尽力而为流是普通的可以随意转发的以太网流量。

优先级等级上，TS > RT > BE，一般是转发完TS流后，剩余的时隙用来转发RT和BE流，并设立保护带宽隔离三种流量。保证了PTS流的服务质量后，从网络整体性能出发，还需要考虑保证RT和BE流的服务质量，降低其丢包率，并尽量提高整个网络的带宽资源利用率。

七．PTS的隐藏问题：时钟漂移、广域时钟同步、复杂度和扩展性

PTS调度整形机制的实现都有一个大前提，那就是严格的全网时钟同步，但由于温度等原因，时钟会产生漂移，一次时隙没有对齐，就会导致包无法在预计的时刻被发送完，导致整个调度出现严重问题，只能重启设备。

同时，当前的时钟同步机制只能保证7跳以内大小的局域网内的时钟同步，如何实现广域的时钟同步，在更大的范围内实现时延抖动的保障，同时还要考虑实现的复杂度和实现成本，这些问题都有待讨论。