工博会忙完，又该继续TSN系列连载时间！没记错的话这已经是第4期了。

例行回顾，在上一期文章中，我们从三大方面了解了TSN网络的是如何工作  TSN系列连载3：TSN网络的工作方式是怎样的？分三点给你讲清楚】。 这  三大 方面分别为：

一，时间同步

二，调度和流量整形

三，选择信道、信道预留和容错

其中提到的TSN网络的  “调度和流量整形”， 当时我们并没有展开做深入的分析解释，但后台有不少小伙伴留言表示对这一问题比较感兴趣，在C小C强烈请求（SiChanLanDa）下，这一期就让技术小哥哥给咱们仔细分析一下  TSN网络的调度和流量整形 。

下边这个示例表，是IEEE802.1Qbv调度程序配置的一个示例显示▼：

↑↑↑图1：IEEE802.1Qbv调度程序示例

在此示例中，每个循环由两个时间片组成。

时间片1仅允许传输标记有VLAN优先级3的流量，并且每个周期中的时间片2允许发送其余优先级。由于IEEE802.1Qbv调度程序要求所有网络设备（包括以太网交换机和终端设备）上的所有时钟都要同步并且要遵循相同的调度，因此所有设备都知道在一个给定时间点可以将哪个优先级的数据发送到网络。由于时间片2能够分配给其他的多个优先级，因此在该时间片内，可以根据标准IEEE802.1Q所规定的优先级调度来处理优先级。

通过包括其他调度或流量整形算法，在IEEE802.1所规定的TSN网络中，定义了不同调度和流量整形程序，可以实现硬实时数据传输、软实时数据传输和后台业务能够在同一个以太网介质中共存。

 IEEE802.1Qbv进行了更详细的定义：时间片和保护带

以太网接口必须在一次数据完成后才能开始新的数据传输，包括在帧结束时传输CRC32校验数据。因此，以太网的这种特性再次对IEEE802.1Qbv调度程序的TDMA方法提出了挑战。这在图2中可见▼：

图2：在尽力而为时间片中发送太晚的帧侵犯了高优先级时间片

如上图所示，在周期n中时间片1尚有空闲，一个新的数据帧开始传送，但由于数据帧太大，无法适应调度程序所规定的时间片，但由于该数据帧的传输不能被中断，所以就会侵犯下一个周期n+1的时间片1。由于关键时间片被部分或全部占用，实时帧可能会发生延迟，以至于不能满足应用要求。这与非TSN以太网交换机中发生的缓冲效果其实是非常相似的，因此TSN必须指定一种机制来防止这一情况的发生。

所以，在实际应用中，IEEE802.1Qbv时间感知调度程序必须确保时间片在切换时以太网接口是空闲的。

为满足这一要求，调度程序会在每个用于传输关键流量的时间片前面放置一个保护带。在该保护带间，不能启动新的以太网帧传输，仅可以完成正在传输的数据帧。而该保护带的时长则必须与进行安全传输最大帧所需的时长一致。

对于符合IEEE802.3的以太网帧，如果具有单个IEEE802.1QVLAN标记并包括帧间间隔，其最大总长度为：1500字节（有效帧数据）+18字节（以太网地址，类型和CRC）+4字节（VLAN标签）+12字节（帧间隔）+8字节（前导码和SFD）=1542字节。

另外，发送此帧所需的总时间取决于以太网的速度。在100Mbit/s传输速率的以太网中，传输持续时间如下▼：

因此，此时保护带至少为123.36μs长。

由于保护带的存在，（总带宽/时间片内的有效时间）实际上随着保护带的增加而减小了。这在图3中可见：

图3：防护带防止了关键流量时间片的冲突

 温馨提示： 为了便于呈现该主题，↑↑↑图3中保护带的实际尺寸不是按比例的，而是明显小于图2所示。

在↑↑↑图3示例中，时间片1总是包含高优先级数据（例如，用于运动控制），而时间片2总是包含Best-Effort服务数据。因此，需要将保护带放置在时间片1的每个转换点处以保护传输关键数据的时间片。

不过值得注意的是，虽然保护段能够保护具有高优先级、传输关键流量的时间片，但它们也有一些明显的  缺点 ：

为了部分地减轻通过保护带造成的带宽损失，在标准IEEE802.1Qbv中还包括了长度感知调度机制，当使用存储转发交换时则可使用该机制，即：

在接受完上一个以太网帧，需要在保护带内发送下一个数据帧时，调度程序会检测待发送帧的长度。如果帧长可以满足在保护带内发送完毕，而不会影响到下一个高优先级时间片，则调度程序可以发送此帧，这样就可以保证在有保护带的同时减少带宽的浪费。

但是，当直通转发时，由于需要预先知道待发送数据帧的帧长，因此不能使用这种机制。

因此，当使用直通转发时进行实时数据传输时，仍然会发生带宽浪费。而且，这也无助于算短循环时间。因此，长度感知调度机制是一种有效的改进，但也并不能消除引入保护带所带来的所有缺点。

    帧抢占和最小化保护带  

为了进一步减轻保护带的负面影响，IEEE工作组802.1和802.3为此设计了帧抢占机制。这两个工作组合作进行了这项工作，因为该技术需要改变IEEE802.3控制下的以太网媒体访问控制（MAC）方案，同时，也需要改变IEEE802.1控制下的管理机制。因此，帧抢占是两个不同的标准文件中进行描述：IEEE802.1Qbu为桥接管理组件；IEEE802.3br用于以太网MAC组件。

图4：帧抢占的示例

图4给出了帧抢占如何工作的基本示例。我们可以看到，在发送Best-Effort帧的过程中，MAC在保护带开始之前中断帧传输，这部分帧用一个CRC校验来结束，并存储在下一个交换缓存中，以等待帧的第二部分到达。当时间片1中的高优先级任务传送完毕，时间周期切换回时间片2之后，恢复中断的帧传输。帧抢占总是以逐段链路为基础，并且只在两个交换机之间传送数据，帧在交换机被重新组装。

与IP协议的分段对比，该机制不支持端到端的分段传送。而在分段传输时，数据帧的每一部分都由CRC32结束以进行错误检测，与常规以太网的CRC32校验相比，部分帧的CRC32中最后16位被反转以使其能够与常规以太网帧区分开来。此外，在传输中，帧起始界定符（SFD）也被改变。

为实现帧抢占机制，设备之间的每个链路上都必须单独支持帧预占。以太网交换机通过LLDP（链路层发现协议）标记链路的帧抢占能力。当具备帧抢占功能的网络设备在端口上收到此类LLDP通知时，它就会激活帧抢占功能。相邻设备之间无法直接协商和激活该功能。能够接收LLDP帧抢占通知的任何设备都默认链路另一端的设备可以兼容为适应帧抢占而进行的帧格式变化（CRC32和SFD的变化）。

帧抢占机制可以明显减少保护带的影响。在使用帧抢占机制时，保护带的长度取决于帧抢占机制的精度：帧抢占机制能够抢占的帧究竟有多小。由于以太网帧的最小长度是64字节，因此IEEE802.3br则规定了在64字节时的最佳精度：

127字节，64字节（最小帧）+63字节（不能预占的剩余长度）。所有大于64字节的帧都可以再次抢占，因此，不需要使用防护带来防止这一尺寸。

使用帧抢占机制可以最大限度地减少浪费的Best-Effort传输带宽，并且可以在较慢的以太网速率（例如100Mbps或更低）下缩短周期时间。由于抢占发生在MAC层的硬件中，因此当帧通过时，也可以支持直通转发（因为不需要预先检测帧的大小）。MAC接口只负责每隔64字节进行检查以判断否需要进行帧抢占。

时间同步，IEEE802.1Qbv调度程序和帧抢占的组合构成了一套有效的标准，以用于保证网络上不同要求任务类别的共存，同时还保证了端到端实时数据的传输。

 TSN网络利用时间片进行网络调度和流量整形就是其核心技术，所以，这才是TSN网络“厉害”的地方 啊。

而CC-LinkIETSN网络正是使用了IEEE802.1AS和IEEE802.3Qbv协议，充分利用了这一思路和方法实现了不同类型的数据流，并使其能够共享同一个网络介质以满足实时数据的传输需求。

好啦，这一期的内容可以说是非常干货了，大家慢慢消化。近期C小C跟同事们都在准备东莞的技术研讨会和本月17日上海工博会，也希望大伙儿能继续关注CC-Link协会的各方动态。