TSN幀搶占測試：為數據傳輸打造“綠色通道”

在復雜多變的汽車、工業(yè)控制等領域中，數據傳輸的時效性和確定性至關重要。在TAS或CQF等調度整形機制中，將不同優(yōu)先級業(yè)務映射到不同隊列中，使高優(yōu)先級業(yè)務在發(fā)送時不會受到低優(yōu)先級業(yè)務的干擾，從而保證工業(yè)控制業(yè)務等高優(yōu)先級業(yè)務的端到端低時延和確定性傳輸。

然而，高優(yōu)先級隊列的服務時間是有限的，需要周期性的“開”和“關”，從而使其他類型業(yè)務也能進行傳輸。一方面，如果高優(yōu)先級業(yè)務在隊列為“關”的狀態(tài)，則需要在隊列中等待，進而增加其等待時延；另一方面，在低優(yōu)先級隊列服務時間截止，而高優(yōu)先級隊列服務時間開啟的切換時刻，如果低優(yōu)先級隊列正好有數據幀發(fā)出，則為了保持高優(yōu)先級隊列業(yè)務數據發(fā)送時鏈路完全處于可用狀態(tài)，高優(yōu)先級隊列中的數據幀還要等待一定時間后才能發(fā)送，即低優(yōu)先級反轉的風險。

為了確保高優(yōu)先級業(yè)務能夠迅速、準確地到達目標，TSN（時間敏感網絡）幀搶占技術應運而生，它如同一條為數據傳輸打造的“綠色通道”，讓關鍵信息在擁堵的網絡中暢通無阻。

一、幀搶占技術的原理

幀搶占技術的工作原理就像是道路上的“應急車道”。在數據傳輸過程中，高優(yōu)先級的快速幀（Express Frame）能夠打斷正在發(fā)送的低優(yōu)先級可搶占幀（Preamble Frame），并在其傳輸完畢后，再繼續(xù)完成剩余可搶占幀切片的傳輸。

為了實現幀搶占功能，IEEE802.3br定義了新的MAC功能接口，即快速MAC（express MAC，eMAC）和可搶占MAC（preamble MAC，pMAC）。另外，IEEE802.3br還定義了新的進行中斷、分組和重組功能的MAC子層功能，即MAC合并子層（MAC Merge Sublayer）。

　　圖1 支持幀搶占的MAC子層模型

根據MAC接口的不同，定義了兩種數據幀：由eMAC處理的數據幀被稱為快速幀（Express Frame），代表高優(yōu)先級幀；而pMAC處理的數據幀被稱為可搶占幀（Preamble Frame）,代表低優(yōu)先級幀或普通幀。

在發(fā)送端，MAC合并子層負責可搶占幀多個分段的封裝、校驗、計數等功能，可搶占幀以一個或多個數據片段的形式傳送，多個可搶占幀數據片段間可能穿插快速幀，被快速幀中斷的多個可搶占幀數據片段在接收端的MAC合并子層進行重新組裝，并向上遞交完整的數據幀。幀搶占的操作只在數據鏈路層進行，MAC合并子層有效的屏蔽了向上層和物理層的相關操作，因此，并不會對其他層的協議造成影響。這樣一來，高優(yōu)先級業(yè)務就能在短時間內迅速完成傳輸，大大提高了數據傳輸的時效性和確定性。

二、幀搶占的數據分組格式

由于MAC合并子層具有對不同類型的業(yè)務流數據分組進行拆分和重組的功能，所以在IEEE802.3br中定義了MAC合并子層的數據分組格式，稱為mPacket，其可承載的數據如下：

①一個完整的快速幀；

②一個完整的可搶占幀；

③可搶占幀的初始數據片段；

④可搶占幀的連續(xù)數據片段；

與標準以太網幀格式不同，mPacket需要對快速幀和可搶占幀進行標記，并且需要對可搶占幀不同的數據片段進行標記。因此，IEEE802.3br定義了兩種類型的mPacket格式，分別為第一類mPacket格式和第二類mPacket格式。

　　圖2 支持幀搶占的數據分組格式類型

其中，第一類mPacket格式主要用于完整的快速幀、完整的可搶占幀或可搶占幀的初始數據片段。而第二類mPacket格式主要用于可搶占幀的連續(xù)數據片段。

三、幀搶占功能測試的必要性

在時間敏感網絡（TSN）中，幀搶占技術通過允許高優(yōu)先級業(yè)務中斷低優(yōu)先級業(yè)務的傳輸，為關鍵數據（如工業(yè)控制、車聯網等場景）提供了低時延、高確定性的傳輸保障。然而，這一機制的高效運行依賴于設備對協議標準的嚴格遵循及對復雜網絡環(huán)境的可靠適應能力。因此，幀搶占功能測試至關重要。

首先，測試能夠驗證設備是否準確實現IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br標準要求的功能，例如高優(yōu)先級幀的即時搶占、低優(yōu)先級幀的切片與重組，確保跨廠商設備的互操作性和協議兼容性。

其次，通過模擬網絡擁塞、數據分片丟失或校驗錯誤等異常場景，測試可評估設備在故障條件下的容錯能力，例如檢測到錯誤mCRC時能否正確丟棄無效數據片段，從而避免低優(yōu)先級數據干擾高優(yōu)先級業(yè)務的傳輸。

此外，測試還能量化設備在實時性、帶寬利用率及優(yōu)先級調度效率等維度的性能表現，為優(yōu)化網絡配置提供數據支撐。例如，借助信而泰TSN網絡測試儀，研發(fā)人員可精準分析設備在混合流量下的切片與重組效率，診斷潛在瓶頸，確保其在復雜工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性。

綜上所述，幀搶占功能測試不僅是技術落地的必要驗證環(huán)節(jié)，更是提升網絡確定性、保障關鍵業(yè)務服務質量的核心手段。

四、幀搶占功能測試方法

幀搶占功能測試典型的測試拓撲為兩種，分別是幀搶占切片能力測試和切片合成能力測試。

　　圖3 幀搶占協議切片能力測試拓撲示意圖

如圖3所示，本測試場景主要聚焦于驗證DUT的MAC子層中斷與分片能力。測試通過構造快速幀與可搶占幀并行傳輸模型，由測試儀同時發(fā)送快速幀和可搶占幀至被測交換機，DUT需基于IEEE 802.3br標準，通過可搶占MAC（pMAC）將低優(yōu)先級幀分片，允許高優(yōu)先級快速幀搶占鏈路。接收端統計Port Qbu數據可觀測可搶占幀的分片轉發(fā)情況，同時通過捕獲報文分析分片格式（如SMD標記、分段計數器等），確保DUT能夠動態(tài)中斷可搶占幀并插入快速幀，且分片標記與協議要求一致，從而驗證協議兼容性與分片機制的有效性。

　　圖4 幀搶占協議切片合成能力測試拓撲示意圖

如圖4所示，本測試場景旨在驗證DUT的MAC合并子層重組能力。測試通過構造快速幀與可搶占幀混合傳輸模型，由測試儀將混合流量發(fā)送至被測交換機，DUT需根據mPacket標記（如SMD-S0/S1等初始片段與SMD-C0/C1等連續(xù)片段）對可搶占幀分片進行識別與重組，恢復完整數據幀。接收端通過統計合法恢復報文數量及捕獲重組后的可搶占幀，確認DUT的協議遵循性。

五、TSN網絡測試儀參考配置

1、幀搶占協議切片能力測試

測試儀通過兩個測試端口模擬TSN終端，并分別構造快速幀和可搶占幀流量。主要配置包括，使能VLAN，并設置VLAN ID均為10，且快速幀優(yōu)先級為7，可搶占幀優(yōu)先級為0（優(yōu)先級參數可自定義，只要快速幀優(yōu)先級高于可搶占幀即可），如下圖。

測試儀同時發(fā)送兩個測試端口上的快速幀與可搶占幀至DUT。查看Port Qbu Statistic統計，可以看到可搶占幀已經被分片進行轉發(fā)了。驗證了DUT在MAC子層中關于pMAC的中斷分組能力的有效性。

2、幀搶占協議重組能力測試

測試儀通過一個測試端口構造快速幀與可被搶占幀混合流量。

配置快速幀流量。按照測試環(huán)境，使能VLAN，并設置VLAN ID為10，優(yōu)先級為7，如下圖。

配置可搶占幀分片流量。使能VLAN，并設置VLAN ID 為10，優(yōu)先級為0。且添加多組分片報文，分片報文長度可以根據需求設置成遞增，遞減，隨機大小。

測試儀將混合流量發(fā)送至DUT，查看Port Qbu Statistic統計，可以看到快速報文總數、合法快速報文總數及正常恢復報文總數的統計。驗證了DUT在MAC子層中關于pMAC的重組能力的有效性。

在流量接收端口處捕獲報文，可以查看到被重組后轉發(fā)出來的可搶占幀數據。

同時，在這過程中可以進行一些故障注入測試，如：構造mCRC校驗錯誤，前導碼錯誤等情況，驗證DUT在故障發(fā)生時的處理機制是否符合要求。例如，對其中一個可搶占幀數據片段進行mCRC造錯后，幀搶占機制將檢測數據片段的完整性，在出現mPacket傳輸錯誤的情況下，會將該可搶占分組數據的所有mPacket幀丟棄。

六、信而泰TSN網絡測試儀

時間敏感網絡(TSN)具備大帶寬、通用以太協議及精準網絡KPI控制的技術優(yōu)勢，可滿足工業(yè)網絡日益數字化、智能化的技術需求。TSN作為下一代工業(yè)網絡技術演進方向已經在業(yè)內形成共識。而任何一種技術的成熟和廣泛采用，一個強大而專業(yè)的測試工具必不可少。

信而泰BigTao220便攜式機框是公司推出的新一代研發(fā)類測試機框。它采用模塊化設計，提供2個插槽，支持從10M到800G多種速率的測試模塊（含TSN測試模塊）任意組合，其可以針對汽車以太網和工業(yè)以太網等提供TSN協議測試解決方案。