TSN幀搶占測(cè)試：為數(shù)據(jù)傳輸打造“綠色通道”

在復(fù)雜多變的汽車(chē)、工業(yè)控制等領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性和確定性至關(guān)重要。在TAS或CQF等調(diào)度整形機(jī)制中，將不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)映射到不同隊(duì)列中，使高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)在發(fā)送時(shí)不會(huì)受到低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的干擾，從而保證工業(yè)控制業(yè)務(wù)等高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的端到端低時(shí)延和確定性傳輸。

然而，高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的服務(wù)時(shí)間是有限的，需要周期性的“開(kāi)”和“關(guān)”，從而使其他類(lèi)型業(yè)務(wù)也能進(jìn)行傳輸。一方面，如果高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)在隊(duì)列為“關(guān)”的狀態(tài)，則需要在隊(duì)列中等待，進(jìn)而增加其等待時(shí)延；另一方面，在低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列服務(wù)時(shí)間截止，而高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列服務(wù)時(shí)間開(kāi)啟的切換時(shí)刻，如果低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列正好有數(shù)據(jù)幀發(fā)出，則為了保持高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鏈路完全處于可用狀態(tài)，高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀還要等待一定時(shí)間后才能發(fā)送，即低優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

為了確保高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)能夠迅速、準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)，TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）幀搶占技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它如同一條為數(shù)據(jù)傳輸打造的“綠色通道”，讓關(guān)鍵信息在擁堵的網(wǎng)絡(luò)中暢通無(wú)阻。

一、幀搶占技術(shù)的原理

幀搶占技術(shù)的工作原理就像是道路上的“應(yīng)急車(chē)道”。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，高優(yōu)先級(jí)的快速幀（Express Frame）能夠打斷正在發(fā)送的低優(yōu)先級(jí)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(shí)現(xiàn)幀搶占功能，IEEE802.3br定義了新的MAC功能接口，即快速M(fèi)AC（express MAC，eMAC）和可搶占MAC（preamble MAC，pMAC）。另外，IEEE802.3br還定義了新的進(jìn)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(jù)MAC接口的不同，定義了兩種數(shù)據(jù)幀：由eMAC處理的數(shù)據(jù)幀被稱(chēng)為快速幀（Express Frame），代表高優(yōu)先級(jí)幀；而pMAC處理的數(shù)據(jù)幀被稱(chēng)為可搶占幀（Preamble Frame）,代表低優(yōu)先級(jí)幀或普通幀。

在發(fā)送端，MAC合并子層負(fù)責(zé)可搶占幀多個(gè)分段的封裝、校驗(yàn)、計(jì)數(shù)等功能，可搶占幀以一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)片段的形式傳送，多個(gè)可搶占幀數(shù)據(jù)片段間可能穿插快速幀，被快速幀中斷的多個(gè)可搶占幀數(shù)據(jù)片段在接收端的MAC合并子層進(jìn)行重新組裝，并向上遞交完整的數(shù)據(jù)幀。幀搶占的操作只在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行，MAC合并子層有效的屏蔽了向上層和物理層的相關(guān)操作，因此，并不會(huì)對(duì)其他層的協(xié)議造成影響。這樣一來(lái)，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)就能在短時(shí)間內(nèi)迅速完成傳輸，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性和確定性。

二、幀搶占的數(shù)據(jù)分組格式

由于MAC合并子層具有對(duì)不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)分組進(jìn)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(shù)據(jù)分組格式，稱(chēng)為mPacket，其可承載的數(shù)據(jù)如下：

①一個(gè)完整的快速幀；

②一個(gè)完整的可搶占幀；

③可搶占幀的初始數(shù)據(jù)片段；

④可搶占幀的連續(xù)數(shù)據(jù)片段；

與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式不同，mPacket需要對(duì)快速幀和可搶占幀進(jìn)行標(biāo)記，并且需要對(duì)可搶占幀不同的數(shù)據(jù)片段進(jìn)行標(biāo)記。因此，IEEE802.3br定義了兩種類(lèi)型的mPacket格式，分別為第一類(lèi)mPacket格式和第二類(lèi)mPacket格式。

　　圖2 支持幀搶占的數(shù)據(jù)分組格式類(lèi)型

其中，第一類(lèi)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(shù)據(jù)片段。而第二類(lèi)mPacket格式主要用于可搶占幀的連續(xù)數(shù)據(jù)片段。

三、幀搶占功能測(cè)試的必要性

在時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）中，幀搶占技術(shù)通過(guò)允許高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)中斷低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸，為關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如工業(yè)控制、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景）提供了低時(shí)延、高確定性的傳輸保障。然而，這一機(jī)制的高效運(yùn)行依賴(lài)于設(shè)備對(duì)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格遵循及對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的可靠適應(yīng)能力。因此，幀搶占功能測(cè)試至關(guān)重要。

首先，測(cè)試能夠驗(yàn)證設(shè)備是否準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br標(biāo)準(zhǔn)要求的功能，例如高優(yōu)先級(jí)幀的即時(shí)搶占、低優(yōu)先級(jí)幀的切片與重組，確�？鐝S商設(shè)備的互操作性和協(xié)議兼容性。

其次，通過(guò)模擬網(wǎng)絡(luò)擁塞、數(shù)據(jù)分片丟失或校驗(yàn)錯(cuò)誤等異常場(chǎng)景，測(cè)試可評(píng)估設(shè)備在故障條件下的容錯(cuò)能力，例如檢測(cè)到錯(cuò)誤mCRC時(shí)能否正確丟棄無(wú)效數(shù)據(jù)片段，從而避免低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)干擾高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸。

此外，測(cè)試還能量化設(shè)備在實(shí)時(shí)性、帶寬利用率及優(yōu)先級(jí)調(diào)度效率等維度的性能表現(xiàn)，為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置提供數(shù)據(jù)支撐。例如，借助信而泰TSN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，研發(fā)人員可精準(zhǔn)分析設(shè)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(fù)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(cè)試不僅是技術(shù)落地的必要驗(yàn)證環(huán)節(jié)，更是提升網(wǎng)絡(luò)確定性、保障關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的核心手段。

四、幀搶占功能測(cè)試方法

幀搶占功能測(cè)試典型的測(cè)試拓?fù)錇閮煞N，分別是幀搶占切片能力測(cè)試和切片合成能力測(cè)試。

　　圖3 幀搶占協(xié)議切片能力測(cè)試拓?fù)涫疽鈭D

如圖3所示，本測(cè)試場(chǎng)景主要聚焦于驗(yàn)證DUT的MAC子層中斷與分片能力。測(cè)試通過(guò)構(gòu)造快速幀與可搶占幀并行傳輸模型，由測(cè)試儀同時(shí)發(fā)送快速幀和可搶占幀至被測(cè)交換機(jī)，DUT需基于IEEE 802.3br標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)可搶占MAC（pMAC）將低優(yōu)先級(jí)幀分片，允許高優(yōu)先級(jí)快速幀搶占鏈路。接收端統(tǒng)計(jì)Port Qbu數(shù)據(jù)可觀測(cè)可搶占幀的分片轉(zhuǎn)發(fā)情況，同時(shí)通過(guò)捕獲報(bào)文分析分片格式（如SMD標(biāo)記、分段計(jì)數(shù)器等），確保DUT能夠動(dòng)態(tài)中斷可搶占幀并插入快速幀，且分片標(biāo)記與協(xié)議要求一致，從而驗(yàn)證協(xié)議兼容性與分片機(jī)制的有效性。

　　圖4 幀搶占協(xié)議切片合成能力測(cè)試拓?fù)涫疽鈭D

如圖4所示，本測(cè)試場(chǎng)景旨在驗(yàn)證DUT的MAC合并子層重組能力。測(cè)試通過(guò)構(gòu)造快速幀與可搶占幀混合傳輸模型，由測(cè)試儀將混合流量發(fā)送至被測(cè)交換機(jī)，DUT需根據(jù)mPacket標(biāo)記（如SMD-S0/S1等初始片段與SMD-C0/C1等連續(xù)片段）對(duì)可搶占幀分片進(jìn)行識(shí)別與重組，恢復(fù)完整數(shù)據(jù)幀。接收端通過(guò)統(tǒng)計(jì)合法恢復(fù)報(bào)文數(shù)量及捕獲重組后的可搶占幀，確認(rèn)DUT的協(xié)議遵循性。

五、TSN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀參考配置

1、幀搶占協(xié)議切片能力測(cè)試

測(cè)試儀通過(guò)兩個(gè)測(cè)試端口模擬TSN終端，并分別構(gòu)造快速幀和可搶占幀流量。主要配置包括，使能VLAN，并設(shè)置VLAN ID均為10，且快速幀優(yōu)先級(jí)為7，可搶占幀優(yōu)先級(jí)為0（優(yōu)先級(jí)參數(shù)可自定義，只要快速幀優(yōu)先級(jí)高于可搶占幀即可），如下圖。

測(cè)試儀同時(shí)發(fā)送兩個(gè)測(cè)試端口上的快速幀與可搶占幀至DUT。查看Port Qbu Statistic統(tǒng)計(jì)，可以看到可搶占幀已經(jīng)被分片進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)了。驗(yàn)證了DUT在MAC子層中關(guān)于pMAC的中斷分組能力的有效性。

2、幀搶占協(xié)議重組能力測(cè)試

測(cè)試儀通過(guò)一個(gè)測(cè)試端口構(gòu)造快速幀與可被搶占幀混合流量。

配置快速幀流量。按照測(cè)試環(huán)境，使能VLAN，并設(shè)置VLAN ID為10，優(yōu)先級(jí)為7，如下圖。

配置可搶占幀分片流量。使能VLAN，并設(shè)置VLAN ID 為10，優(yōu)先級(jí)為0。且添加多組分片報(bào)文，分片報(bào)文長(zhǎng)度可以根據(jù)需求設(shè)置成遞增，遞減，隨機(jī)大小。

測(cè)試儀將混合流量發(fā)送至DUT，查看Port Qbu Statistic統(tǒng)計(jì)，可以看到快速報(bào)文總數(shù)、合法快速報(bào)文總數(shù)及正�；謴�(fù)報(bào)文總數(shù)的統(tǒng)計(jì)。驗(yàn)證了DUT在MAC子層中關(guān)于pMAC的重組能力的有效性。

在流量接收端口處捕獲報(bào)文，可以查看到被重組后轉(zhuǎn)發(fā)出來(lái)的可搶占幀數(shù)據(jù)。

同時(shí)，在這過(guò)程中可以進(jìn)行一些故障注入測(cè)試，如：構(gòu)造mCRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，前導(dǎo)碼錯(cuò)誤等情況，驗(yàn)證DUT在故障發(fā)生時(shí)的處理機(jī)制是否符合要求。例如，對(duì)其中一個(gè)可搶占幀數(shù)據(jù)片段進(jìn)行mCRC造錯(cuò)后，幀搶占機(jī)制將檢測(cè)數(shù)據(jù)片段的完整性，在出現(xiàn)mPacket傳輸錯(cuò)誤的情況下，會(huì)將該可搶占分組數(shù)據(jù)的所有mPacket幀丟棄。

六、信而泰TSN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)具備大帶寬、通用以太協(xié)議及精準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)KPI控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可滿(mǎn)足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)日益數(shù)字化、智能化的技術(shù)需求。TSN作為下一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)方向已經(jīng)在業(yè)內(nèi)形成共識(shí)。而任何一種技術(shù)的成熟和廣泛采用，一個(gè)強(qiáng)大而專(zhuān)業(yè)的測(cè)試工具必不可少。

信而泰BigTao220便攜式機(jī)框是公司推出的新一代研發(fā)類(lèi)測(cè)試機(jī)框。它采用模塊化設(shè)計(jì)，提供2個(gè)插槽，支持從10M到800G多種速率的測(cè)試模塊（含TSN測(cè)試模塊）任意組合，其可以針對(duì)汽車(chē)以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)等提供TSN協(xié)議測(cè)試解決方案。