如何才能實現(xiàn)低時延敏感網(wǎng)絡(luò)

作者：黃玉棟，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點實驗室研一在讀，研究方向為未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，確定性網(wǎng)絡(luò)

什么是時延敏感網(wǎng)絡(luò)

時延敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN, Time Sensitive Network）是指能保證時延敏感流的服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)低時延、低抖動和零丟包率的網(wǎng)絡(luò)。

時延敏感流可分為周期時延敏感流（PTS, Periodic Time Sensitive），比如工廠里的循環(huán)控制指令、同步信息，和非周期/零星時延敏感流(STS，Sporadic Time Sensitive)，比如事件告警信息。

對于周期時延敏感流，一般采用同步的調(diào)度整形機制，即要求全網(wǎng)設(shè)備進行精準(zhǔn)的納秒級時鐘同步，其最早的思想來自時間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTE, Time-Triggered Ethernet），當(dāng)前研究的機制包括時間感知整形（TAS）、循環(huán)排隊轉(zhuǎn)發(fā)（CQF）、基于信用整形（CBS）。

對于零星時延敏感流，一般采用異步的調(diào)度整形機制，即不需要全網(wǎng)時鐘同步，當(dāng)前的研究機制包括基于緊急度的調(diào)度（Urgency-Based Scheduler，UBS）、帕特諾斯特機制（Paternoster）和幀搶占（Frame Preemption）。

看到這么多機制和新名詞，它們各自有什么作用，又有什么關(guān)聯(lián)和區(qū)別，大腦已經(jīng)反應(yīng)不過來了對不對？沒關(guān)系，忘掉以上名詞，接下來小編將帶領(lǐng)大家化繁為簡、抽絲剝繭、撥云見日，直擊時延敏感網(wǎng)絡(luò)調(diào)度整形機制的本質(zhì)。

什么是調(diào)度整形機制

調(diào)度整形機制是交換機中的兩種服務(wù)質(zhì)量保障機制，調(diào)度是指隊列調(diào)度，一般實現(xiàn)在交換機的出端口，包含進入隊列、根據(jù)調(diào)度算法選擇發(fā)送隊列、出隊傳輸三個部分；整形是指流量整形，通過限制端口的轉(zhuǎn)發(fā)速率從而防止交換機內(nèi)部或下一跳出現(xiàn)擁塞。

由于異步調(diào)度整形機制無法保證包的最壞時延滿足一定閾值，只能保證包的平均時延和同步方法相當(dāng)，且時延抖動比較大，在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下時延敏感流很容易產(chǎn)生丟包，當(dāng)前的異步機制并不成熟，為更好的闡明時延敏感網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)，后文主要先討論使用同步機制傳輸周期時延敏感流（PTS）的場景。

如何實現(xiàn)低時延、低抖動和零丟包率

那么時延敏感網(wǎng)絡(luò)如何才能實現(xiàn)低時延呢？首先，網(wǎng)絡(luò)的每跳時延可分為鏈路傳播時延、交換機處理時延、出端口排隊時延三部分，而端到端時延為逐跳時延求和。鏈路時延和處理時延基本為固定值，所以減少時延必須要減少排隊時延，即時延敏感網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)就是不排隊：先通過優(yōu)先級隊列將時延敏感流和盡力而為流隔開，再從時間上（劃分時隙）或空間上（規(guī)劃路由）將同樣的時延敏感流隔開。

實現(xiàn)低時延后，包在交換機里的停留時間很短，包的累積不會超過隊列緩沖區(qū)大小，從而實現(xiàn)零丟包率；同時，抖動是指時延的變化差值，低時延降低了最壞時延，讓時延上界靠近時延下界，減小了時延的變化區(qū)間，從而也實現(xiàn)了低抖動。

PTS的頭號問題：配置時隙

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用“盡力而為”的轉(zhuǎn)發(fā)，無法保證包的端到端最壞時延，時延敏感網(wǎng)絡(luò)采用類似時分復(fù)用的方式，為每一個包配置時隙，保證其有足夠的時間進行轉(zhuǎn)發(fā)。以下總結(jié)三種基于時間的調(diào)度整形機制和一個時隙配置模型。

時間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTE）：把時間戳打在包上，通過時間表控制包的發(fā)送，讓每個包自己知道自己的發(fā)送時間，在發(fā)包側(cè)就將各個包的發(fā)送時間隔開，嚴(yán)格保證時延抖動滿足要求。

時間感知整形（TAS）：利用優(yōu)先級門控隊列，即在優(yōu)先級隊列后加上門控開關(guān)，通過門控時間表控制門控開關(guān)的打開閉合來保證時延抖動要求。其可以阻斷盡力而為流的持續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，讓高優(yōu)先級的包得到穩(wěn)定的間隔轉(zhuǎn)發(fā)時間，同時PTS流之間依然要將發(fā)包時間隔開，時延抖動保證效果才最好。比如每跳時延為T，共有n跳，則可保證端到端時延最大為nT。和TTE相比，讓優(yōu)先級隊列決定包何時被轉(zhuǎn)發(fā)，降低了對發(fā)端的要求，同時時延抖動保證粒度也會弱一些。

循環(huán)排隊轉(zhuǎn)發(fā)（CQF）：把TAS里只用一個最高優(yōu)先級隊列來接收時延敏感流，變?yōu)橛闷媾純蓚€隊列循環(huán)接收，即所謂的乒乓隊列。其可以用于解決流聚合問題，如果兩個PTS流同時到達了，必有一個PTS要等待轉(zhuǎn)發(fā)，循環(huán)排隊轉(zhuǎn)發(fā)可以保證等待的流只等待前一個PTS流轉(zhuǎn)發(fā)，即一個周期T，自己再轉(zhuǎn)發(fā)一個周期T，假設(shè)共有n跳，則端到端時延可保證最大為2nT。

時隙配置模型：時隙的配置問題等同于二進制背包問題，是一個NP-hard問題，時延敏感網(wǎng)絡(luò)的流量調(diào)度和時隙配置架構(gòu)流程如下圖所示，首先需要確定合適的轉(zhuǎn)發(fā)平面調(diào)度整形機制，然后中心化用戶配置（CUC）采集各個發(fā)端的發(fā)包周期、包大小、流大小、對時延抖動的要求等信息，以及網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息，并將這些信息作為輸入，放入時隙配置模型中；模型包含一系列的多項式約束條件，可采用整數(shù)線性規(guī)劃（ILP）或可滿足性模理論（SMT）等方式進行建模，然后用解析器工具或者蟻群算法、模擬退火算法、遺傳算法、禁忌搜索算法等啟發(fā)式算法進行求解，最后輸出為滿足這些約束條件的一個時隙配置方案，并可采用離線靜態(tài)或者在線增量式的方法進行配置下發(fā)。

PTS的衍生問題：流聚合、流增量、流突發(fā)

流聚合：當(dāng)拓撲復(fù)雜、拓撲不對稱、存在多個分支節(jié)點時，得到毫無排隊的時隙配置會非常困難，下游聚合節(jié)點會產(chǎn)生流聚合現(xiàn)象，導(dǎo)致PTS流排隊。CQF是一種解決流聚合的機制。

流增量：一般的配置方案是離線的靜態(tài)配置方案，每次計算出方案可能需要花費數(shù)個小時，然后進行部署，當(dāng)有新的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮逐個的規(guī)劃時延敏感流的時隙配置，同時保證已下發(fā)的配置不受影響。目前結(jié)合SDN進行時延敏感網(wǎng)絡(luò)增量調(diào)度是一個比較火的方向，叫TSSDN(Time-sensitive Software-defined Network )。

流突發(fā)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有零星時延敏感流時，很有可能與周期時延敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生沖突，擾亂已有的時隙配置。混合時延敏感流調(diào)度是當(dāng)前還沒有解決的一個問題。

PTS的共流問題：考慮混合流的QoS和網(wǎng)絡(luò)利用率

共流問題也叫做混合流問題，時延敏感網(wǎng)絡(luò)的流量可以分為三類：時延敏感流（TS），速率限制流（RT）和盡力而為流（BE）。其中時延敏感流已在第一節(jié)介紹；速率限制流是指專業(yè)音視頻等有一定時延抖動要求，同時占用帶寬大，需要進行速率限制的流量；盡力而為流是普通的可以隨意轉(zhuǎn)發(fā)的以太網(wǎng)流量。

優(yōu)先級等級上，TS > RT > BE，一般是轉(zhuǎn)發(fā)完TS流后，剩余的時隙用來轉(zhuǎn)發(fā)RT和BE流，并設(shè)立保護帶寬隔離三種流量。保證了PTS流的服務(wù)質(zhì)量后，從網(wǎng)絡(luò)整體性能出發(fā)，還需要考慮保證RT和BE流的服務(wù)質(zhì)量，降低其丟包率，并盡量提高整個網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源利用率。

PTS的隱藏問題：時鐘漂移、廣域時鐘同步、復(fù)雜度和擴展性

PTS調(diào)度整形機制的實現(xiàn)都有一個大前提，那就是嚴(yán)格的全網(wǎng)時鐘同步，但由于溫度等原因，時鐘會產(chǎn)生漂移，一次時隙沒有對齊，就會導(dǎo)致包無法在預(yù)計的時刻被發(fā)送完，導(dǎo)致整個調(diào)度出現(xiàn)嚴(yán)重問題，只能重啟設(shè)備。

同時，當(dāng)前的時鐘同步機制只能保證7跳以內(nèi)大小的局域網(wǎng)內(nèi)的時鐘同步，如何實現(xiàn)廣域的時鐘同步，在更大的范圍內(nèi)實現(xiàn)時延抖動的保障，同時還要考慮實現(xiàn)的復(fù)雜度和實現(xiàn)成本，這些問題都有待討論。