基于FAST的TSN交换（4）基于FPGA的TSN网络CQF实现

基于FAST的TSN交换（4）基于FPGA的TSN网络CQF实现

    CQF是目前TSN标准定义的可实现确定性交换延时的转发模型，其交换流程可以方便的映射到FAST平台的FPGA流水线上。FAST流水线的用户定义输出（UDO）模块可实现用户定义的分组输出控制，支持TSN CQF转发模型的UDO称为CQF-UDO。
    本文介绍的CQF-UDO模块主要用于CQF功能的验证。面向具体应用的CQF实现需要对输出队列数目，输出缓冲区大小等参数进行优化。

一、CQF-UDO实现结构

    在FAST架构下，除了流分类，单流流量监测和基于PTP协议的全网时间同步功能由FAST基本流水线和扩展的PTP-UDA模块实现外，基于CQF的流量整型功能由CQF-UDO模块实现。基于FAST定义的标准UDO接口信号和数据交换时序，CQF-UDO可方便地与FAST基本流水线对接。
(1)模块组成
    FPGA实现的CQF-UDO模块的结构如下图所示。其中Cin和Cout接口为模块的访问控制接口，软件可通过该接口对模块内部的寄存器、计数器和控制表格进行访问。模块通过PKT接口接收和发送分组，Sync_time信号用于从PTP-UDA模块接收全网同步时钟，对时间门控逻辑进行控制。
    为简化设计，CQF-UDO维护4个队列，其中最高优先级的Q7和Q6以乒乓队列的形式保存时间敏感分组，Q4保存带宽预约流的分组，Q0保存Besteffort分组。当需要对时间敏感分组划分不同优先级时，则需要不同的乒乓队列保存不同优先级的时间敏感分组。

CQF-UDO实现结构

    为了提高存储效率，CFQ-UDO模块将所有缓存的分组缓存在共享的RAM缓冲区PB中缓存，每个输出调度队列Q0/Q4/Q6/Q7只保存分组的地址。IC从FBD获取当前空闲缓冲区的状态STA，对不同输出队列采用不同的缓冲区管理算法，决定到达的分组是丢弃还是送PB缓存。CQF-UDO包含的主要模块和功能如下表所示。

模块代号	含义	功能
IC	输入控制	从GOE接收分组，检查元数据中携带的端口号，丢弃目的端口号非本地端口的分组，对于目的为本端口的分组，根据FBQ的状态STA实现缓冲区管理，输出缓冲区拥塞时丢弃分组（不同优先级有不同的丢弃优先级），非拥塞时将分组送分组缓冲区（PB）缓存，同时基于元数据和PB地址生成分组描述符（PD），将PD送队列选择模块。
QS	队列选择	根据PD中携带的优先级信息选择输出队列。优先级为0的PD直接写入Q0，优先级为4的送Q4之前的整形器S0，优先级为7的送时间门控逻辑G0。丢弃其他优先级分组的PD。
PB	分组缓冲区	用于输出的缓存分组及元数据信息。每块大小为512字节，因此最长的1518字节的分组加上32字节的元数据需要至少3个分组缓冲区块。
FBQ	空闲缓冲区队列	初始化后保存空闲缓冲区的地址，按需向IC模块分配，并从OC模块回收释放的缓冲区地址。
CB	控制模块	与控制软件接口，通过9个访问点提供对CQF转发逻辑的配置，收集相关的状态信息。
G0	输入门控逻辑	G0为入队开关，选择将分组写入的队列。支持两个门控实例，乒乓切换周期分别为125us和250us，分别对应音频和视频传输流的缓存需求。
G1	输出门控逻辑	G1和G2为Q7/Q6队列得出队门控开关，只有相应门控开关打开后，队列的输出调度请求才会发往TS进行调度。
S	整形器	S0和S1分别为预约带宽流量队列Q4的入队和出队的流量监测和整型，基于令牌桶实现。其中S0为带输入缓冲的令牌桶，内部包含PD缓冲区，缓冲区的长度代表支持的突发长度。S1为不带缓冲区的令牌桶实现，避免输出流量的突发侵占best effort流量的输出带宽。
TS	发送调度	采用优先级调度算法选择发送分组的描述符。
OC	输出控制	根据TS的结果，将分组从PB读出发送输出。

（2）关键数据结构
    PKT：IC/OC与PB之间传输，以及PB保存的PKT为FAST分组结构，即FAST定义的32字节元数据（metadata）加上不含校验字段的以太网分组。UDO保存FAST元数据的原因是其中携带了分组接收时间戳，可用于后续透明时钟的修订。
    BD：为PB中512字节缓冲区的地址，初始化时硬件将所有的空闲BD写入空闲缓冲区队列（FBQ），IC在接收到分组需要将分组写入PB时，首先从FBQ读取空闲BD，OC在从PB读取分组发送结束后，将BD释放写回FBQ；
    PD：分组描述符，包含从分组元数据中提取出来的14位的flowID，3位的优先级Pri，以及最多3个BD信息等。其中Pri是分组携带的优先级，flowID由FAST流水线的GME模块生成，BD由输入控制模块IC获得。

二、CQF-UDO的配置管理

    根据CQF-UDO的实现模型，共有9个访问点需要软件进行管理配置。这些访问点共同组成了CQF-UDO数据转发的抽象。用户可以根据不同的软件配置实现输出接口的资源预约配置，流量测量和整型，以及转发状态检测等功能。各访问点的详细信息如下表所示。

访问点	对应模块	主要内容
A0	IC	（1）对接收分组数目，以及由于缓冲区溢出丢弃分组进行计数; （2）配置每个队列丢弃的阀值。
A1	QS	每个队列长度寄存器。
A2	G0	2个输入门控开关列表，每个列表只需1个比特表示，1代表进入Q7，0代表进入Q6。
A3	S0	单个带缓冲的令牌桶参数（B，r，L），以及相关计数器
A4	S1	单个缓冲令牌桶参数（B，r），以及相关计数器
A5	G1	1比特信息，1则Q7的调度请求可通过，0则屏蔽Q7的调度请求
A6	G2	1比特信息，1则Q6的调度请求可通过，0则屏蔽Q6的调度请求
A7	TS	调度器相关统计计数器
A8	OC	输出发送相关计数器

    根据FAST规范，上述信息需要映射到一个32位的虚拟地址空间中。CPU上驱动通过访问这些虚拟地址对这些信息进行管理。

三、CQF-UDO对标准CQF整型处理的简化

    CQF-UDO模块实现的CQF功能只是标准CQF的一个子集或是简化的实验版本，主要

1. 简化包括：简化的入队流控机制，使用简单的令牌桶（B，r，L三个参数）实现代替802.1Q-2014规范定义的基于信用的整形器（10个参数）的功能；
2. 使用4个输出队列代替标准的8个输出队列，因此只支持一个优先级的时间敏感流量，一个优先级的预约带宽流量以及一个优先级的BE流量。使用4个输出队列代替标准的8个输出队列，因此只支持一个优先级的时间敏感流量，一个优先级的预约带宽流量以及一个优先级的BE流量。
       尽管存在上述简化，CQF-UDO仍可以对TSN网络中CQF整型机制进行验证，实现确定性的传输延时保证。关于分组缓冲区PB的大小评估额设置，队列长度设置以及缓冲区管理算法将在后续文章中给出。