基于FAST的TSN交換（4）基于FPGA的TSN網絡CQF實作

    CQF是目前TSN标準定義的可實作确定性交換延時的轉發模型，其交換流程可以友善的映射到FAST平台的FPGA流水線上。FAST流水線的使用者定義輸出（UDO）子產品可實作使用者定義的分組輸出控制，支援TSN CQF轉發模型的UDO稱為CQF-UDO。

    本文介紹的CQF-UDO子產品主要用于CQF功能的驗證。面向具體應用的CQF實作需要對輸出隊列數目，輸出緩沖區大小等參數進行優化。

一、CQF-UDO實作結構

    在FAST架構下，除了流分類，單流流量監測和基于PTP協定的全網時間同步功能由FAST基本流水線和擴充的PTP-UDA子產品實作外，基于CQF的流量整型功能由CQF-UDO子產品實作。基于FAST定義的标準UDO接口信号和資料交換時序，CQF-UDO可友善地與FAST基本流水線對接。

(1)子產品組成

    FPGA實作的CQF-UDO子產品的結構如下圖所示。其中Cin和Cout接口為子產品的通路控制接口，軟體可通過該接口對子產品内部的寄存器、計數器和控制表格進行通路。子產品通過PKT接口接收和發送分組，Sync_time信号用于從PTP-UDA子產品接收全網同步時鐘，對時間門控邏輯進行控制。

    為簡化設計，CQF-UDO維護4個隊列，其中最高優先級的Q7和Q6以乒乓隊列的形式儲存時間敏感分組，Q4儲存帶寬預約流的分組，Q0儲存Besteffort分組。當需要對時間敏感分組劃分不同優先級時，則需要不同的乒乓隊列儲存不同優先級的時間敏感分組。

CQF-UDO實作結構

    為了提高存儲效率，CFQ-UDO子產品将所有緩存的分組緩存在共享的RAM緩沖區PB中緩存，每個輸出排程隊列Q0/Q4/Q6/Q7隻儲存分組的位址。IC從FBD擷取目前空閑緩沖區的狀态STA，對不同輸出隊列采用不同的緩沖區管理算法，決定到達的分組是丢棄還是送PB緩存。CQF-UDO包含的主要子產品和功能如下表所示。

子產品代号	含義	功能
IC	輸入控制	從GOE接收分組，檢查中繼資料中攜帶的端口号，丢棄目的端口号非本地端口的分組，對于目的為本端口的分組，根據FBQ的狀态STA實作緩沖區管理，輸出緩沖區擁塞時丢棄分組（不同優先級有不同的丢棄優先級），非擁塞時将分組送分組緩沖區（PB）緩存，同時基于中繼資料和PB位址生成分組描述符（PD），将PD送隊列選擇子產品。
QS	隊列選擇	根據PD中攜帶的優先級資訊選擇輸出隊列。優先級為0的PD直接寫入Q0，優先級為4的送Q4之前的整形器S0，優先級為7的送時間門控邏輯G0。丢棄其他優先級分組的PD。
PB	分組緩沖區	用于輸出的緩存分組及中繼資料資訊。每塊大小為512位元組，是以最長的1518位元組的分組加上32位元組的中繼資料需要至少3個分組緩沖區塊。
FBQ	空閑緩沖區隊列	初始化後儲存空閑緩沖區的位址，按需向IC子產品配置設定，并從OC子產品回收釋放的緩沖區位址。
CB	控制子產品	與控制軟體接口，通過9個通路點提供對CQF轉發邏輯的配置，收集相關的狀态資訊。
G0	輸入門控邏輯	G0為入隊開關，選擇将分組寫入的隊列。支援兩個門控執行個體，乒乓切換周期分别為125us和250us，分别對應音頻和視訊傳輸流的緩存需求。
G1	輸出門控邏輯	G1和G2為Q7/Q6隊列得出隊門控開關，隻有相應門控開關打開後，隊列的輸出排程請求才會發往TS進行排程。
S	整形器	S0和S1分别為預約帶寬流量隊列Q4的入隊和出隊的流量監測和整型，基于令牌桶實作。其中S0為帶輸入緩沖的令牌桶，内部包含PD緩沖區，緩沖區的長度代表支援的突發長度。S1為不帶緩沖區的令牌桶實作，避免輸出流量的突發侵占best effort流量的輸出帶寬。
TS	發送排程	采用優先級排程算法選擇發送分組的描述符。
OC	輸出控制	根據TS的結果，将分組從PB讀出發送輸出。

（2）關鍵資料結構

    PKT：IC/OC與PB之間傳輸，以及PB儲存的PKT為FAST分組結構，即FAST定義的32位元組中繼資料（metadata）加上不含校驗字段的以太網分組。UDO儲存FAST中繼資料的原因是其中攜帶了分組接收時間戳，可用于後續透明時鐘的修訂。

    BD：為PB中512位元組緩沖區的位址，初始化時硬體将所有的空閑BD寫入空閑緩沖區隊列（FBQ），IC在接收到分組需要将分組寫入PB時，首先從FBQ讀取空閑BD，OC在從PB讀取分組發送結束後，将BD釋放寫回FBQ；

    PD：分組描述符，包含從分組中繼資料中提取出來的14位的flowID，3位的優先級Pri，以及最多3個BD資訊等。其中Pri是分組攜帶的優先級，flowID由FAST流水線的GME子產品生成，BD由輸入控制子產品IC獲得。

二、CQF-UDO的配置管理

    根據CQF-UDO的實作模型，共有9個通路點需要軟體進行管理配置。這些通路點共同組成了CQF-UDO資料轉發的抽象。使用者可以根據不同的軟體配置實作輸出接口的資源預約配置，流量測量和整型，以及轉發狀态檢測等功能。各通路點的詳細資訊如下表所示。

通路點	對應子產品	主要内容
A0	IC	（1）對接收分組數目，以及由于緩沖區溢出丢棄分組進行計數; （2）配置每個隊列丢棄的閥值。
A1	QS	每個隊列長度寄存器。
A2	G0	2個輸入門控開關清單，每個清單隻需1個比特表示，1代表進入Q7，0代表進入Q6。
A3	S0	單個帶緩沖的令牌桶參數（B，r，L），以及相關計數器
A4	S1	單個緩沖令牌桶參數（B，r），以及相關計數器
A5	G1	1比特資訊，1則Q7的排程請求可通過，0則屏蔽Q7的排程請求
A6	G2	1比特資訊，1則Q6的排程請求可通過，0則屏蔽Q6的排程請求
A7	TS	排程器相關統計計數器
A8	OC	輸出發送相關計數器

    根據FAST規範，上述資訊需要映射到一個32位的虛拟位址空間中。CPU上驅動通過通路這些虛拟位址對這些資訊進行管理。

三、CQF-UDO對标準CQF整型處理的簡化

    CQF-UDO子產品實作的CQF功能隻是标準CQF的一個子集或是簡化的實驗版本，主要

1. 簡化包括：簡化的入隊流控機制，使用簡單的令牌桶（B，r，L三個參數）實作代替802.1Q-2014規範定義的基于信用的整形器（10個參數）的功能；

2. 使用4個輸出隊列代替标準的8個輸出隊列，是以隻支援一個優先級的時間敏感流量，一個優先級的預約帶寬流量以及一個優先級的BE流量。使用4個輸出隊列代替标準的8個輸出隊列，是以隻支援一個優先級的時間敏感流量，一個優先級的預約帶寬流量以及一個優先級的BE流量。

       盡管存在上述簡化，CQF-UDO仍可以對TSN網絡中CQF整型機制進行驗證，實作确定性的傳輸延時保證。關于分組緩沖區PB的大小評估額設定，隊列長度設定以及緩沖區管理算法将在後續文章中給出。