如何才能实现低时延敏感网络
作者：黄玉栋，北京邮电大学网络与交换国家重点实验室研一在读，研究方向为未来网络体系架构，确定性网络
什么是时延敏感网络
时延敏感网络（tsn, time sensitive network）是指能保证时延敏感流的服务质量，实现低时延、低抖动和零丢包率的网络。
时延敏感流可分为周期时延敏感流（pts, periodic time sensitive），比如工厂里的循环控制指令、同步信息，和非周期/零星时延敏感流(sts，sporadic time sensitive)，比如事件告警信息。
对于周期时延敏感流，一般采用同步的调度整形机制，即要求全网设备进行精准的纳秒级时钟同步，其最早的思想来自时间触发以太网（tte, time-triggered ethernet），当前研究的机制包括时间感知整形（tas）、循环排队转发（cqf）、基于信用整形（cbs）。
对于零星时延敏感流，一般采用异步的调度整形机制，即不需要全网时钟同步，当前的研究机制包括基于紧急度的调度（urgency-based scheduler，ubs）、帕特诺斯特机制（paternoster）和帧抢占（frame preemption）。
看到这么多机制和新名词，它们各自有什么作用，又有什么关联和区别，大脑已经反应不过来了对不对？没关系，忘掉以上名词，接下来小编将带领大家化繁为简、抽丝剥茧、拨云见日，直击时延敏感网络调度整形机制的本质。
什么是调度整形机制
调度整形机制是交换机中的两种服务质量保障机制，调度是指队列调度，一般实现在交换机的出端口，包含进入队列、根据调度算法选择发送队列、出队传输三个部分；整形是指流量整形，通过限制端口的转发速率从而防止交换机内部或下一跳出现拥塞。
由于异步调度整形机制无法保证包的最坏时延满足一定阈值，只能保证包的平均时延和同步方法相当，且时延抖动比较大，在网络拥塞的情况下时延敏感流很容易产生丢包，当前的异步机制并不成熟，为更好的阐明时延敏感网络的本质，后文主要先讨论使用同步机制传输周期时延敏感流（pts）的场景。
如何实现低时延、低抖动和零丢包率
那么时延敏感网络如何才能实现低时延呢？首先，网络的每跳时延可分为链路传播时延、交换机处理时延、出端口排队时延三部分，而端到端时延为逐跳时延求和。链路时延和处理时延基本为固定值，所以减少时延必须要减少排队时延，即时延敏感网络的本质就是不排队：先通过优先级队列将时延敏感流和尽力而为流隔开，再从时间上（划分时隙）或空间上（规划路由）将同样的时延敏感流隔开。
实现低时延后，包在交换机里的停留时间很短，包的累积不会超过队列缓冲区大小，从而实现零丢包率；同时，抖动是指时延的变化差值，低时延降低了最坏时延，让时延上界靠近时延下界，减小了时延的变化区间，从而也实现了低抖动。
pts的头号问题：配置时隙
传统的以太网采用“尽力而为”的转发，无法保证包的端到端最坏时延，时延敏感网络采用类似时分复用的方式，为每一个包配置时隙，保证其有足够的时间进行转发。以下总结三种基于时间的调度整形机制和一个时隙配置模型。
时间触发以太网（tte）：把时间戳打在包上，通过时间表控制包的发送，让每个包自己知道自己的发送时间，在发包侧就将各个包的发送时间隔开，严格保证时延抖动满足要求。
时间感知整形（tas）：利用优先级门控队列，即在优先级队列后加上门控开关，通过门控时间表控制门控开关的打开闭合来保证时延抖动要求。其可以阻断尽力而为流的持续转发，让高优先级的包得到稳定的间隔转发时间，同时pts流之间依然要将发包时间隔开，时延抖动保证效果才最好。比如每跳时延为t，共有n跳，则可保证端到端时延最大为nt。和tte相比，让优先级队列决定包何时被转发，降低了对发端的要求，同时时延抖动保证粒度也会弱一些。
循环排队转发（cqf）：把tas里只用一个最高优先级队列来接收时延敏感流，变为用奇偶两个队列循环接收，即所谓的乒乓队列。其可以用于解决流聚合问题，如果两个pts流同时到达了，必有一个pts要等待转发，循环排队转发可以保证等待的流只等待前一个pts流转发，即一个周期t，自己再转发一个周期t，假设共有n跳，则端到端时延可保证最大为2nt。
时隙配置模型：时隙的配置问题等同于二进制背包问题，是一个np-hard问题，时延敏感网络的流量调度和时隙配置架构流程如下图所示，首先需要确定合适的转发平面调度整形机制，然后中心化用户配置（cuc）采集各个发端的发包周期、包大小、流大小、对时延抖动的要求等信息，以及网络的拓扑信息，并将这些信息作为输入，放入时隙配置模型中；模型包含一系列的多项式约束条件，可采用整数线性规划（ilp）或可满足性模理论（smt）等方式进行建模，然后用解析器工具或者蚁群算法、模拟退火算法、遗传算法、禁忌搜索算法等启发式算法进行求解，最后输出为满足这些约束条件的一个时隙配置方案，并可采用离线静态或者在线增量式的方法进行配置下发。
pts的衍生问题：流聚合、流增量、流突发
流聚合：当拓扑复杂、拓扑不对称、存在多个分支节点时，得到毫无排队的时隙配置会非常困难，下游聚合节点会产生流聚合现象，导致pts流排队。cqf是一种解决流聚合的机制。
流增量：一般的配置方案是离线的静态配置方案，每次计算出方案可能需要花费数个小时，然后进行部署，当有新的设备加入网络时，需要考虑逐个的规划时延敏感流的时隙配置，同时保证已下发的配置不受影响。目前结合sdn进行时延敏感网络增量调度是一个比较火的方向，叫tssdn(time-sensitive software-defined network )。
流突发：当网络中有零星时延敏感流时，很有可能与周期时延敏感流的转发产生冲突，扰乱已有的时隙配置。混合时延敏感流调度是当前还没有解决的一个问题。
pts的共流问题：考虑混合流的qos和网络利用率
共流问题也叫做混合流问题，时延敏感网络的流量可以分为三类：时延敏感流（ts），速率限制流（rt）和尽力而为流（be）。其中时延敏感流已在第一节介绍；速率限制流是指专业音视频等有一定时延抖动要求，同时占用带宽大，需要进行速率限制的流量；尽力而为流是普通的可以随意转发的以太网流量。
优先级等级上，ts > rt > be，一般是转发完ts流后，剩余的时隙用来转发rt和be流，并设立保护带宽隔离三种流量。保证了pts流的服务质量后，从网络整体性能出发，还需要考虑保证rt和be流的服务质量，降低其丢包率，并尽量提高整个网络的带宽资源利用率。
pts的隐藏问题：时钟漂移、广域时钟同步、复杂度和扩展性
pts调度整形机制的实现都有一个大前提，那就是严格的全网时钟同步，但由于温度等原因，时钟会产生漂移，一次时隙没有对齐，就会导致包无法在预计的时刻被发送完，导致整个调度出现严重问题，只能重启设备。
同时，当前的时钟同步机制只能保证7跳以内大小的局域网内的时钟同步，如何实现广域的时钟同步，在更大的范围内实现时延抖动的保障，同时还要考虑实现的复杂度和实现成本，这些问题都有待讨论。
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时延敏感网络（tsn, time sensitive network）是指能保证时延敏感流的服务质量，实现低时延、低抖动和零丢包率的网络。
时延敏感流可分为周期时延敏感流（pts, periodic time sensitive），比如工厂里的循环控制指令、同步信息，和非周期/零星时延敏感流(sts，sporadic time sensitive)，比如事件告警信息。
对于周期时延敏感流，一般采用同步的调度整形机制，即要求全网设备进行精准的纳秒级时钟同步，其最早的思想来自时间触发以太网（tte, time-triggered ethernet），当前研究的机制包括时间感知整形（tas）、循环排队转发（cqf）、基于信用整形（cbs）。
对于零星时延敏感流，一般采用异步的调度整形机制，即不需要全网时钟同步，当前的研究机制包括基于紧急度的调度（urgency-based scheduler，ubs）、帕特诺斯特机制（paternoster）和帧抢占（frame preemption）。
看到这么多机制和新名词，它们各自有什么作用，又有什么关联和区别，大脑已经反应不过来了对不对？没关系，忘掉以上名词，接下来小编将带领大家化繁为简、抽丝剥茧、拨云见日，直击时延敏感网络调度整形机制的本质。
什么是调度整形机制
调度整形机制是交换机中的两种服务质量保障机制，调度是指队列调度，一般实现在交换机的出端口，包含进入队列、根据调度算法选择发送队列、出队传输三个部分；整形是指流量整形，通过限制端口的转发速率从而防止交换机内部或下一跳出现拥塞。
由于异步调度整形机制无法保证包的最坏时延满足一定阈值，只能保证包的平均时延和同步方法相当，且时延抖动比较大，在网络拥塞的情况下时延敏感流很容易产生丢包，当前的异步机制并不成熟，为更好的阐明时延敏感网络的本质，后文主要先讨论使用同步机制传输周期时延敏感流（pts）的场景。
如何实现低时延、低抖动和零丢包率
那么时延敏感网络如何才能实现低时延呢？首先，网络的每跳时延可分为链路传播时延、交换机处理时延、出端口排队时延三部分，而端到端时延为逐跳时延求和。链路时延和处理时延基本为固定值，所以减少时延必须要减少排队时延，即时延敏感网络的本质就是不排队：先通过优先级队列将时延敏感流和尽力而为流隔开，再从时间上（划分时隙）或空间上（规划路由）将同样的时延敏感流隔开。
实现低时延后，包在交换机里的停留时间很短，包的累积不会超过队列缓冲区大小，从而实现零丢包率；同时，抖动是指时延的变化差值，低时延降低了最坏时延，让时延上界靠近时延下界，减小了时延的变化区间，从而也实现了低抖动。
pts的头号问题：配置时隙
传统的以太网采用“尽力而为”的转发，无法保证包的端到端最坏时延，时延敏感网络采用类似时分复用的方式，为每一个包配置时隙，保证其有足够的时间进行转发。以下总结三种基于时间的调度整形机制和一个时隙配置模型。
时间触发以太网（tte）：把时间戳打在包上，通过时间表控制包的发送，让每个包自己知道自己的发送时间，在发包侧就将各个包的发送时间隔开，严格保证时延抖动满足要求。
时间感知整形（tas）：利用优先级门控队列，即在优先级队列后加上门控开关，通过门控时间表控制门控开关的打开闭合来保证时延抖动要求。其可以阻断尽力而为流的持续转发，让高优先级的包得到稳定的间隔转发时间，同时pts流之间依然要将发包时间隔开，时延抖动保证效果才最好。比如每跳时延为t，共有n跳，则可保证端到端时延最大为nt。和tte相比，让优先级队列决定包何时被转发，降低了对发端的要求，同时时延抖动保证粒度也会弱一些。
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同时，当前的时钟同步机制只能保证7跳以内大小的局域网内的时钟同步，如何实现广域的时钟同步，在更大的范围内实现时延抖动的保障，同时还要考虑实现的复杂度和实现成本，这些问题都有待讨论。
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