CN114500581B - 一种等延迟的分布式缓存以太网mac架构的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，其中，该方法包括：基于分布式缓存思想，将传统的适配VOQ缓存中用于撤销反压时保证链路不发生断流的缓存部分拆解融入现有的各个下游功能子模块，结合逐点反压调度，实现每个寄存器的步进式调度，搭配模块化可增删的BR抢占子模块，实现TSN网络等应用场景要求的低延迟与低抖动，从而实现调度延迟的确定性与一致性。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法。
背景技术
传统以太网技术重在解决物理介质冲突，保证端口带宽，为用户提供高质量服务，极大地助力了通讯、IT等行业的发展；然而随着技术的不断发展，在很多新兴的应用场景中，如工业以太网、物联网、智能驾驶、TSN(Time Sensitive Network，时间敏感网络)等，传统以太网传输延迟不确定性这一不足日益突出。设计具有高度传输确定性的以太网，从而实现对目标设备的精准控制，已成为当下必须解决的问题。
以太网MAC(Media Access Control，介质访问控制层)是连接用户业务数据与物理链路的通道，其流量模型如图1所示，从上到下可划分为5层：第1层连接用户侧业务流量，其瞬时带宽通常大于实际端口流量，以提供必要的加速比；第2层为业务适配逻辑，通常包含缓存适配、位宽转换、CDC(Clock Domain Crossing，跨时钟域)等操作；第3层为MAC组帧层，完成以太报文封装，包括前导码插入、CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)计算、IPG(Inter Packet Gap，封包间隙)的动态维护；第4层为物理适配逻辑，将组帧后的报文切分为适当粒度的码块，完成位宽转换，同时在该层下缘口完成物理链路带宽的响应；第5层连接物理链路流量，通常为各速率对应的MII(Media Independent Interface，介质无关接口)。
传统的以太网MAC重在实现带宽性能，整个数据流通常采用的是“推-拉”结构，用户流量被“推入”第2层业务适配缓存，随后自第4层物理适配缓存中“拉出”。其调度效果如图2所示，一个包内的调度可能包含非均匀调度区与均匀调度区两部分，由于数据是以一定加速比被“推入”缓存并堆积其中等待调度，每个报文的调度延迟很难保持一致。
为了实现调度延迟的确定性与一致性，需要对传统以太网MAC架构做适当的修改。本发明提供了一种新型的以太网MAC设计架构，采用分布式缓存结合逐点反压架构，搭配可增删的BR抢占子模块，实现链路的等延迟调度。
发明内容
为了实现以太网MAC调度延迟的确定性与一致性，本发明提供了一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，基于分布式缓存思想，将传统的适配VOQ缓存中用于撤销反压时保证链路不发生断流的缓存部分拆解融入现有的各个下游功能子模块，结合逐点反压调度，实现每个寄存器的步进式调度，搭配模块化可增删的BR抢占子模块，实现TSN网络等应用场景要求的低延迟与低抖动，从而实现调度延迟的确定性与一致性。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。
在本发明实施例中，提出了一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，该方法包括如下步骤：
S1用户输入数据通过多端口共享总线进入VOQ，VOQ缓存拆分为VOQ_Space0和VOQ_Space1；VOQ_Space0吸收上级链路流水；
S2 VOQ_Space1从VOQ_Space0中调取报文，完成FWFT(First Word Fall Through，首拍自动读取)逻辑转换以及BR抢占操作，基于Frag分片完成组帧，并最终适配到对应的MII接口速率，从而实现调度延迟的确定性与一致性。
进一步的，所述VOQ_Space1为分布式缓存，由VOQ_Space0与MII之间的所有寄存器、缓存构成；所述VOQ_Space1划分为逻辑块BR_Preempt和MAC Unit。
进一步的，所述BR_Preempt完成FWFT逻辑转换以及BR抢占操作；所述MAC Unit接收BR抢占后的数据，基于Frag分片完成组帧，并最终适配到对应的MII接口速率。
进一步的，所述BR_Preempt由FWFT_Change和Preempt_Logic构成；所述Preempt_Logic通过设置调度门控开启时间为最大链路延迟，保证所有报文的调度延迟相同。
进一步的，通过额外增加很少的缓存资源，Preempt_Logic模块及与之适配的FWFT_Change模块，支持802.3BR抢占功能，可进一步减少高优先级报文在MAC内的调度延迟，同时产生更小的抖动。
进一步的，所述MAC Unit中的MAC组帧层各功能子模块采用通用化设计，适配各种以太网速率。
进一步的，所述VOQ_Space1采用模块化设计，可以灵活增删对多端口、BR抢占，以及高低优先级业务的支持。
可选的，通过搭配模块化可增删的BR抢占子模块，实现TSN网络等应用场景要求的低延迟与低抖动。
可选的，通过移除模块化可增删的BR抢占子模块，提供了一种不支持BR场景下的通用MAC方案。
可选的，移除多端口支持单元，提供了一种简化的单端口MAC方案。
在本发明实施例中，还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现前述特殊终端的接入方法。
在本发明实施例中，还提出了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有执行特殊终端的接入方法的计算机程序。
本发明的有益效果在于，针对现有的通信系统中存在的问题，提供一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，实现TSN网络等应用场景要求的低延迟与低抖动，从而实现调度延迟的确定性与一致性。
1、基于分布式缓存思想，将业务适配逻辑层的VOQ缓存拆分为两个部分：VOQ_Space0为起反压时吸收链路流水的部分，VOQ_Space1为撤销反压时保证链路不发生断流的缓存部分，两者通常各占据VOQ缓存的一半。本发明将VOQ_Space1拆解融入现有的各个下游功能子模块，从而节省了约50％的VOQ缓存资源。
2、本发明的发送侧所有寄存器逐点响应反压，调度结构为自下而上“拉”的结构，数据流在MAC内部步进式前进，从而实现链路延迟可控。
3、通过额外增加很少的缓存资源，Preempt_Logic模块及与之适配的FWFT_Change模块，支持802.3BR抢占功能，可进一步减少高优先级报文在MAC内的调度延迟，同时产生更小的抖动。采用模块化设计，可以灵活增删对多端口、BR抢占，以及高低优先级业务的支持。
4、MAC组帧层各功能子模块采用通用化设计，不与特定速率绑定，可以向下兼容各种以太网速率，同时支持向上扩展支持更高速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为以太网MAC流量模型的层次示意图；
图2为传统以太网MAC业务适配逻辑的调度示意图；
图3为本发明新型以太MAC架构处理流程图；
图4为本发明实施例一的业务适配逻辑的调度示意图；
图5为本发明实施例一的接收侧的流程示意图；
图6为本发明实施例一的发送侧的流程示意图；
图7为本发明实施例一的移除BR_Preempt模块的实施流程示意图；
图8为本发明实施例一的移除多端口的实施流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。以下实施用例仅用于更加清楚地说明本发明的系统方法及技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
根据本发明的实施方式，提出了一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，基于分布式缓存思想，将传统的适配VOQ缓存中用于撤销反压时保证链路不发生断流的缓存部分拆解融入现有的各个下游功能子模块，结合逐点反压调度，实现每个寄存器的步进式调度，搭配模块化可增删的BR抢占子模块，实现TSN网络等应用场景要求的低延迟与低抖动，从而实现调度延迟的确定性与一致性。
下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
图3是一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法的处理流程示意图。如图3所示，该方法包括如下步骤：
S1用户输入数据通过多端口共享总线进入VOQ，VOQ缓存拆分为VOQ_Space0和VOQ_Space1；VOQ_Space0吸收上级链路流水；
S2 VOQ_Space1从VOQ_Space0中调取报文，完成FWFT逻辑转换以及BR抢占操作，基于Frag分片完成组帧，并最终适配到对应的MII接口速率，从而实现调度延迟的确定性与一致性。
本优选实施用例中，所述VOQ_Space1为分布式缓存，由VOQ_Space0与MII之间的所有寄存器、缓存构成；所述VOQ_Space1划分为逻辑块BR_Preempt和MAC Unit。
本优选实施用例中，所述BR_Preempt完成FWFT逻辑转换以及BR抢占(IEEE802.3BR)操作；所述MAC Unit接收BR抢占后的数据，基于Frag分片完成组帧，并最终适配到对应的MII接口速率。
本优选实施用例中，所述BR_Preempt由FWFT_Change和Preempt_Logic构成；所述Preempt_Logic通过设置调度门控开启时间为最大链路延迟，保证所有报文的调度延迟相同。
本优选实施用例中，通过额外增加很少的缓存资源，Preempt_Logic模块及与之适配的FWFT_Change模块，支持802.3BR抢占功能，可进一步减少高优先级报文在MAC内的调度延迟，同时产生更小的抖动。
本优选实施用例中，所述VOQ_Space1采用模块化设计，可以灵活增删对多端口、BR抢占，以及高低优先级业务的支持。
本优选实施用例中，所述MAC Unit中的MAC组帧层各功能子模块采用通用化设计，适配各种以太网速率。
具体实施时，不与特定速率绑定，可以向下兼容各种以太网速率，同时支持向上扩展支持更高速率。
具体实施时，可以通过搭配模块化可增删的BR抢占子模块，实现TSN网络等应用场景要求的低延迟与低抖动；
具体实施时，可以通过移除模块化可增删的BR抢占子模块，提供了一种不支持BR场景下的通用MAC方案。
具体实施时，可以通过移除多端口支持单元，提供了一种简化的单端口MAC方案。
需要说明的是，尽管在上述实施例及附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
为了对上述一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法进行更为清楚的解释，下面结合一个具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。
实施例一：
一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法流程示意图如图6所示。具体实施步骤如下：
步骤1：如图6所示，用户输入数据通过多端口共享总线进入VOQ(Virtual OutputQueue，虚拟输出队列)；
该处VOQ缓存仅需吸收上级链路流水(记为VOQ_Space0)，不需要集中设置常规VOQ中分队列独占以保证数据不断流的缓存部分(记为VOQ_Space1)。VOQ出口基于端口将数据解复用，每个端口支持e、p两个优先级队列，其中e队列为高优先级，可打断p队列的传输，保证本队列优先发送。最终实现的第2层业务适配逻辑调度效果如图4所示，其特点是包内调度均匀，包间调度可控。
发送侧采用图1所示的5层流量模型结构，传输方向自上而下，但做适当修改。第1层连接用户侧业务流量，其瞬时带宽大于实际端口流量，以提供必要的加速比；第2层为业务适配逻辑，包含适配缓存、位宽转换、CDC处理等操作；第3层为MAC组帧层，完成以太报文封装，包括前导码插入、CRC计算、IPG的动态维护；第4层为物理适配逻辑，将组帧后的报文切分为适当粒度的码块，完成位宽转换；第5层连接物理链路流量，包含各速率对应的MII接口；所有层次逐点响应反压。
接收侧总体上仍然采用图1所示的流量模型结构，传输方向自下而上。具体流程如图5所示：数据从MII接口进入，首先经过Input_Width_Adapter模块转换为当前速率下MAC设计的主位宽；随后在Character_Remove模块剥除前导码、S码、T码、IDLE码块；之后进入CRC_Check模块完成CRC的检验与剥除；Pkt_Filter模块根据用户需求过滤特定报文，随后由Data_Concatenate模块将数据拼接转换为更大位宽的业务报文。若有多端口需求，可由Multi_Port_Aggregate模块完成多路数据的汇聚，最终输出给用户。由于上层满限速大于下层，数据流水处理即可，不需要设计流控机制。
步骤2：VOQ_Space1为分布式缓存，由VOQ_Space0与MII之间的所有寄存器、缓存构成，总体上划分为两部分逻辑块：BR_Preempt完成FWFT逻辑转换，以及BR抢占操作；MACUnit接收BR抢占后的数据，基于Frag分片完成组帧，并最终适配到对应的MII接口速率。所有寄存器、缓存逐点响应反压，数据在其中步进式地调度。具体实施细节如下：
1、如图6所示，FWFT_Change为BR_Preempt的子集，基于e、p队列从VOQ_Space0中调取报文，完成FWFT调度逻辑的转换，由于VOQ读取存在延迟，该处缓存需吸收延迟抵达的链路数据。
2、Preempt_Logic基于802.3BR协议将p队列报文打断，保证e队列高优先级报文的低延迟以及确定的抖动，通过设置调度门控开启时间为最大链路延迟，可保证所有报文的调度延迟相同。
3、Prio_Data_Mux将e、p两个队列经BR抢占的数据合并为一路，后级模块基于BRFrag分片完成以太报文的组帧。
4、Width_Split将BR Frag分片进一步分割为更小位宽的多拍数据；随后Pkt_Filter完成必要的包长控制以及报文过滤；CRC_Calcu完成CRC/mCRC的计算；最终由Frame_Gen将前导、数据、CRC、IPG组装成以太帧格式。其中，Frame_Gen的各子功能模块设计成通用模块，可向上向下兼容。
5、Output_Width_Adapter将组帧后的报文转换为对应速率的MII形式并最终输出。
具体实施时，如图7所示，新型以太网MAC架构的另一实施用例，该实施例移除了BR_Preempt模块，不支持802.3BR功能，仍然采用分布式缓存结合逐点反压结构，支持多个物理端口，相较于传统以太网MAC仍具备节省缓存、延迟稳定的优点，可作为一种通用的以太网MAC结构。
具体实施时，如图8所示，为本发明的新型以太网MAC架构的另一实施用例，该实施例移除了多端口支持，仍然采用分布式缓存结合逐点反压结构，支持802.3BR功能，相较于传统以太网MAC仍具备节省缓存、延迟稳定的优点，可适配TSN网络。
本发明的有益效果在于，针对现有的通信系统中存在的问题，提供一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，实现TSN网络等应用场景要求的低延迟与低抖动，从而实现调度延迟的确定性与一致性。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施用例做了详细的说明与描述，以上实施用例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、用户输入数据通过多端口共享总线进入VOQ，VOQ缓存拆分为VOQ_Space0和VOQ_Space1；VOQ_Space0吸收上级链路流水；所述VOQ_Space1为分布式缓存，由VOQ_Space0与MII之间的所有寄存器、缓存构成；所述VOQ_Space1划分为逻辑块BR_Preempt和MAC Unit；BR_Preempt由FWFT_Change和Preempt_Logic构成；Preempt_Logic通过设置调度门控开启时间为最大链路延迟，保证所有报文的调度延迟相同；
S2、VOQ_Space1从VOQ_Space0中调取报文，BR_Preempt完成FWFT逻辑转换以及BR抢占操作，MAC Unit接收BR抢占后的数据，基于Frag分片完成组帧，并最终适配到对应的MII接口速率，从而实现调度延迟的确定性与一致性。
2.根据权利要求1所述的等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，其特征在于：通过额外增加很少的缓存资源，Preempt_Logic模块及与之适配的FWFT_Change模块，支持802.3BR抢占功能，可进一步减少高优先级报文在MAC内的调度延迟，同时产生更小的抖动。
3.根据权利要求1所述的等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，其特征在于：所述MAC Unit中的MAC组帧层各功能子模块采用通用化设计，适配多种以太网速率。
4.根据权利要求1所述的等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，其特征在于：所述VOQ_Space1采用模块化设计，灵活增删对多端口、BR抢占，以及高低优先级业务的支持。
5.根据权利要求1所述的等延迟的分布式缓存以太网MAC架构的实现方法，其特征在于：通过搭配模块化可增删的BR抢占子模块，实现TSN网络等应用场景要求的低延迟与低抖动。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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