基于网络演算的AVB网络流量接纳准则研究

刘艳萍 赵洋 王艳明

摘要 针对AVB网络中的流量整形机制，考虑在网络演算方法的基础上，对其进行流量接纳准则的分析。将AVB流预留协议约定的两类优先级扩展为三类优先级;结合信用量整形机制的信用量消耗规则，实现高、中、低三类优先级流量的服务曲线计算，并完成各类流量端到端传输实时性的分析;依据于端到端传输延时的变化，提出AVB流量接纳准则。基于该流量接纳准则，分别分析接纳高、中、低优先级流量时已有流量产生的延迟变化量，结果表明：所提出的流量接纳准则适用于AVB网络，具有保障流量传输稳定性的作用。

关 键 词 AVB网络;流量整形算法;流量接纳;网络演算;端到端延迟

Abstract Focused on flow shaping mechanism in AVB network， the method for flow acceptance is analyzed based on the theory of network calculus. The existed two classes of priority defined in AVB flow reservation protocol are extended into three kinds. Combined with the rule of credit consumption in AVB， the service curves for the high， middle and low priority flows are calculated， and the real-time performance of all kinds of flows are analyzed. According to the change of the end-to-end transmission delay， AVB flow acceptance rule is proposed. Based on the acceptance rule， the delay variation caused by accepting new flow with the high， middle and low priority are analyzed respectively. The results show that the proposed flow acceptance rule is suitable to AVB network and ensures the transmission stability for different priority flows.

Key words AVB; credit-based shaping; flow acceptance; network calculus; end-to-end delay

0 引言

以太網音视频桥接（Audio Video Bridger，AVB）网络作为新一代音频/视频等多媒体应用实时传输网络极具发展潜力，被考虑用于车载、剧院等通信场景，以及航空电子等嵌入式系统平台，具有实时传输的确定性和稳定性。AVB网络由多项IEEE标准进行定义[1]：1）IEEE 802.1AS，高精度的时钟同步协议，能为网络提供时钟精度为1 μs的同步服务[2];2）IEEE 802.1Qat，流预留协议[3]，为音/视频流量在传输路径上预留所需带宽;3）IEEE 802.1Qav，转发及队列算法[4]，为音视频流在传输路径中经过不同端口输出时制定具体的调度策略和调度算法，以保证音视频流量传输的稳定性。

关于AVB实时性能方面的研究可以分为网络演算法和仿真法。基于网络演算法，文献[5]将AVB的信用量的流量整形算法（Credit-Based Shaping，CBS）在两个优先级的情况下与AFDX的交换机队列协议FIFO、WPQ等进行对比。文献[6-7]对其进行发展，计算了AVB网络的流量到达、服务曲线以及延迟上界。文献[8]进一步研究了在最坏情况下的网络延迟特性。文献[9]在帧模型下对AVB网络流量整形进行端到端延迟计算。基于建模仿真，文献[10]构建了时间触发机制，对比AVB网络同步和异步流量的延迟性能，研究结果表明引入时间触发机制后，AVB网络的性能能够得到进一步增强。文献[11]进一步考虑了时钟同步方式，以及时钟同步失败后的AVB网络性能。文献[12]分析了将AVB流量和TTE流量结合的网络工作情况。

在这些研究工作中，可以看出：AVB的传输实时性与网络配置参数及流量传输情况紧密相关，虽然802.1Qat为流量带宽预留提供了一个基本计算方法，但缺乏对消息端到端延时的预估机制和预估能力。同时考虑在AVB实际组网过程中，往往需要通过增量设计来满足系统功能集成，并由此带来流量变化，需要有一套方法可以从消息端到端的确定性保障方面实施流量的接纳控制，以满足系统设计的要求。

本文从网络演算的角度讨论AVB网络流量的接纳准则，首先对AVB网络流控机制进行归纳，然后分析网络流量的端到端实时性;在其基础上，建立具有确定性保证机制的流量接纳方法，最后通过典型案例对本文方法进行讨论。

1 AVB流控机制

AVB是为了解决音视频流量在以太网中的传输实时性，通过采用带宽保障、延迟限制和精确时钟同步等机制，在保持完全兼容现有以太网体系IEEE802.3的基础上，进行实时性扩展，以提供7跳范围内A类高优先级流量传输延时不超过2 ms，B类高优先级流量传输延时不超过50 ms的服务质量，以保证稳定的实时音/视频的传输[13]。

1.1 流预留机制

AVB通过定义流预留（Stream Reservation Protocol，SRP）协议，解决实时音视频消息和异步BE消息的竞争排队。SRP通过在音视频流量的传输路径上采用协商机制，提前保留出流量传输所需带宽，如果交换端口带宽允许，则建立音视频流连接，否则连接建立失败，以保障音视频流的服务质量，并保障消息流的传输延时。

SRP协议定义的实时AV流分两类：A 类（SR_A）和B 类（SR_A），流量的周期或帧率（Frame Rate，FR）分别为：125 μs和250 μs，A类流量具有网络传输的最高优先级，B类流量次之。

为预留AV流量所需的带宽资源，SRP采用IEEE 802.1ak 多注册协议（Multiple Registration Protocol，MRP）在交换路径上传递协商消息。基于SRP协议标准的交换机最大可将网络端口带宽的75%用于SR类流量，剩余的最少25%的带宽资源则留给传统以太网BE流量传输。在SRP协议中，Talker为实时音视频流量的源，Listener则为实时音视频流量的接听者，SRP协议允许多播传输。

SRP协议实施分为两步：分别为注册和预留。首先Talker发出音视频流量的广播信息，各交换机端口对该流量的总带宽进行分析计算，预留所需资源，Listener收到流量的广播消息后，返回接收该数据流的注册消息，当从Talker到Listener（可能不止一个）的交换网络中存在满足协商和预留条件的交换路径，Talker即可向Listener传輸实时的音视频流量。当Listener不再接听时，则发出流量取消注册的信息，取消占用的链路带宽，如图1展示了SRP协议的工作流程。SRP通过以上动态注册的过程，并采用状态机动态记录网络拓扑、节点的状态，使得音视频流量的传输与否（注册和取消注册）不会影响到网络消息的基本传输。

1.2 信用量整形机制

AVB网络对高优先级SR_A类和SR_B类流量均设置了基于信用量的流量整形算法（Credit-Based Shaping，CBS），每类消息关联一个信用量模型，SR类消息只能够在信用量的值不小于0的时候才能够实现调度输出，当关联的信用量值小于0时，排队队列里的AVB数据包均不能够转发传输，直到关联的信用量恢复到0为止。

信用量整形的计算关系到两个方面，一方面为信用量增加的速率，定义为idleSlope，idleSlope的值通过SRP协议协商配置或者用户自配置的方式得到，idleSlope的值应不小于相应优先级流量的持续带宽和，即有最小值为

信用量整形CBS队列转发协议采用基于信用量的方式，其信用量的计算规则以及转发方式，如图2所示，规则如下：

1）如果队列信用量的值大于0，但此时队列中没有AVB数据帧传输，信用量的值直接设置为0，并保持;

2）在AVB消息帧传输期间，信用量的值以sendSlope的速率减小;

3）如果信用量的值为负，信用量的值以idleSlope的速率增加;

4）如果有AVB数据帧在队列里排队，但由于有别的流量正在占用端口输出导致AVB数据帧不能够传输，信用量的值将以idleSlope的速率增加，在这种情况下，信用量的值可以超过0。

5）仅当信用量大于等于0的时候，允许AVB数据帧按照优先级别获得传输。

2 AVB时间确定性分析

2.1 信用量消耗计算模型

考虑到一般嵌入式应用中两级优先级服务的不足，本文将AVB的SR服务级别扩展到3类，如图4所示。与此对应，网络时敏消息的优先级也由两级扩展为高（High）、中（Medium）、低（Low）3个优先级（简记为H、M、L）。为了与一般消息调度规则相兼容，对于高、中优先级消息的队列将使用CBS调度策略，低优先级消息使用普通FIFO队列，CBS队列的信用量增加速率idleSlope通过设计者配置得到。

考察基于信用量整形队列的信用量计算方式，可得到[Δt]时间内信用量值的变化量和优先级流量的输出曲线，以及队列idleSlope之间的关系。

2.2 高优先级流量分析

根据图3所示，高优先级流量采用的是CBS队列，设该队列的信用量增加速率idleSlope值为idSlH，减小速率sendSlope值为sdSlH。则高优先级队列信用量的范围为

因为当且仅当creditH ≥ 0时，消息允许传输，且有信用量creditH仅在消息数据帧传输的时候以sdSlH的值减小。故creditH的最小值发生在creditH=0，且有一最大帧长的数据包传输完成的时刻。而creditH仅在队列中存在高优先级流量，且当前端口正处于繁忙时期（正传输中、低优先级流量），以idSlH的值增加。故creditH的最大值发生中低优先级最大帧长数据包传输完成的时刻，由此可得式（4）。

2.3 中优先级流量分析

2.3 低优先级流量分析

依据图3所示，低优先级流量采用的排队队列为FIFO队列，根据网络演算基本原理，端口对低优先级流量的服务，受限于端口的总服务曲线和端口对于高、中优先级流量的服务，可取为端口总的服务曲线减去高、中优先级流量的到达曲线，即可得到低优先级流量的服务曲线，如下所示：

3 AVB流量接纳准则

3.1 流量接纳步骤

在优先级扩展后的AVB网络中，可以依据时间确定性分析结果，实施流量的接纳准则设计，保证网络流量传输的稳定性。

1）[Vnew]为低优先级流量，直接接纳进入网络，进入步骤4;

2）[Vnew]为高、中（H、M）优先级流量，遍历该[Vnew]经过的所有的端口，并计算这类端口所有与[VLnew]优先级（H/M）相等的流量的持续带宽之和

由于低优先级流量映射低关键性系统消息，通常为尽力传输消息，这类流量的实时性对网络的整体性能影响不大。下面将主要考虑高、中优先级消息在流量V实时接纳中的延时上界变化情况。为便于分析，将端口技术延时[Tswi]的值均设为0。

3.2 接纳高优先级流量

3.3 接纳中优先级流量

3.4 接纳低优先级流量

4 案例研究

4.1 案例配置参数

考虑如图4所示案例。物理链路的传输速率设为10 M。分别加入[Vnew1]和[Vnew2]进行前后延迟对比，[Vnew1]和[Vnew2]分别代表高优先级和中优先级的新流量，将主要分析网络动态接入流量后延迟变化情况。流量属性配置如表1所示。

4.2 流量接纳判断

可见，高优先级[Vnew1]和中优先级[Vnew2]均满足网络流量动态接纳算法，能够实时接入AVB网络中。

依据第3节的方法对流量接纳前后的延迟情况进行计算，结果如表2所示。

从表2可以看出，所有流量的端到端最坏延迟均在截止期限以内。

因此，AVB网络通过对高、中优先级流量进行队列限流整形，在保障高优先级流量传输延迟的基础上，以牺牲其部分延迟为代价，保障了中低优先级流量的端到端传输延迟，通过维持流量的传输带宽使网络在流量动态接纳的网络中更加稳定。

5 结论

本文以AVB网络接纳准则为研究对象，从网络演算角度研究满足确定性要求的流量接纳方法。本文首先把AVB网络流量优先级扩展为三类优先级，以弥补一般嵌入式应用服务的不足。在此基础上，通过时间确定性的分析得到三组服务曲线，并依据该结果制定相应的流量接纳准则。在三类优先级调度模式下，当接纳高、中优先级流量时，若接纳后的高（中）优先级流量持续流量和小于设置的idleSlopeH（idleSlopeM），则满足接纳准则，允许流量接入网络。在网络规划时已设定idleSlopeH和idleSlopeM的情况下，针对中优先级流量的延迟上界，当增加一个高优先级流量时，流量接纳控制过程中延时变化不超过单个消息包最大包长的变化程度;针对高优先级流量延迟上界，增加一条中优先级流量时，高优先级流量的延迟上界受增加的中优先级流量的最大包长影响;当动态接纳低优先级流量时，网络中高、中优先级流量实时性所受影响可忽略不计。案例结果表明，基于网络演算制定的AVB流量接纳准则，可以使网絡在动态接纳新流量时使消息传输更稳定。

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