車(chē)載以太網(wǎng)交換機(jī)入門(mén)基本功（4）—優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)與VLAN測(cè)試

在《車(chē)載以太網(wǎng)交換機(jī)入門(mén)基本功（3）》介紹了交換機(jī)端口屬性和實(shí)際的VLAN轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程。但是，當(dāng)存在多個(gè)待轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文時(shí)，既要考慮到報(bào)文的及時(shí)性，又要考慮到轉(zhuǎn)發(fā)效率，因此，如何進(jìn)行有效調(diào)度就成了重要問(wèn)題。一個(gè)解決辦法是進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)。

優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)

優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)包括報(bào)文PCP字段和交換機(jī)隊(duì)列兩個(gè)部分。報(bào)文PCP字段可以回顧《交換機(jī)入門(mén)基本功-2》，如圖 1所示：

圖 1 攜帶VLAN的MAC報(bào)文格式

PCP優(yōu)先級(jí)長(zhǎng)度為3bit，取值在0-7之間共八個(gè)取值。通常來(lái)說(shuō)值越大則優(yōu)先級(jí)越高，越快被轉(zhuǎn)發(fā)。由于以太網(wǎng)是串行通信，所以當(dāng)不同優(yōu)先級(jí)的報(bào)文發(fā)送到交換機(jī)端口上時(shí)，需要“排隊(duì)出門(mén)”。

在交換機(jī)端口上存在多個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列也存在優(yōu)先級(jí)之分，值越大則優(yōu)先級(jí)越高，越快被轉(zhuǎn)發(fā)。PCP優(yōu)先級(jí)和隊(duì)列優(yōu)先級(jí)不是一一對(duì)應(yīng)的，存在映射關(guān)系。如圖 2所示，左側(cè)第一列是PCP優(yōu)先級(jí)（從0-7），第一行是端口的隊(duì)列個(gè)數(shù)（從1-8），根據(jù)隊(duì)列個(gè)數(shù)進(jìn)行映射。

圖 2 PCP優(yōu)先級(jí)和隊(duì)列優(yōu)先級(jí)映射表

以端口包含4個(gè)隊(duì)列為例：PCP=0和1映射到隊(duì)列優(yōu)先級(jí)0，PCP=2和3映射到隊(duì)列優(yōu)先級(jí)1，PCP=4和5映射到隊(duì)列優(yōu)先級(jí)2，PCP=6和7映射到隊(duì)列優(yōu)先級(jí)3。映射完成后，隊(duì)列優(yōu)先級(jí)3的報(bào)文較快轉(zhuǎn)發(fā)，而隊(duì)列優(yōu)先級(jí)0的報(bào)文較慢轉(zhuǎn)發(fā)。同一個(gè)隊(duì)列下的報(bào)文按照進(jìn)入隊(duì)列的早晚進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如圖 3所示：

圖 3 端口的隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)

考慮到轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)性和效率，可以針對(duì)性地設(shè)計(jì)隊(duì)列調(diào)度規(guī)則。這里介紹兩種常見(jiàn)的隊(duì)列調(diào)度機(jī)制：優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度（PQ, Priority Queuing）和加權(quán)循環(huán)調(diào)度（WRR, Weight Round Robin）。

• 優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度（PQ, Priority Queuing）

嚴(yán)格按照隊(duì)列優(yōu)先級(jí)大小進(jìn)行調(diào)度。只有高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的報(bào)文全部轉(zhuǎn)發(fā)完畢，低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的報(bào)文才會(huì)開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)。這種調(diào)度方式方便配置，對(duì)于低延時(shí)的數(shù)據(jù)非常有用，如音視頻數(shù)據(jù)等。但當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)過(guò)多時(shí)，會(huì)一直占用調(diào)度窗口，導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)“永無(wú)出頭之日”。低優(yōu)先級(jí)并不意味著不重要，如郵件不追求時(shí)效，但它很有可能包含諸如開(kāi)會(huì)時(shí)間的重要信息。另一種隊(duì)列調(diào)度機(jī)制可以有效緩解這一問(wèn)題。

• 加權(quán)循環(huán)調(diào)度（WRR, Weight Round Robin）

不同隊(duì)列給予不同的初始權(quán)值，每次調(diào)度時(shí)，權(quán)值不為0的隊(duì)列都調(diào)度一次；每調(diào)度一輪則權(quán)值減1，權(quán)值減到0的隊(duì)列不參與調(diào)度；當(dāng)所有隊(duì)列的權(quán)值均減到0時(shí)，重置隊(duì)列的權(quán)值，開(kāi)啟新一輪的調(diào)度。為了便于理解，假設(shè)有三個(gè)隊(duì)列A、B、C，權(quán)值分別是2、3、4，調(diào)度過(guò)程如圖 4所示：

- 第一、二次調(diào)度：ABC，隊(duì)列權(quán)值連續(xù)減1，A=0，B=1，C=2；

-第三次：A權(quán)值為0，不參與調(diào)度，實(shí)際調(diào)度B和C，隊(duì)列權(quán)值減1，A=0，B=0，C=1；

-第四次：A、B不參與調(diào)度，實(shí)際調(diào)度C，隊(duì)列權(quán)值減1，A=0，B=0，C=0；

-重置，A=2，B=3，C=4，重復(fù)上述過(guò)程。

圖 4 WRR隊(duì)列調(diào)度

WRR調(diào)度機(jī)制讓每個(gè)隊(duì)列都有調(diào)度機(jī)會(huì)，機(jī)會(huì)大小取決于權(quán)值大小。因此，低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的數(shù)據(jù)也能轉(zhuǎn)發(fā)。WRR機(jī)制會(huì)跳過(guò)空的隊(duì)列并切換到下個(gè)隊(duì)列，保證帶寬充分利用。

報(bào)文優(yōu)先級(jí)、交換機(jī)隊(duì)列和調(diào)度機(jī)制相配合，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)文的高效轉(zhuǎn)發(fā)，提高帶寬資源利用率。交換機(jī)芯片通過(guò)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上述功能，之后需要經(jīng)過(guò)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，才能真正派上用場(chǎng)。

TC11交換機(jī)芯片VLAN測(cè)試規(guī)范

在《交換機(jī)入門(mén)基本功（1）》提到，交換機(jī)芯片依據(jù)的是OPEN聯(lián)盟TC11工作小組制定的測(cè)試規(guī)范“Switch Semiconductor Test Specification”，其中VLAN測(cè)試包括八個(gè)部分：

在802.1Q配置測(cè)試部分，細(xì)分17個(gè)測(cè)試內(nèi)容，如表2所示，定義了入口、轉(zhuǎn)發(fā)、出口過(guò)程的配置情況：

在具體測(cè)試中，根據(jù)交換機(jī)功能選擇相應(yīng)測(cè)試用例，開(kāi)展測(cè)試。

總結(jié)

通過(guò)《交換機(jī)入門(mén)基本功》4篇文章了解到：交換機(jī)是基于以太網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信機(jī)制的背景下誕生的，包括學(xué)習(xí)、記憶、接收、查表、轉(zhuǎn)發(fā)的五個(gè)工作過(guò)程，具備端口過(guò)濾、鏡像、禁用/啟用、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了物理通信區(qū)域的隔離，即局域網(wǎng)，而VLAN則實(shí)現(xiàn)了邏輯區(qū)域的隔離。VLAN通過(guò)報(bào)文Tag、交換機(jī)端口屬性、交換機(jī)端口過(guò)濾功能得以實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)優(yōu)先級(jí)和隊(duì)列實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)的有效調(diào)度。為了驗(yàn)證交換機(jī)芯片的功能實(shí)現(xiàn)，需要參考OPEN聯(lián)盟的TC11交換機(jī)芯片測(cè)試規(guī)范，包括通用測(cè)試、地址解析、VLAN等9個(gè)方面，此外，實(shí)時(shí)更進(jìn)規(guī)范修改方案并與讀者分享。

感謝讀者們對(duì)本系列的支持！希望大家通過(guò)閱讀本文，可以對(duì)交換機(jī)形成整體的認(rèn)識(shí)，之后通過(guò)不斷學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)自我升級(jí)，成為一名資深的工程師！

經(jīng)緯恒潤(rùn)作為OPEN聯(lián)盟會(huì)員和AUTOSAR聯(lián)盟的高級(jí)合作伙伴，長(zhǎng)期為國(guó)內(nèi)外各大OEM和供應(yīng)商提供涵蓋TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和測(cè)試咨詢服務(wù)，積極研發(fā)和探索車(chē)載網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)和工程應(yīng)用。通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已建立了高質(zhì)量、本土化的設(shè)計(jì)與測(cè)試一體化解決方案，為整車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供可靠支持。