TSN幀搶占測試：為數據傳輸打造“綠色通道”

在復雜多變的汽車、工業(yè)控制等領域中，數據傳輸的時效性和確定性至關重要。在TAS或CQF等調度整形機制中，將不同優(yōu)先級業(yè)務映射到不同隊列中，使高優(yōu)先級業(yè)務在發(fā)送時不會受到低優(yōu)先級業(yè)務的干擾，從而保證工業(yè)控制業(yè)務等高優(yōu)先級業(yè)務的端到端低時延和確定性傳輸。

然而，高優(yōu)先級隊列的服務時間是有限的，需要周期性的“開”和“關”，從而使其他類型業(yè)務也能進行傳輸。一方面，如果高優(yōu)先級業(yè)務在隊列為“關”的狀態(tài)，則需要在隊列中等待，進而增加其等待時延；另一方面，在低優(yōu)先級隊列服務時間截止，而高優(yōu)先級隊列服務時間開啟的切換時刻，如果低優(yōu)先級隊列正好有數據幀發(fā)出，則為了保持高優(yōu)先級隊列業(yè)務數據發(fā)送時鏈路完全處于可用狀態(tài)，高優(yōu)先級隊列中的數據幀還要等待一定時間后才能發(fā)送，即低優(yōu)先級反轉的風險。

為了確保高優(yōu)先級業(yè)務能夠迅速、準確地到達目標，TSN（時間敏感網絡）幀搶占技術應運而生，它如同一條為數據傳輸打造的“綠色通道”，讓關鍵信息在擁堵的網絡中暢通無阻。

一、幀搶占技術的原理

幀搶占技術的工作原理就像是道路上的“應急車道”。在數據傳輸過程中，高優(yōu)先級的快速幀（Express Frame）能夠打斷正在發(fā)送的低優(yōu)先級可搶占幀（Preamble Frame），并在其傳輸完畢后，再繼續(xù)完成剩余可搶占幀切片的傳輸。

為了實現幀搶占功能，IEEE802.3br定義了新的MAC功能接口，即快速MAC（express MAC，eMAC）和可搶占MAC（preamble MAC，pMAC）。另外，IEEE802.3br還定義了新的進行中斷、分組和重組功能的MAC子層功能，即MAC合并子層（MAC Merge Sublayer）。

　　圖1 支持幀搶占的MAC子層模型

根據MAC接口的不同，定義了兩種數據幀：由eMAC處理的數據幀被稱為快速幀（Express Frame），代表高優(yōu)先級幀；而pMAC處理的數據幀被稱為可搶占幀（Preamble Frame）,代表低優(yōu)先級幀或普通幀。

在發(fā)送端，MAC合并子層負責可搶占幀多個分段的封裝、校驗、計數等功能，可搶占幀以一個或多個數據片段的形式傳送，多個可搶占幀數據片段間可能穿插快速幀，被快速幀中斷的多個可搶占幀數據片段在接收端的MAC合并子層進行重新組裝，并向上遞交完整的數據幀。幀搶占的操作只在數據鏈路層進行，MAC合并子層有效的屏蔽了向上層和物理層的相關操作，因此，并不會對其他層的協(xié)議造成影響。這樣一來，高優(yōu)先級業(yè)務就能在短時間內迅速完成傳輸，大大提高了數據傳輸的時效性和確定性。

二、幀搶占的數據分組格式

由于MAC合并子層具有對不同類型的業(yè)務流數據分組進行拆分和重組的功能，所以在IEEE802.3br中定義了MAC合并子層的數據分組格式，稱為mPacket，其可承載的數據如下：

①一個完整的快速幀；

②一個完整的可搶占幀；

③可搶占幀的初始數據片段；

④可搶占幀的連續(xù)數據片段；

與標準以太網幀格式不同，mPacket需要對快速幀和可搶占幀進行標記，并且需要對可搶占幀不同的數據片段進行標記。因此，IEEE802.3br定義了兩種類型的mPacket格式，分別為第一類mPacket格式和第二類mPacket格式。

　　圖2 支持幀搶占的數據分組格式類型

其中，第一類mPacket格式主要用于完整的快速幀、完整的可搶占幀或可搶占幀的初始數據片段。而第二類mPacket格式主要用于可搶占幀的連續(xù)數據片段。

三、幀搶占功能測試的必要性

在時間敏感網絡（TSN）中，幀搶占技術通過允許高優(yōu)先級業(yè)務中斷低優(yōu)先級業(yè)務的傳輸，為關鍵數據（如工業(yè)控制、車聯網等場景）提供了低時延、高確定性的傳輸保障。然而，這一機制的高效運行依賴于設備對協(xié)議標準的嚴格遵循及對復雜網絡環(huán)境的可靠適應能力。因此，幀搶占功能測試至關重要。

首先，測試能夠驗證設備是否準確實現IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br標準要求的功能，例如高優(yōu)先級幀的即時搶占、低優(yōu)先級幀的切片與重組，確�？鐝S商設備的互操作性和協(xié)議兼容性。

其次，通過模擬網絡擁塞、數據分片丟失或校驗錯誤等異常場景，測試可評估設備在故障條件下的容錯能力，例如檢測到錯誤mCRC時能否正確丟棄無效數據片段，從而避免低優(yōu)先級數據干擾高優(yōu)先級業(yè)務的傳輸。

此外，測試還能量化設備在實時性、帶寬利用率及優(yōu)先級調度效率等維度的性能表現，為優(yōu)化網絡配置提供數據支撐。例如，借助信而泰TSN網絡測試儀，研發(fā)人員可精準分析設備在混合流量下的切片與重組效率，診斷潛在瓶頸，確保其在復雜工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性。

綜上所述，幀搶占功能測試不僅是技術落地的必要驗證環(huán)節(jié)，更是提升網絡確定性、保障關鍵業(yè)務服務質量的核心手段。

四、幀搶占功能測試方法

幀搶占功能測試典型的測試拓撲為兩種，分別是幀搶占切片能力測試和切片合成能力測試。

　　圖3 幀搶占協(xié)議切片能力測試拓撲示意圖

如圖3所示，本測試場景主要聚焦于驗證DUT的MAC子層中斷與分片能力。測試通過構造快速幀與可搶占幀并行傳輸模型，由測試儀同時發(fā)送快速幀和可搶占幀至被測交換機，DUT需基于IEEE 802.3br標準，通過可搶占MAC（pMAC）將低優(yōu)先級幀分片，允許高優(yōu)先級快速幀搶占鏈路。接收端統(tǒng)計Port Qbu數據可觀測可搶占幀的分片轉發(fā)情況，同時通過捕獲報文分析分片格式（如SMD標記、分段計數器等），確保DUT能夠動態(tài)中斷可搶占幀并插入快速幀，且分片標記與協(xié)議要求一致，從而驗證協(xié)議兼容性與分片機制的有效性。

　　圖4 幀搶占協(xié)議切片合成能力測試拓撲示意圖

如圖4所示，本測試場景旨在驗證DUT的MAC合并子層重組能力。測試通過構造快速幀與可搶占幀混合傳輸模型，由測試儀將混合流量發(fā)送至被測交換機，DUT需根據mPacket標記（如SMD-S0/S1等初始片段與SMD-C0/C1等連續(xù)片段）對可搶占幀分片進行識別與重組，恢復完整數據幀。接收端通過統(tǒng)計合法恢復報文數量及捕獲重組后的可搶占幀，確認DUT的協(xié)議遵循性。

五、TSN網絡測試儀參考配置

1、幀搶占協(xié)議切片能力測試

測試儀通過兩個測試端口模擬TSN終端，并分別構造快速幀和可搶占幀流量。主要配置包括，使能VLAN，并設置VLAN ID均為10，且快速幀優(yōu)先級為7，可搶占幀優(yōu)先級為0（優(yōu)先級參數可自定義，只要快速幀優(yōu)先級高于可搶占幀即可），如下圖。

測試儀同時發(fā)送兩個測試端口上的快速幀與可搶占幀至DUT。查看Port Qbu Statistic統(tǒng)計，可以看到可搶占幀已經被分片進行轉發(fā)了。驗證了DUT在MAC子層中關于pMAC的中斷分組能力的有效性。

2、幀搶占協(xié)議重組能力測試

測試儀通過一個測試端口構造快速幀與可被搶占幀混合流量。

配置快速幀流量。按照測試環(huán)境，使能VLAN，并設置VLAN ID為10，優(yōu)先級為7，如下圖。

配置可搶占幀分片流量。使能VLAN，并設置VLAN ID 為10，優(yōu)先級為0。且添加多組分片報文，分片報文長度可以根據需求設置成遞增，遞減，隨機大小。

測試儀將混合流量發(fā)送至DUT，查看Port Qbu Statistic統(tǒng)計，可以看到快速報文總數、合法快速報文總數及正�；謴蛨笪目倲档慕y(tǒng)計。驗證了DUT在MAC子層中關于pMAC的重組能力的有效性。

在流量接收端口處捕獲報文，可以查看到被重組后轉發(fā)出來的可搶占幀數據。

同時，在這過程中可以進行一些故障注入測試，如：構造mCRC校驗錯誤，前導碼錯誤等情況，驗證DUT在故障發(fā)生時的處理機制是否符合要求。例如，對其中一個可搶占幀數據片段進行mCRC造錯后，幀搶占機制將檢測數據片段的完整性，在出現mPacket傳輸錯誤的情況下，會將該可搶占分組數據的所有mPacket幀丟棄。

六、信而泰TSN網絡測試儀

時間敏感網絡(TSN)具備大帶寬、通用以太協(xié)議及精準網絡KPI控制的技術優(yōu)勢，可滿足工業(yè)網絡日益數字化、智能化的技術需求。TSN作為下一代工業(yè)網絡技術演進方向已經在業(yè)內形成共識。而任何一種技術的成熟和廣泛采用，一個強大而專業(yè)的測試工具必不可少。

信而泰BigTao220便攜式機框是公司推出的新一代研發(fā)類測試機框。它采用模塊化設計，提供2個插槽，支持從10M到800G多種速率的測試模塊（含TSN測試模塊）任意組合，其可以針對汽車以太網和工業(yè)以太網等提供TSN協(xié)議測試解決方案。