精准调度，确定性保障：信而泰IEEE 802.1Qbv协议测试实战指南

引言：

时间敏感网络（Time-Sensitive Networking，TSN）是基于以太网的新一代网络标准。TSN在MAC层提供统一的时间敏感机制，为语音、视频、工业控制等关键业务数据提供低时延、高可靠性的确定性传输。TSN标准体系涵盖时钟同步、流量调度、可靠性和安全等关键领域。

IEEE 802.1Qbv（流量调度增强）协议是TSN流量调度机制的核心。该协议允许网络管理员根据关键业务流的特征和时序需求进行配置，将特定业务流映射到专用转发队列，并依据预定义的门控列表（Gate Control List，GCL）进行周期性调度，从而优先保障关键流量，有效避免其在设备转发时因拥塞而丢包。在TSN网络中部署802.1Qbv，可实现关键业务流端到端转发时延的精确控制与高度确定性。

壹  802.1Qbv协议测试必要性

IEEE 802.1Qbv是TSN网络的核心调度机制，为工业控制、自动驾驶等实时业务提供确定性低时延保障。该协议通过TAS和GCL精确控制流量发送时机，若实现不当，可能导致关键数据延迟或丢失，引发严重事故。因此，进行IEEE 802.1Qbv协议功能测试是验证设备能否严格按策略调度流量、保障高优先级业务的关键。

贰  802.1Qbv协议核心机制

 TAS机制与门控原理

TSN中，802.1Qbv协议为识别出的关键流量提供基于精确时间点的确定性调度，其核心机制是通过预配置的802.1Qbv门控列表（Gate Control List，GCL）来控制队列的发送时机。用户配置时，需在TSN调度策略（或TSN配置）中定义GCL的关键参数（如周期、各队列门控状态与时长）。随后，将该策略应用到网络设备的出接口（egress port）上。部署成功后，该接口即能依据GCL的时序规则，对TSN流量执行严格的确定性调度，确保其在预定时间窗口内无冲突地发送。

图1  Transmission selection with gates

如图1所示各队列的门的开/关状态由GCL精确控制。GCL可以有多行，GCL根据基准时间BaseTime，循环执行，每CycleTime执行一次。

将不同流量等级（Traffic Class）的流量映射到独立的转发队列，是实施802.1Qbv门控调度的基础前提，这种队列隔离机制使得GCL能够对不同队列实施差异化的调度策略：即在任意给定时刻，允许某些队列开门发送数据，同时保持其他队列关门阻塞。

流量分类入队可通过多种方式实现，例如：

•  基于VLAN优先级(PCP)：利用VLAN报文头中的3位PCP字段区分8种优先级，映射到不同队列。

•  基于IP DSCP：根据IP报文头的DSCP字段值，将其映射到特定的流量等级和队列。

•  基于精细化流分类：通过配置策略，依据报文头信息（如源/目的MAC地址、源/目的IP地址、协议类型等）显式指定报文的流量等级。

  GCL配置逻辑

门控列表（GCL）精确控制每个队列的发送状态，其两种基本状态为：

•  Open（开门）：根据与队列相关的传输选择算法的定义，选择要发送的排队帧；

•  Close（关门）：不会选择排队的帧进行传输。

每个队列的“开”或“关”状态由GCL精确控制。GCL包含多个条目，定义了每个队列在特定时间段内的门控状态。GCL基于基准时间(Base Time)启动，并周期性循环执行，每个周期的时长称为周期时间(Cycle Time)，队列通常根据其优先级进行调度（优先级数值越高表示优先级越高，范围通常为7到0）。在门控状态为“开”的前提下，设备严格按照优先级从高到低（7->6->...->0）的顺序发送队列中的报文。

图2  GCL表象

以节点0为例，设备会先发送队列7中的报文，队列7中报文发送完成后发送队列6中的报文，队列6中报文发送完成后发送队列5中的报文，然后再发队列3中的报文依次类推。

802.1Qbv中定义的时间感知整形器（time aware shaper，TAS），利用时间周期的概念来调度数据，可通过循环计时器中的循环计时器开始时间确定一个GCL执行周期开始的时间。

  循环计时器状态机

图3  计时器状态机

SetCycleStartTime（）过程确定下一个GCL执行周期开始的时间。该过程根据Current Time、Oper Base Time、Oper Cycle Time、Oper Cycle Time Extension、Config Change Time和Config Pending的值，将Cycle Start Time变量设置为起始时间，具体规则如下：

1、Config Pending=FALSE，且Oper Base Time>=Current Time，（例如Oper Base Time指定当前时间或未来时间）那么Cycle Start Time=Oper Base Time；

2、Config Pending=FALSE，且Oper Base Time<Current Time，（例如Oper Base Time指定过去的时间）那么Cycle Start Time=(Oper Base Time+N*Oper Cycle Time)其中N是满足关系式的最小整数；

3、Config Pending=TRUE，且Config Change Time>(Current Time+Oper Cycle Time+Oper Cycle Time Extension)那么Cycle StartTime=(Oper Base Time+N*Oper Cycle Time)其中N是满足关系式的最小整数；

4、Config Pending=TRUE，且Config Change Time<=(Current Time+Oper Cycle Time+Oper Cycle Time Extension)那么Cycle Start Time=Config Change Time。

叁   信而泰802.1Qbv协议测试方案与能力

  测试方案

通过测试仪对TSN交换机的802.1Qbv协议进行全面验证，基于IEEE 802.1AS高精度时间同步，配置流量调度表、GCL及Bucket List策略，结合VLAN与目的MAC过滤规则，可精准验证交换机在复杂场景下的确定性调度能力。测试结果量化关键流量时延抖动（达纳秒级精度）、带宽保障及门控触发准确性，确保设备符合实时通信的严格标准，为协议可靠性提供权威测试。

  核心测试能力

信而泰BigTao220+TSN特性板卡的IEEE802.1QBV测试能力：

•  支持流量调度表手动配置；

•  支持门控列表配置；

•  支持过滤器（VLAN、目的MAC地址最后三个字节）配置；

•  支持Bucket List配置；

•  支持使用IEEE 802.1AS进行时间同步。

肆   测试实践：用例设计与配置详解

为验证上述理论机制，本节将详细阐述一个典型的测试用例及其在信而泰RENIX测试平台上的核心配置。

测试用例设计

1.用例描述：

验证TSN交换机Qbv行为。配置3个GCL，周期时间（Cycle Time）为3 ms，每个时隙1ms；第一个表项放行优先级为0的流量，第二个表项放行优先级为1的流量，第三个表项放行优先为3、4、5、6的流量。

2.测试目的：验证DUT（TSN交换机）是否根据配置的GCL正确、准时地执行门控调度。

3.测试拓扑：

图4 拓扑

测试仪配置详解

门控中依次添加三个GCL列表项，门状态中指定门状态，0为关门，1为开门。列表0放行优先级0流量、列表1放行优先级1流量、列表2放行3、4、5、6优先级流量。门状态持续时长设置每个列表的持续时间，所有列表持续时间之和为Oper Cycle Time此例设置每个GCL持续时间为1ms，Oper Cycle Time为3ms；过滤器索引为测试仪统计不同GCL放行流量的落点情况。（门控规则与DUT保持一致）

图5  测试仪配置1

配置Qbv流量，点击自动创建流量会自动生成对应优先级的Qbv流，也可以点击“添加”手动创建其他流量，配置测试类型为Continuous。

图6  测试仪配置2

配置AS协议并点击完成，在配置导航栏中可看到生成的AS协议，点击启动所有协议，能看到测试仪Telkerd端口AS时钟状态为Slave，Listener端口AS时钟状态为Master，统计中能看到时间偏移量及协议包交互数量均正常，时间同步是Qbv调度基准时间的基石，需优先确保其建立成功。

图7  测试仪配置3

在端口中设置基准时间，此时间为未来某个绝对时间戳，并换算成秒，配置基准时间为未来时间，以满足协议规则a的要求，确保调度周期从预定时间开始。

图8  基准时间

图9  测试仪配置4

伍  测试结果分析

启动Qbv流量后，测试仪将在设定的基准时间到达后开始发送流量。通过查看测试仪提供的详细统计信息，可进行如下分析：

图10  测试结果时延性能

查看流量统计中的平均时延，可达纳秒级精度，验证低时延保障。

调度准确性

在Qbv流量统计中，观察优先级0、1的流量是否仅在第一个和第二个1ms时间窗内成功通过，优先级3-6的流量是否在第三个1ms时间窗内通过。此结果可证明DUT严格遵循了配置的门控规则。

完整性检查

确保无预期之外的丢包，所有关键流量均在其调度时间窗内被成功转发。

陆   结语

IEEE 802.1Qbv协议作为TSN网络实现确定性传输的核心，依托时间感知整形器（TAS）和门控列表（GCL）为关键业务提供纳秒级调度保障，但其配置复杂且对时序高度敏感，测试验证难度极大。信而泰TSN测试平台直面该挑战，提供从GCL策略仿真、多优先级流量生成到基于IEEE 802.1AS的高精度时间同步的一体化测试方案，全面验证设备在真实业务场景下的调度准确性与时序合规性，这一切能力的背后，离不开高性能硬件平台的支撑。

图11 TSN测试板卡

信而泰自主研发的TSN模块基于高性能FPGA实现100%线速流量生成与纳秒级精度统计，确保每一帧数据都可被精确发送、捕获，为Qbv测试的可靠性与权威性奠定坚实的硬件基础，为工业自动化、车载网络等领域的TSN技术落地提供强有力的测试保障。