车载以太网交换机入门基本功（4）—优先级设计与VLAN测试

hirain123

       在《车载以太网交换机入门基本功（3）》介绍了交换机端口属性和实际的VLAN转发过程。但是，当存在多个待转发的报文时，既要考虑到报文的及时性，又要考虑到转发效率，因此，如何进行有效调度就成了重要问题。一个解决办法是进行优先级设计。

优先级设计

       优先级设计包括报文PCP字段和交换机队列两个部分。报文PCP字段可以回顾《交换机入门基本功-2》，如图 1所示：

图 1 携带VLAN的MAC报文格式

       PCP优先级长度为3bit，取值在0-7之间共八个取值。通常来说值越大则优先级越高，越快被转发。由于以太网是串行通信，所以当不同优先级的报文发送到交换机端口上时，需要“排队出门”。

       在交换机端口上存在多个队列，队列也存在优先级之分，值越大则优先级越高，越快被转发。PCP优先级和队列优先级不是一一对应的，存在映射关系。如图 2所示，左侧第一列是PCP优先级（从0-7），第一行是端口的队列个数（从1-8），根据队列个数进行映射。

图 2 PCP优先级和队列优先级映射表

       以端口包含4个队列为例：PCP=0和1映射到队列优先级0，PCP=2和3映射到队列优先级1，PCP=4和5映射到队列优先级2，PCP=6和7映射到队列优先级3。映射完成后，队列优先级3的报文较快转发，而队列优先级0的报文较慢转发。同一个队列下的报文按照进入队列的早晚进行转发。如图 3所示：

图 3 端口的队列转发

       考虑到转发实时性和效率，可以针对性地设计队列调度规则。这里介绍两种常见的队列调度机制：优先级队列调度（PQ, Priority Queuing）和加权循环调度（WRR, Weight Round Robin）。

• 优先级队列调度（PQ, Priority Queuing）
  

       严格按照队列优先级大小进行调度。只有高优先级队列的报文全部转发完毕，低优先级队列的报文才会开始转发。这种调度方式方便配置，对于低延时的数据非常有用，如音视频数据等。但当高优先级的数据过多时，会一直占用调度窗口，导致低优先级的数据“永无出头之日”。低优先级并不意味着不重要，如邮件不追求时效，但它很有可能包含诸如开会时间的重要信息。另一种队列调度机制可以有效缓解这一问题。

• 加权循环调度（WRR, Weight Round Robin）
  

       不同队列给予不同的初始权值，每次调度时，权值不为0的队列都调度一次；每调度一轮则权值减1，权值减到0的队列不参与调度；当所有队列的权值均减到0时，重置队列的权值，开启新一轮的调度。为了便于理解，假设有三个队列A、B、C，权值分别是2、3、4，调度过程如图 4所示：

      第一、二次调度：ABC，队列权值连续减1，A=0，B=1，C=2；

      第三次：A权值为0，不参与调度，实际调度B和C，队列权值减1，A=0，B=0，C=1；

      第四次：A、B不参与调度，实际调度C，队列权值减1，A=0，B=0，C=0；

      重置，A=2，B=3，C=4，重复上述过程。

图 4 WRR队列调度

       WRR调度机制让每个队列都有调度机会，机会大小取决于权值大小。因此，低优先级队列的数据也能转发。WRR机制会跳过空的队列并切换到下个队列，保证带宽充分利用。

       报文优先级、交换机队列和调度机制相配合，可以实现报文的高效转发，提高带宽资源利用率。交换机芯片通过硬件设计实现上述功能，之后需要经过测试进行验证，才能真正派上用场。

TC11交换机芯片VLAN测试规范

       在《交换机入门基本功（1）》提到，交换机芯片依据的是OPEN联盟TC11工作小组制定的测试规范“Switch Semiconductor Test Specification”，其中VLAN测试包括八个部分：

       在802.1Q配置测试部分，细分17个测试内容，如表2所示，定义了入口、转发、出口过程的配置情况：

       在具体测试中，根据交换机功能选择相应测试用例，开展测试。

总结

       通过《交换机入门基本功》4篇文章了解到：交换机是基于以太网点对点通信机制的背景下诞生的，包括学习、记忆、接收、查表、转发的五个工作过程，具备端口过滤、镜像、禁用/启用、转发等功能。交换机实现了物理通信区域的隔离，即局域网，而VLAN则实现了逻辑区域的隔离。VLAN通过报文Tag、交换机端口属性、交换机端口过滤功能得以实现，并通过优先级和队列实现转发的有效调度。为了验证交换机芯片的功能实现，需要参考OPEN联盟的TC11交换机芯片测试规范，包括通用测试、地址解析、VLAN等9个方面，此外，实时更进规范修改方案并与读者分享。

       感谢读者们对本系列的支持！希望大家通过阅读本文，可以对交换机形成整体的认识，之后通过不断学习实现自我升级，成为一名资深的工程师！

       经纬恒润作为OPEN联盟会员和AUTOSAR联盟的高级合作伙伴，长期为国内外各大OEM和供应商提供涵盖TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技术领域的设计和测试咨询服务，积极研发和探索车载网络前沿技术和工程应用。通过多个项目的实践经验，已建立了高质量、本土化的设计与测试一体化解决方案，为整车网络架构提供可靠支持。
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