確定性網(wǎng)絡(luò)要求網(wǎng)絡(luò)具備有界的端到端時延保證，要計算時延就不得不提到時隙這個關(guān)鍵概念。初識確定性網(wǎng)絡(luò)會發(fā)現(xiàn)，各種協(xié)議算法和機制中都有提到時隙，但講的好像都不是一個東西。那網(wǎng)絡(luò)中到底什么是時隙?時隙跟路徑、帶寬、傳輸速率、突發(fā)、緩沖區(qū)有什么關(guān)系?怎么通過時隙規(guī)劃保證端到端時延有界?別著急，本文帶你玩轉(zhuǎn)時隙，按照時隙的概念、時隙的演進、時隙的相關(guān)關(guān)系，分為三小節(jié)，揭開眾多機制背后的核心奧秘。
一、時隙的概念
傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)因為流量對時間不敏感，在QoS保障方面大多關(guān)注路徑、帶寬等空間維度的資源，包括隊列調(diào)度、資源分配等機制也是在空間層面做優(yōu)化。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠程控制、實時交互等時間敏感應(yīng)用的興起，時間維度的優(yōu)化成為新的網(wǎng)絡(luò)升級突破點。相比于帶寬、路由等單點指標(biāo)，時延抖動是端到端指標(biāo)，保障實現(xiàn)難度更大，需要時間維度的新的概念與約束，其中最重要的就是時隙，它有廣義和狹義兩方面的概念。
廣義上：所有為流量提前預(yù)留的時間維度的資源都可以叫做時隙。比如10us，100us，甚至1s，在這一個時間段內(nèi)，流量可以占用任何所需的路徑、帶寬、隊列緩沖區(qū)等網(wǎng)絡(luò)資源。后面會通過CSMA/CD(載波監(jiān)聽/沖突檢測)機制和TDM(時分復(fù)用)機制詳細展開。
狹義上：一般把交換機出端口的傳輸時延作為時隙設(shè)計的基本單元。比如，端口帶寬1Gbps，假設(shè)一個MTU大小的包為1500 Bytes, 那么該包經(jīng)過該出端口的傳輸時延就是 1500x8 bits /1 Gbps = 12 us，因此，如下圖所示，12us就可以作為一個時隙。如果其他包小于1500字節(jié)，那么出端口的時隙資源就會有所浪費，或者可以把時隙設(shè)計得更小;如果一條流一次要傳多個包，則可以為該流預(yù)留多個連續(xù)的時隙組成一個更大的時隙。
同時，上圖還可以分為兩種情況，分開到達和同時到達。如果各流分開到達，一條流傳輸完畢后，另一條流剛好到達開始傳輸，則每條流的排隊時延都是0，它們在交換機內(nèi)部的時延均為處理時延加傳輸時延，則基本為一個定值;如果三條流同時到達，則需要排隊，第一條流排隊0us，第二條流至少排隊12us，第三條流至少排隊24us,這就導(dǎo)致交換機內(nèi)部的時延變得不確定。
因此，除了帶寬、包大小、包數(shù)量等因素，包何時到達是控制時隙分配和端到端時延計算的一個重要因素。包何時到達取決于發(fā)包開始時間。我們當(dāng)前還只是在單節(jié)點的情況下討論，放到復(fù)雜拓撲、海量流量場景下，加以不同的約束和目標(biāo)設(shè)計，則可以將時隙玩出上百種花樣。
二、時隙的演進
在上百種花樣中，筆者總結(jié)了四種比較有代表性的機制，從中可以看到時隙的演進過程，介紹如下。
載波監(jiān)聽/沖突檢測：早期的以太網(wǎng)采用集線器，許多計算機都是連接到一根總線上，采用廣播的通信方式(即當(dāng)一臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上所有計算機都能檢測到這個數(shù)據(jù))和半雙工的模式(即接收和發(fā)送不能同時進行)。因此，計算機發(fā)送數(shù)據(jù)前，會先發(fā)一個探測包，看總線上是否有其他數(shù)據(jù)在傳輸，如果有，則執(zhí)行指數(shù)隨機退避算法，過一段時間再探測，直到總線空閑，開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。因此，載波監(jiān)聽/沖突檢測可以被視為最早的實現(xiàn)了發(fā)包控制的機制。到后來，互聯(lián)網(wǎng)流量激增，為了提升了帶寬利用率，開始采用交換式全雙工以太網(wǎng)，交換機端口增加緩沖區(qū)，計算機可以在任意時刻發(fā)包。
全局時分復(fù)用：后來人們又想，那能不能在交換式以太網(wǎng)實現(xiàn)總線一樣的零排隊時延的效果?即通過控制發(fā)包開始時間，讓一條流傳輸?shù)侥康牡睾螅匍_始傳輸下一條流，將全網(wǎng)總的看成一個時隙系統(tǒng)，進行全局時分復(fù)用?；谶@種方法，在工業(yè)以太網(wǎng)中產(chǎn)生了Profinet和EtherCAT等實時以太網(wǎng)協(xié)議，在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，MIT聯(lián)合Facebook也實現(xiàn)了Fastpass，一種通過SDN全網(wǎng)集中式控制、全局時分復(fù)用的零排隊數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。
出端口時分復(fù)用：一條流傳輸?shù)倪^程中，其實只會經(jīng)過特定的交換機出端口，而全局時分復(fù)用卻要求全網(wǎng)的端口時隙都為其預(yù)留，全局約束條件簡單，但網(wǎng)絡(luò)資源利用率低下。因此，人們發(fā)現(xiàn)其實可以在出端口的傳輸時間加約束，讓出端口一條流傳輸完成后再到達另一條流，即出端口時隙不沖突就可以了，再反推得到發(fā)包開始時間，也就是第一節(jié)中的分開到達的場景。該方法在簡單線性拓撲下十分有效，但在復(fù)雜情況下，要保證所有流在任意出端口和任何時刻的傳輸都不沖突，計算復(fù)雜度會指數(shù)增加，同時會在鏈路高負載時存在許多流不可被調(diào)度的情況。
出端口有界隊長：再后來，人們發(fā)現(xiàn)也不需要嚴(yán)格的每個出端口都不沖突。如果存在如上一節(jié)中的同時到達的場景，只要出端口排隊隊列的最大隊列長度是有界的，就能求出一個有界的交換機內(nèi)部時延，從而保證端到端時延有界?；谶@種思想，出現(xiàn)了時間感知整形、循環(huán)排隊轉(zhuǎn)發(fā)等調(diào)度整形機制。此外，確定性網(wǎng)絡(luò)演算、帶時延約束的交換矩陣等也可用于求解隊列長度與排隊時延的關(guān)系，通過邊緣流量整形和接入控制來保證有界隊長約束不被破壞。和出端口時分復(fù)用相比，最大隊長約束使得流在沖突(發(fā)包時間排不開或者不可控)時依然可以被成功調(diào)度，提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。
三、時隙的相關(guān)關(guān)系
時隙與帶寬的關(guān)系：首先，帶寬有兩層含義，一是指出端口的傳輸速率，或者說傳輸能力，比如帶寬為1Gbps，那么任意大小的包在出端口都能以1Gpbs的速率被轉(zhuǎn)發(fā)，二是指傳輸容量，1Gbps是指端口1秒鐘能傳輸1Gbit的流量。需注意，比如說將某流進行端口限速到500Mbps時，限制的其實是該流的傳輸容量，端口依然是按1Gbps的能力在傳輸，只是1秒內(nèi)最多只能傳500Mbit的該包，多了就丟棄不傳了。
因此，如下圖所示，1500字節(jié)在傳輸速率為1Gbps時，時隙為12us，如果傳輸速率提升至10Gbps，則時隙為1.2us。傳輸帶寬增大，則時隙變小，也就是車速提升了，則行駛時間縮短。行駛時間(時隙)是車速(帶寬)的微觀體現(xiàn)。
時隙與突發(fā)的關(guān)系：端口在輸出到網(wǎng)線上時是串行輸出的，不論帶寬是1Gbps還是10Gbps，包都是一個一個被傳出去，不能并行多個被同時傳輸，因此常用發(fā)送速率和突發(fā)尺寸來定義一條流。換句話說，如下圖所示，如果沒有突發(fā)，所有流都整整齊齊的排在馬路上，按照發(fā)送速率行駛，則不會有擁擠和排隊，而一旦有并道(突發(fā)、聚播)，則會產(chǎn)生排隊，導(dǎo)致多條流擠占同一個時隙，需要緩沖區(qū)提供緩存。理想情況下設(shè)計時隙一般不考慮突發(fā)(車輛間緊貼著)，而若流具有較大的突發(fā)度，則需要將時隙劃分更大(車輛間間距更大)，即為流預(yù)留更多的網(wǎng)絡(luò)資源，并考慮緩沖區(qū)大小的設(shè)計。
筆者認為，時隙是理解確定性網(wǎng)絡(luò)相關(guān)機制的鑰匙，是將網(wǎng)絡(luò)從非實時系統(tǒng)演進到實時系統(tǒng)的關(guān)鍵元素。本文梳理了四種有代表性的時隙設(shè)計機制，并概括了時隙與帶寬、突發(fā)的關(guān)系。要進一步理解時隙，讀者可查閱網(wǎng)絡(luò)演算等相關(guān)資料。
作者簡介：黃玉棟，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點實驗室研二在讀，研究方向為未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，確定性網(wǎng)絡(luò)，郵箱地址: [email protected].
原文地址：https://www.sdnlab.com/25098.html
