(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711367379.X
(22)申请日 2017.12.18
(71)申请人 北京航空航天大学
地址 100191 北京市海淀区学院路37号
(72)发明人 何锋 李二帅 赵琳 熊华钢
(74)专利代理机构 北京永创新实专利事务所
11121
代理人 冀学军
(51)Int.Cl.
H04L 12/26(2006.01)
(54)发明名称一种基于CBS流控机制的AVB网络流量最大延迟测试的装置(57)摘要本发明公开了一种基于CBS流控机制的AVB 网络流量最大延迟测试的装置，其包括有数据源类流产生模块(10)、网络接收模块(20)、CBS流控模块(30)、FIFO模块(40)、网络发送模块(50)、计时器模块(60)和监视器(70)。本发明装置运行在FPGA处理器上，通过CBS流控机制解决AVB网络中最大延迟测量的技术问题。本发明装置支持对多优先级类型网络流量的传输，并利用数据源产生了最坏场景下的多优先级类型网络流量；采用CBS流控机制控制多优先级类型网络流量的发送；采用硬件时间戳记录多优先级类型网络流量 通过网络节点时的最大延迟。权利要求书3页 说明书9页 附图6页CN 107911265 A 2018.04.13
南京八一肝病医院C N 107911265
A
河南省人民政府研究室1.一种基于CBS流控机制的AVB网络流量最大延迟测试的装置，其特征在于：其包括有数据源类流产生模块(10)、网络接收模块(20)、CBS流控模块(30)、FIFO模块(40)、网络发送模块(50)、计时器模块(60)和监视器(70)；
数据源类流产生模块(10)第一方面在FPGA的只读存储器中写入SR_A类流的数据信息、SR_B类流的数据信息、BE类流的数据信息；第二方面控制SR_A流量、SR_B流量和BE流量的产
生先后顺序，并依据时钟周期下的类流传输关系获得流
量在AVB网络中所占用的运行网络带宽值BW；第三方面从FPGA的ROM中读取SR_A数据帧、SR_ B数据帧和BE数据帧，然后依据数据帧的帧格式进行组装，获得属于SR_A数据帧的SR_A流量、属于SR_B数据帧的SR_B流量和属于BE数据帧的BE流量；第四方面输出SR_A流量、SR_B流量和BE流量给网络接收模块(20)中的数据帧类型检测单元(21)；
∑M SR_A表示在时钟周期T0下传输SR_A类流的数据帧的总字节长度；
音乐ic∑M SR_B表示在时钟周期T0下传输SR_B类流的数据帧的总字节长度；
∑M BE表示在时钟周期T0下传输BE类流的数据帧的总字节长度；
T0表示时钟周期，单位为秒；
网络接收模块(20)至少包括有数据帧类型检测单元(21)、接收计时单元(22)、开始时间戳插入单元(23)和FIFO写信号控制单元(24)；
网络接收模块(20)第一方面用于接收来自数据源模块(10)输出的SR_A流量、SR_B流量和BE流量，而数据帧类型检测单元(21)会依据VLAN的priority域检测判断出所接收到的SR_A流量、SR_B流量和BE流量的各自数据帧的类型及所述SR_A流量、SR_B流量和BE流量的各自数据帧的起始有效信号；而开始时间戳插入单元(23)在数据帧类型检测单元(21)获取数据帧起始有效信号时，立即触发，开始时间戳插入单元(23)将接收数据帧的开始时刻记录到数据帧的avtp_timestamp_st域中；开始时间戳插入单元(23)接收的是计时器模块(60)输出的硬件时间戳的值；
第二方面用于接收来自AVB网络输出的以数据帧分开进行传输的各类流量，并提取出所述流量的数据帧起始有效信号；
第三方面通过接收计时单元(22)对起始时间进行记录；接收计时单元(22)计时持续时间是从收到流量开始至接收到数据帧结束有效信号时止；
第四方面在接收计时单元(22)的计时过程中，FIFO写信号控制单元(24)用于产生控制FIFO模块(40)中写控制信号的有效时间；
第五方面网络接收模块(20)输出与FIFO模块(40)中类型相同的FIFO中缓存，即网络接收模块(20)将接收到的数据帧，除去mac_destination_address、mac_source_address和VLAN以后，剩余的数据帧输出给FIFO模块(40)，而FIFO模块(40)中至少设有FIFO_SR_A缓存器、FIFO_SR_B缓存器和FIFO_B
粗盐中难溶性杂质的去除E缓存器，经数据帧类型检测单元(21)检测判断出相应的数据帧类型，并依此类型在写入到各自的FIFO缓存器中；
CBS流控模块(30)包括有信用量变化单元(31)和发送标志信号产生单元(32)；信用量变化单元(31)是根据信用量的规律产生AVB网络中流量的信用量；发送标志信号产生单元(32)用于产生标志位，对于标志位的有效条件包括有FIFO缓存器的空状态、流量的信用量、网络节点的阻塞状态和高优先级流量的发送条件是否满足；
FIFO模块(40)中至少包括有FIFO_SR_A缓存器、FIFO_SR_B缓存器和FIFO_BE缓存器，所述FIFO_SR_A缓存器用于对SR_A流量进行缓冲，所述FIFO_SR_B缓存器用于对SR_B流量进行缓冲，所述FIFO_BE缓存器用于对BE流量缓冲；FIFO_SR_A缓存器、FIFO_SR_B缓存器和FIFO_ BE缓存器分别设有写接口和读接口；其中写接口由写数据信号和写控制信号组成，写接口用于接收网络接收模块(20)输出的数据帧；读接口由读数据信号和读控制信号组成，读接口用于输出数据帧给网络发送模块(50)的数据包重组单元(51)；当FIFO为空状态时，输出空状态信号给CBS流控模块(30)中的发送标志信号产生单元(32)；
网络发送模块(50)至少包括有数据帧重组单元(51)、发送计时单元(52)、结束时间戳插入单元(53)和FIFO读信号控制单元(54)；
网络发送模块(50)第一方面用于接收发送标志信号产生单元(32)输出的信息发送标志位；
第二方面通过发送计时单元(52)对起始时间进行记录；发送计时单元(52)计时持续时间是从流量开始发送至发送一个完整的数据帧结束；
第三方面依据FIFO读信号控制单元(54)产生一个读信号，并从相应的FIFO_SR_A缓存器、FIFO_SR_B缓存器和FIFO_BE缓存器中读入数据帧；
第四方面是结束时间戳插入单元(53)依据计时器模块(60)输出的硬件时间戳的值在发送完成数据帧后触发；结束时间戳插入单元(53)将发送数据帧的结束时刻记录到数据帧的avtp_timestamp_ed域中；
第五方面是数据包重组单元(51)根据AVB网络数据帧的格式组装一个完整的数据帧，并将所述的完整数据帧发送至监视器(70)中进行实时可视化显示；
计时器模块(60)用于生成硬件时间戳信息，该硬件时间戳信息是一个周期计数的计时器，即硬件时间戳的值；所述硬件时间戳的值的计时周期T C需要满足AVB网络节点在处理同一帧数据时，网络接收模块(20)接收数据帧的开始时刻和网络发送模块(50)发送数据帧的结束时刻唯一确定的要求；计时器模块(60)在AVB网络节点正常工作中会不间断地循环计时，并将计时结果同时输出到网络接收模块(20)和网络发送模块(50)中；
中国眼镜杂志计数器模块(60)的计数周期记为T C，根据SR_A流量、SR_B流量和BE流量中记录的开始时间戳和结束时间戳，能够计算出网络流量通过AVB网络节点的最大延迟，然后在网络流量可视化模块(70)中实时显示出来；
SR_A类流在AVB网络节点中的最大延迟记为
SR_B类流在AVB网络节点中的最大延迟记为
BE类流在AVB网络节点中的最大延迟记为
监视器(70)用于可视化显示网络流量在C B S方法下的延迟结果，即
因此网络流量可视化的同时显示三种类型网络流量的延迟值，并且能够显示出延迟值中的最大值，这个最大值就是AVB网络最坏情况下的最大延迟结果。
2.根据权利要求1所述的基于CBS流控机制的AVB网络流量最大延迟测试的装置，其特征在于：CBS流控模块(30)控制状态机分为四个状态，分别是没有任一类型流量满足发送条
件的记为“空”状态、SR_A流量满足发送条件时的记为“发送SR_A”状态、SR_B流量满足发送条件时的记为“发送SR_B”状态和BE流量满足发送条件时的记为“发送BE”状态；状态机在初始启动时，CBS流控模块(30)处于“空”状态，之后应用发送标志信号产生单元(32)根据四个条件决定不同状态之间的跳转；
当状态机处于“空”状态时，从“空”状态跳转到“发送SR_A”状态的条件是FIFO_SR_A缓存器非空和SR_A流量的信用量大于等于0；从“空”状态跳转到“发送SR_B”状态的条件是FIFO_SR_B缓存器非空、SR_B流量的信用量大于等于0和SR_A流量不满足发送条件；从“空”状态跳转到“发送BE”状态的条件是FIFO_BE缓存器非空、SR_A流量和SR_B流量不满足发送条件；其它所有情况下均保持“空”状态不变；
当状态机的当前处于“发送SR_A”状态时，从“发送SR_A”状态跳转到“发送SR_B”状态的条件是FIFO_SR_B缓存器非空、SR_B流量的信用量大于等于0和SR_A流量不满足发送条件；从“发送SR_A”状态跳转到“发送BE”状态的条件是FIFO_BE缓存器非空、SR_A流量和SR_B流量不满足发送条件；“发送SR_A”状态保持不变的条件是FIFO_SR_A缓存器非空和SR_A流量的信用量大于等于0；其它所有情况下均会从“发送SR_A”状态跳转到“空”状态；
当状态机的当前处于“发送SR_B”状态时，从“发送SR_B”状态跳转到“发送SR_A”状态的条件是FIFO_SR_A缓存器非空和SR_A流量的信用量大于等于0；“发送SR_B”状态保持不变的条件是FIFO_SR_B缓存器非空、SR_B流量的信用量大于等于0和SR_A流量不满足发送条件；从“发送SR_B”状态跳转到“发送BE”状态的条件是FIFO_BE缓存器非空、SR_A流量和SR_B流量不满足发送条件；其它所有情况下均会从“发送SR_B”状态跳转到“空”状态；
当状态机的当前处于“发送BE”状态时，从“发送BE”状态跳转到“发送SR_A”状态的条件是FIFO_SR_A缓存器非空和SR_A流量的信用量大于等于0；从“发送BE”状态跳转到“发送SR_ B”状态的条件是FIFO_SR_B缓存器非空、SR_B流量的信用量大于等于0和SR_A流量不满足发送条件；“发送BE”状态保持不变的条件是FIFO_BE缓存器非空、SR_A流量和SR_B流量不满足发送条件；其它所有情况下均会从“发送BE”状态跳转到“空”状态。
3.根据权利要求1所述的基于CBS流控机制的AVB网络流量最大延迟测试的装置，其特征在于：FIFO模块(40)对数据帧的读写控制需要满足FIFO满状态时不进行写操作、FIFO空状态时不进行读操作的原则。
4.根据权利要求1所述的基于CBS流控机制的AVB网络流量最大延迟测试的装置，其特征在于：所述装置采用FPGA硬件实现。
广州湾
一种基于CBS流控机制的AVB网络流量最大延迟测试的装置
技术领域
[0001]本发明属于网络测试领域，更特别地说，涉及到一种基于CBS流控机制的AVB网络流量最大延迟测试的装置。
背景技术
[0002]音视频桥接(Audio/Video Bridging，AVB)网络是在工业标准以太网基础上经过适用性改造，采用预定流(Stream Reservation ，SR)和信用量整形(Credit Based Shaping，CBS)等机制保障低延迟的音视频流服务，AVB互连技术已在嵌入式车载网络(如宝马系列车型)中得到实际应用。标准AVB网络中包含有时间敏感的音视频预定流(SR_A类流和SR_B类流)和一类尽力传流(Best Effort，BE)。SR_A
类流为时间敏感的音频预定流，SR_B 类流为时间敏感的视频预定流，BE类流为尽力传流。
[0003]CBS方法中与流量信用量变化有关的逻辑带宽参数是idleSlope (空闲率)和sendSlope(发送率)，发送率与空闲率两个参数之间的关系为sendSlope＝idleSlope -R，R 表示网络链路传输带宽。在AVB网络中，当SR_A类流或SR_B类流的传输被阻塞时，流量信用量将以idleSlope(空闲率)的速率增加；当SR_A类流或SR_B类流正在传输时，流量信用量将以sendSlope(发送率)的速率减少。
[0004]AVB网络中所传输的多种类型流量对网络的实时性提出了各自不同的需求，需要网络保障不同类型流量传输的最大延迟。在流量的实际传输过程中，不同类型流量之间存在复杂多样的竞争关系，使得流量最大延迟的测量极具挑战性。网络流量延迟测试的目的在于确定流量通过网络节点时所历经的时间，其最坏条件下的传输最大延迟是评价网络实时性能的重要参考指标。采用理论分析方法作为网络延迟的紧性评估手段具有较大的偏差，因此评估结果还有待进一步优化；而实际的网络环境发生最大延迟情况的几率很小，统计平均延迟结果并不能反映网络的所有实时性能。
发明内容
[0005]本发明的目的是为了测量AVB网络中网络流量通过网络节点时的最大延迟，而设计了一种基于CBS流控机制的AVB网络流量最大延迟测试的装置。为了准确测量网络流量通过网络节点时的延迟，有效消除软件时间戳中操作系统和协议栈的延迟抖动影响，采用硬件时间戳技术能够极大地提高延迟
的测量精度。该装置运行在FPGA处理器上，通过CBS流控机制解决AVB网络中最大延迟测量的技术问题。本发明装置支持对多优先级类型网络流量的传输，并利用数据源产生了最坏场景下的多优先级类型网络流量；采用CBS流控机制控制多优先级类型网络流量的发送；采用硬件时间戳记录多优先级类型网络流量通过网络节点时的最大延迟。
[0006]本发明设计了一种基于CBS流控机制的AVB网络流量最大延迟测试的装置，其特征在于：其包括有数据源类流产生模块(10)、网络接收模块(20)、CBS流控模块(30)、FIFO模块
(40)、网络发送模块(50)、计时器模块(60)和监视器(70)；
说 明 书1/9页CN 107911265 A
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