在《車載以太網(wǎng)交換機入門基本功（3）》介紹了交換機端口屬性和實際的VLAN轉(zhuǎn)發(fā)過程。但是，當存在多個待轉(zhuǎn)發(fā)的報文時，既要考慮到報文的及時性，又要考慮到轉(zhuǎn)發(fā)效率，因此，如何進行有效調(diào)度就成了重要問題。一個解決辦法是進行優(yōu)先級設計。

優(yōu)先級設計

       優(yōu)先級設計包括報文PCP字段和交換機隊列兩個部分。報文PCP字段可以回顧《交換機入門基本功-2》，如圖 1所示：

圖 1 攜帶VLAN的MAC報文格式

       PCP優(yōu)先級長度為3bit，取值在0-7之間共八個取值。通常來說值越大則優(yōu)先級越高，越快被轉(zhuǎn)發(fā)。由于以太網(wǎng)是串行通信，所以當不同優(yōu)先級的報文發(fā)送到交換機端口上時，需要“排隊出門”。

       在交換機端口上存在多個隊列，隊列也存在優(yōu)先級之分，值越大則優(yōu)先級越高，越快被轉(zhuǎn)發(fā)。PCP優(yōu)先級和隊列優(yōu)先級不是一一對應的，存在映射關(guān)系。如圖 2所示，左側(cè)第一列是PCP優(yōu)先級（從0-7），第一行是端口的隊列個數(shù)（從1-8），根據(jù)隊列個數(shù)進行映射。

圖 2 PCP優(yōu)先級和隊列優(yōu)先級映射表

       以端口包含4個隊列為例：PCP=0和1映射到隊列優(yōu)先級0，PCP=2和3映射到隊列優(yōu)先級1，PCP=4和5映射到隊列優(yōu)先級2，PCP=6和7映射到隊列優(yōu)先級3。映射完成后，隊列優(yōu)先級3的報文較快轉(zhuǎn)發(fā)，而隊列優(yōu)先級0的報文較慢轉(zhuǎn)發(fā)。同一個隊列下的報文按照進入隊列的早晚進行轉(zhuǎn)發(fā)。如圖 3所示：

圖 3 端口的隊列轉(zhuǎn)發(fā)

       考慮到轉(zhuǎn)發(fā)實時性和效率，可以針對性地設計隊列調(diào)度規(guī)則。這里介紹兩種常見的隊列調(diào)度機制：優(yōu)先級隊列調(diào)度（PQ, Priority Queuing）和加權(quán)循環(huán)調(diào)度（WRR, Weight Round Robin）。

       · 優(yōu)先級隊列調(diào)度（PQ, Priority Queuing）

       嚴格按照隊列優(yōu)先級大小進行調(diào)度。只有高優(yōu)先級隊列的報文全部轉(zhuǎn)發(fā)完畢，低優(yōu)先級隊列的報文才會開始轉(zhuǎn)發(fā)。這種調(diào)度方式方便配置，對于低延時的數(shù)據(jù)非常有用，如音視頻數(shù)據(jù)等。但當高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)過多時，會一直占用調(diào)度窗口，導致低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)“永無出頭之日”。低優(yōu)先級并不意味著不重要，如郵件不追求時效，但它很有可能包含諸如開會時間的重要信息。另一種隊列調(diào)度機制可以有效緩解這一問題。

       · 加權(quán)循環(huán)調(diào)度（WRR, Weight Round Robin）

       不同隊列給予不同的初始權(quán)值，每次調(diào)度時，權(quán)值不為0的隊列都調(diào)度一次；每調(diào)度一輪則權(quán)值減1，權(quán)值減到0的隊列不參與調(diào)度；當所有隊列的權(quán)值均減到0時，重置隊列的權(quán)值，開啟新一輪的調(diào)度。為了便于理解，假設有三個隊列A、B、C，權(quán)值分別是2、3、4，調(diào)度過程如圖 4所示：

        ① 第一、二次調(diào)度：ABC，隊列權(quán)值連續(xù)減1，A=0，B=1，C=2；

        ② 第三次：A權(quán)值為0，不參與調(diào)度，實際調(diào)度B和C，隊列權(quán)值減1，A=0，B=0，C=1；

        ③ 第四次：A、B不參與調(diào)度，實際調(diào)度C，隊列權(quán)值減1，A=0，B=0，C=0；

        ④ 重置，A=2，B=3，C=4，重復上述過程。

圖 4 WRR隊列調(diào)度

       WRR調(diào)度機制讓每個隊列都有調(diào)度機會，機會大小取決于權(quán)值大小。因此，低優(yōu)先級隊列的數(shù)據(jù)也能轉(zhuǎn)發(fā)。WRR機制會跳過空的隊列并切換到下個隊列，保證帶寬充分利用。

       報文優(yōu)先級、交換機隊列和調(diào)度機制相配合，可以實現(xiàn)報文的高效轉(zhuǎn)發(fā)，提高帶寬資源利用率。交換機芯片通過硬件設計實現(xiàn)上述功能，之后需要經(jīng)過測試進行驗證，才能真正派上用場。

TC11交換機芯片VLAN測試規(guī)范

       在《交換機入門基本功（1）》提到，交換機芯片依據(jù)的是OPEN聯(lián)盟TC11工作小組制定的測試規(guī)范“Switch Semiconductor Test Specification”，其中VLAN測試包括八個部分：

       在802.1Q配置測試部分，細分17個測試內(nèi)容，如表2所示，定義了入口、轉(zhuǎn)發(fā)、出口過程的配置情況：

       在具體測試中，根據(jù)交換機功能選擇相應測試用例，開展測試。

總結(jié)

       通過《交換機入門基本功》4篇文章了解到：交換機是基于以太網(wǎng)點對點通信機制的背景下誕生的，包括學習、記憶、接收、查表、轉(zhuǎn)發(fā)的五個工作過程，具備端口過濾、鏡像、禁用/啟用、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。交換機實現(xiàn)了物理通信區(qū)域的隔離，即局域網(wǎng)，而VLAN則實現(xiàn)了邏輯區(qū)域的隔離。VLAN通過報文Tag、交換機端口屬性、交換機端口過濾功能得以實現(xiàn)，并通過優(yōu)先級和隊列實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)的有效調(diào)度。為了驗證交換機芯片的功能實現(xiàn)，需要參考OPEN聯(lián)盟的TC11交換機芯片測試規(guī)范，包括通用測試、地址解析、VLAN等9個方面，此外，實時更進規(guī)范修改方案并與讀者分享。

       感謝讀者們對本系列的支持！希望大家通過閱讀本文，可以對交換機形成整體的認識，之后通過不斷學習實現(xiàn)自我升級，成為一名資深的工程師！

       經(jīng)緯恒潤作為OPEN聯(lián)盟會員和AUTOSAR聯(lián)盟的高級合作伙伴，長期為國內(nèi)外各大OEM和供應商提供涵蓋TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技術(shù)領(lǐng)域的設計和測試咨詢服務，積極研發(fā)和探索車載網(wǎng)絡前沿技術(shù)和工程應用。通過多個項目的實踐經(jīng)驗，已建立了高質(zhì)量、本土化的設計與測試一體化解決方案，為整車網(wǎng)絡架構(gòu)提供可靠支持。