艾銻知識 |一文讀懂時延敏感網絡的調度整形機制

2020-03-07 19:52 作者：艾銻無限 瀏覽量：

   
 
我在上學的時候就看過這樣一個故事,是說豐田汽車公司生產線發生了事故,他的管理者透過提問的方式找到了這次事故的根本原因,那時候自己還不是教練,只是覺得這個管理者很厲害,可以透過提問就能找到問題的本源,以后如果自己走上了工作崗位也要向他學習.
 
但后來創業,經歷的事越來越多,發現這種追問方式有時有效,有時也是沒有效的,有效的是能解決當下的問題,無效的是問題還會經常重復性發生.當時并沒有領悟到問題的根源是什么,只是覺得可能自己的能力有限,后來學習了教練,開始給企業高管和CEO做教練時,逐漸發現這樣的提問為什么只能解決當下發生的問題,原因是管理者的焦點只放在這件事情的本身,而沒有真正關注到人,人是一切問題的根源.
   
 
讓我們來看一下關注事的提問和關注人的提問兩個版本到底有什么不同:
 
關注事的版本:
 
豐田汽車公司前副社長大野耐一，用5Why法追問生產線停機原因的案例最為典型。
 
一次，大野耐一發現生產線上的機器總是停轉，工人修過多次但仍不見好轉。他忍不住問工人：
 
一問：“為什么機器停了?”
答：“因為超過了負荷，保險絲就斷了。”
 
二問：“為什么超負荷呢?”
答：“因為軸承的潤滑不夠。”
 
三問：“為什么潤滑不夠?”
答：“因為潤滑泵吸不上油來。”
 
四問：“為什么吸不上油來?”
答：“因為油泵軸磨損、松動了。”
 
五問：“為什么磨損了呢?”
再答：“因為沒有安裝過濾器，混進了鐵屑等雜質。噢……我們這就去安裝。”
 
經過連續五次不停地問“為什么”, 工人找到問題的真正原因和解決方法。
 
關注人的版本:
 
一問：“發生了什么?”
答：“我們的機器修過了好多次都沒有解決問題,也不知道怎么了.”
 
二問：“如果你經常生病,也經常去醫院,但總還是生病,你會如何思考?”
答：“我可能會想是不是這家醫院有問題,或者這個醫生不行,但每次來的時候他都能給冶好,隔幾天又發生了狀況,這會讓我想想進入我身體的食物、水、空氣、還有我居住的環境等是否有問題,從醫院和自身兩個方面入手來思考這個問題吧.”
 
三問：“非常好的思考方式,這樣的思考如果放在這臺機器上,你會有什么發現?”
答：“我覺得也可以從兩個方面入手,一方面是否我們的修理能力有問題,我們可以找其他師傅來試試,還有一方面,不一定是我們能力問題,有可能是這臺機器與其它設備連接原因,可以檢查一下和這臺設備有關的所有方面,看是否能找到根本的原因.”
 
四問：“你這樣思考的好處是什么?”
答：“這樣思考就能讓我看清整個問題系統的原因,而不是緊盯在這個問題上,還能讓我打開更多的思路,這樣下次遇到類似問題的時候,我就能立刻找到問題的本質,而不是在同一個問題上不斷重復處理浪費時間.
 
五問：“還有什么呢?”
答：“這對我自身的能力也是極大的提高,也會讓我從一個修理工的思維變成一個管理工程師的思維,在未來我相信自己也能成為一名團隊的管理人員.”
 
六問：“好的非常棒,那你覺得這件事你什么時間能處理完呢?”
答：“立刻,馬上來系統全面的檢查,我相信一會就能找到根本原因,徹底的解決這個問題.”
 
七問：“好的,透過這次談話,你最大的學習是什么?”
答：“我體驗到自己內在是有智慧的,這讓我很驚訝,你并沒有告訴我怎么做,卻啟發了我的思維,讓我看見自己是有能力解決一切的問題,只是以前給了自己太多的限制,在修不好的時候,內心里就已經下了決定,這個機器就是壞的,就是有問題的,怎么修都不會修好的,基于結果我證明自己是對的,但如果我能像您啟發我的那樣,去想我要什么,去突破內在的限制,去打開自己的思維,去看見自己想要的未來,我相信,這對于我一生的成長都是至關重要的,謝謝您.”
 
八問：“好的,加油,期待你成長過程中的好消息.”
   
?透過上面的案例我們發現,關注人的提問,焦點始終放在這個人身上,這個人要什么,怎樣幫助他去獲得自己想要的,當他發生改變的時候,他的世界也就變了,他世界里遇到的問題也都不是問題了,我相信下次這個人在遇到類似這些問題時,他就會啟動自主的思考,從而一一化解.
 
關注事的提問者只能算是個管理者,這個管理者只是運用了提問的技巧,機械式的解決了當下遇到的問題.而關注人的提問,才是真正的教練,因為他未必了解機器的原理,但他了解人,并啟動了人的生命力,他知道人產生問題最大的根源是自我設限,所以很多時候我們的困難和挑戰,不是沒有能力去實現,而是沒有打開自己的能量,讓自己的能力釋放出來,才會讓我們陷入混沌和迷茫,我們的思維和內心的能量一旦打開,每個人都將無所不能.
 
無論是在生活中,還是在企業中,我們遇到的每個人都是創造力的天才,但很多時候就像掉進了泥潭中,有力卻無計可施,如果是這樣,記得找一位愿意關注你,關注你內在發生了什么,關注你想要成為一個什么樣的人,關注你渴望的是什么,關注你內心真正的想法的人,也許這個人就能幫你從泥潭中走出來,還能陪你一起箭步如飛的前行.
 
你的生命中有這樣的人嗎?

艾銻知識 |一文讀懂時延敏感網絡的調度整形機制

一、什么是時延敏感網絡
時延敏感網絡(TSN, Time Sensitive Network)是指能保證時延敏感流的服務質量，實現低時延、低抖動和零丟包率的網絡。
時延敏感流可分為周期時延敏感流(PTS, Periodic Time Sensitive)，比如工廠里的循環控制指令、同步信息，和非周期/零星時延敏感流(STS，Sporadic Time Sensitive)，比如事件告警信息。
對于周期時延敏感流，一般采用同步的調度整形機制，即要求全網設備進行精準的納秒級時鐘同步，其最早的思想來自時間觸發以太網(TTE, Time-Triggered Ethernet)，當前研究的機制包括時間感知整形(TAS)、循環排隊轉發(CQF)、基于信用整形(CBS)。
對于零星時延敏感流，一般采用異步的調度整形機制，即不需要全網時鐘同步，當前的研究機制包括基于緊急度的調度(Urgency-Based Scheduler，UBS)、帕特諾斯特機制(Paternoster)和幀搶占(Frame Preemption)。 看到這么多機制和新名詞，它們各自有什么作用，又有什么關聯和區別，大腦已經反應不過來了對不對?沒關系，忘掉以上名詞，接下來小編將帶領大家化繁為簡、抽絲剝繭、撥云見日，直擊時延敏感網絡調度整形機制的本質。

二、什么是調度整形機制
調度整形機制是交換機中的兩種服務質量保障機制，調度是指隊列調度，一般實現在交換機的出端口，包含進入隊列、根據調度算法選擇發送隊列、出隊傳輸三個部分;整形是指流量整形，通過限制端口的轉發速率從而防止交換機內部或下一跳出現擁塞。
三、如何實現低時延、低抖動和零丟包率
那么時延敏感網絡如何才能實現低時延呢?首先，網絡的每跳時延可分為鏈路傳播時延、交換機處理時延、出端口排隊時延三部分，而端到端時延為逐跳時延求和。鏈路時延和處理時延基本為固定值，所以減少時延必須要減少排隊時延，即時延敏感網絡的本質就是不排隊：先通過優先級隊列將時延敏感流和盡力而為流隔開，再從時間上(劃分時隙)或空間上(規劃路由)將同樣的時延敏感流隔開。 實現低時延后，包在交換機里的停留時間很短，包的累積不會超過隊列緩沖區大小，從而實現零丟包率;同時，抖動是指時延的變化差值，低時延降低了最壞時延，讓時延上界靠近時延下界，減小了時延的變化區間，從而也實現了低抖動。

四、PTS的頭號問題：配置時隙
傳統的以太網采用“盡力而為”的轉發，無法保證包的端到端最壞時延，時延敏感網絡采用類似時分復用的方式，為每一個包配置時隙，保證其有足夠的時間進行轉發。以下總結三種基于時間的調度整形機制和一個時隙配置模型。

• 時間觸發以太網(TTE)：把時間戳打在包上，通過時間表控制包的發送，讓每個包自己知道自己的發送時間，在發包側就將各個包的發送時間隔開，嚴格保證時延抖動滿足要求。
• 時間感知整形(TAS)：利用優先級門控隊列，即在優先級隊列后加上門控開關，通過門控時間表控制門控開關的打開閉合來保證時延抖動要求。其可以阻斷盡力而為流的持續轉發，讓高優先級的包得到穩定的間隔轉發時間，同時PTS流之間依然要將發包時間隔開，時延抖動保證效果才最好。比如每跳時延為T，共有n跳，則可保證端到端時延最大為nT。和TTE相比，讓優先級隊列決定包何時被轉發，降低了對發端的要求，同時時延抖動保證粒度也會弱一些。
• 循環排隊轉發(CQF)：把TAS里只用一個最高優先級隊列來接收時延敏感流，變為用奇偶兩個隊列循環接收，即所謂的乒乓隊列。其可以用于解決流聚合問題，如果兩個PTS流同時到達了，必有一個PTS要等待轉發，循環排隊轉發可以保證等待的流只等待前一個PTS流轉發，即一個周期T，自己再轉發一個周期T，假設共有n跳，則端到端時延可保證最大為2nT。

時隙配置模型：時隙的配置問題等同于二進制背包問題，是一個NP-hard問題，時延敏感網絡的流量調度和時隙配置架構流程如下圖所示，首先需要確定合適的轉發平面調度整形機制，然后中心化用戶配置(CUC)采集各個發端的發包周期、包大小、流大小、對時延抖動的要求等信息，以及網絡的拓撲信息，并將這些信息作為輸入，放入時隙配置模型中;模型包含一系列的多項式約束條件，可采用整數線性規劃(ILP)或可滿足性模理論(SMT)等方式進行建模，然后用解析器工具或者蟻群算法、模擬退火算法、遺傳算法、禁忌搜索算法等啟發式算法進行求解，最后輸出為滿足這些約束條件的一個時隙配置方案，并可采用離線靜態或者在線增量式的方法進行配置下發。
五、PTS的衍生問題：流聚合、流增量、流突發
流聚合：當拓撲復雜、拓撲不對稱、存在多個分支節點時，得到毫無排隊的時隙配置會非常困難，下游聚合節點會產生流聚合現象，導致PTS流排隊。CQF是一種解決流聚合的機制。
流增量：一般的配置方案是離線的靜態配置方案，每次計算出方案可能需要花費數個小時，然后進行部署，當有新的設備加入網絡時，需要考慮逐個的規劃時延敏感流的時隙配置，同時保證已下發的配置不受影響。目前結合SDN進行時延敏感網絡增量調度是一個比較火的方向，叫TSSDN(Time-sensitive Software-defined Network )。
流突發：當網絡中有零星時延敏感流時，很有可能與周期時延敏感流的轉發產生沖突，擾亂已有的時隙配置。混合時延敏感流調度是當前還沒有解決的一個問題。

六、PTS的共流問題：考慮混合流的QoS和網絡利用率
共流問題也叫做混合流問題，時延敏感網絡的流量可以分為三類：時延敏感流(TS)，速率限制流(RT)和盡力而為流(BE)。其中時延敏感流已在第一節介紹;速率限制流是指專業音視頻等有一定時延抖動要求，同時占用帶寬大，需要進行速率限制的流量;盡力而為流是普通的可以隨意轉發的以太網流量。
優先級等級上，TS > RT > BE，一般是轉發完TS流后，剩余的時隙用來轉發RT和BE流，并設立保護帶寬隔離三種流量。保證了PTS流的服務質量后，從網絡整體性能出發，還需要考慮保證RT和BE流的服務質量，降低其丟包率，并盡量提高整個網絡的帶寬資源利用率。

七、PTS的隱藏問題：時鐘漂移、廣域時鐘同步、復雜度和擴展性
PTS調度整形機制的實現都有一個大前提，那就是嚴格的全網時鐘同步，但由于溫度等原因，時鐘會產生漂移，一次時隙沒有對齊，就會導致包無法在預計的時刻被發送完，導致整個調度出現嚴重問題，只能重啟設備。
同時，當前的時鐘同步機制只能保證7跳以內大小的局域網內的時鐘同步，如何實現廣域的時鐘同步，在更大的范圍內實現時延抖動的保障，同時還要考慮實現的復雜度和實現成本，這些問題都有待討論。