TSN帧抢占测试：为数据传输打造“绿色通道”-电子发烧友网

导语：

在复杂多变的汽车、工业控制等领域中，数据传输的时效性和确定性至关重要。在TAS或CQF等调度整形机制中，将不同优先级业务映射到不同队列中，使高优先级业务在发送时不会受到低优先级业务的干扰，从而保证工业控制业务等高优先级业务的端到端低时延和确定性传输。

然而，高优先级队列的服务时间是有限的，需要周期性的“开”和“关”，从而使其他类型业务也能进行传输。一方面，如果高优先级业务在队列为“关”的状态，则需要在队列中等待，进而增加其等待时延；另一方面，在低优先级队列服务时间截止，而高优先级队列服务时间开启的切换时刻，如果低优先级队列正好有数据帧发出，则为了保持高优先级队列业务数据发送时链路完全处于可用状态，高优先级队列中的数据帧还要等待一定时间后才能发送，即低优先级反转的风险。

为了确保高优先级业务能够迅速、准确地到达目标，TSN（时间敏感网络）帧抢占技术应运而生，它如同一条为数据传输打造的“绿色通道”，让关键信息在拥堵的网络中畅通无阻。

一、帧抢占技术的原理

帧抢占技术的工作原理就像是道路上的“应急车道”。在数据传输过程中，高优先级的快速帧（Express Frame）能够打断正在发送的低优先级可抢占帧（Preamble Frame），并在其传输完毕后，再继续完成剩余可抢占帧切片的传输。

为了实现帧抢占功能，IEEE802.3br定义了新的MAC功能接口，即快速MAC（express MAC，eMAC）和可抢占MAC（preamble MAC，pMAC）。另外，IEEE802.3br还定义了新的进行中断、分组和重组功能的MAC子层功能，即MAC合并子层（MAC Merge Sublayer）。

图1 支持帧抢占的MAC子层模型

根据MAC接口的不同，定义了两种数据帧：由eMAC处理的数据帧被称为快速帧（Express Frame），代表高优先级帧；而pMAC处理的数据帧被称为可抢占帧（Preamble Frame）,代表低优先级帧或普通帧。

在发送端，MAC合并子层负责可抢占帧多个分段的封装、校验、计数等功能，可抢占帧以一个或多个数据片段的形式传送，多个可抢占帧数据片段间可能穿插快速帧，被快速帧中断的多个可抢占帧数据片段在接收端的MAC合并子层进行重新组装，并向上递交完整的数据帧。帧抢占的操作只在数据链路层进行，MAC合并子层有效的屏蔽了向上层和物理层的相关操作，因此，并不会对其他层的协议造成影响。这样一来，高优先级业务就能在短时间内迅速完成传输，大大提高了数据传输的时效性和确定性。

二、帧抢占的数据分组格式

由于MAC合并子层具有对不同类型的业务流数据分组进行拆分和重组的功能，所以在IEEE802.3br中定义了MAC合并子层的数据分组格式，称为mPacket，其可承载的数据如下：

①一个完整的快速帧；

②一个完整的可抢占帧；

③可抢占帧的初始数据片段；

④可抢占帧的连续数据片段；

与标准以太网帧格式不同，mPacket需要对快速帧和可抢占帧进行标记，并且需要对可抢占帧不同的数据片段进行标记。因此，IEEE802.3br定义了两种类型的mPacket格式，分别为第一类mPacket格式和第二类mPacket格式。

图2 支持帧抢占的数据分组格式类型

其中，第一类mPacket格式主要用于完整的快速帧、完整的可抢占帧或可抢占帧的初始数据片段。而第二类mPacket格式主要用于可抢占帧的连续数据片段。

mPacket类型	SMD标记	分段计数器	SMD字段取值
验证数据帧	SMD-V	-	0X07
响应数据帧	SMD-R	-	0X19
快速数据帧	SMD-E	-	0XD5
可抢占数据帧的初始数据片段	SMD-S0	0	0XE6
SMD-S1	1	0X4C
SMD-S2	2	0X7F
SMD-S3	3	0XB3
可抢占数据帧的连续数据片段	SMD-C0	0	0X61
SMD-C1	1	0X52
SMD-C2	2	0X9E
SMD-C3	3	0X2A

三、帧抢占功能测试的必要性

在时间敏感网络（TSN）中，帧抢占技术通过允许高优先级业务中断低优先级业务的传输，为关键数据（如工业控制、车联网等场景）提供了低时延、高确定性的传输保障。然而，这一机制的高效运行依赖于设备对协议标准的严格遵循及对复杂网络环境的可靠适应能力。因此，帧抢占功能测试至关重要。

首先，测试能够验证设备是否准确实现IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br标准要求的功能，例如高优先级帧的即时抢占、低优先级帧的切片与重组，确保跨厂商设备的互操作性和协议兼容性。

其次，通过模拟网络拥塞、数据分片丢失或校验错误等异常场景，测试可评估设备在故障条件下的容错能力，例如检测到错误mCRC时能否正确丢弃无效数据片段，从而避免低优先级数据干扰高优先级业务的传输。

此外，测试还能量化设备在实时性、带宽利用率及优先级调度效率等维度的性能表现，为优化网络配置提供数据支撑。例如，借助信而泰TSN网络测试仪，研发人员可精准分析设备在混合流量下的切片与重组效率，诊断潜在瓶颈，确保其在复杂工业环境中的稳定性和可靠性。

综上所述，帧抢占功能测试不仅是技术落地的必要验证环节，更是提升网络确定性、保障关键业务服务质量的核心手段。

四、帧抢占功能测试方法

帧抢占功能测试典型的测试拓扑为两种，分别是帧抢占切片能力测试和切片合成能力测试。

图3 帧抢占协议切片能力测试拓扑示意图

如图3所示，本测试场景主要聚焦于验证DUT的MAC子层中断与分片能力。测试通过构造快速帧与可抢占帧并行传输模型，由测试仪同时发送快速帧和可抢占帧至被测交换机，DUT需基于IEEE 802.3br标准，通过可抢占MAC（pMAC）将低优先级帧分片，允许高优先级快速帧抢占链路。接收端统计Port Qbu数据可观测可抢占帧的分片转发情况，同时通过捕获报文分析分片格式（如SMD标记、分段计数器等），确保DUT能够动态中断可抢占帧并插入快速帧，且分片标记与协议要求一致，从而验证协议兼容性与分片机制的有效性。

图4 帧抢占协议切片合成能力测试拓扑示意图

如图4所示，本测试场景旨在验证DUT的MAC合并子层重组能力。测试通过构造快速帧与可抢占帧混合传输模型，由测试仪将混合流量发送至被测交换机，DUT需根据mPacket标记（如SMD-S0/S1等初始片段与SMD-C0/C1等连续片段）对可抢占帧分片进行识别与重组，恢复完整数据帧。接收端通过统计合法恢复报文数量及捕获重组后的可抢占帧，确认DUT的协议遵循性。

五、TSN网络测试仪参考配置

1、帧抢占协议切片能力测试

测试仪通过两个测试端口模拟TSN终端，并分别构造快速帧和可抢占帧流量。主要配置包括，使能VLAN，并设置VLAN ID均为10，且快速帧优先级为7，可抢占帧优先级为0（优先级参数可自定义，只要快速帧优先级高于可抢占帧即可），如下图。

测试仪同时发送两个测试端口上的快速帧与可抢占帧至DUT。查看Port Qbu Statistic统计，可以看到可抢占帧已经被分片进行转发了。验证了DUT在MAC子层中关于pMAC的中断分组能力的有效性。

2、帧抢占协议重组能力测试

测试仪通过一个测试端口构造快速帧与可被抢占帧混合流量。

配置快速帧流量。按照测试环境，使能VLAN，并设置VLAN ID为10，优先级为7，如下图。

配置可抢占帧分片流量。使能VLAN，并设置VLAN ID 为10，优先级为0。且添加多组分片报文，分片报文长度可以根据需求设置成递增，递减，随机大小。

测试仪将混合流量发送至DUT，查看Port Qbu Statistic统计，可以看到快速报文总数、合法快速报文总数及正常恢复报文总数的统计。验证了DUT在MAC子层中关于pMAC的重组能力的有效性。

在流量接收端口处捕获报文，可以查看到被重组后转发出来的可抢占帧数据。

同时，在这过程中可以进行一些故障注入测试，如：构造mCRC校验错误，前导码错误等情况，验证DUT在故障发生时的处理机制是否符合要求。例如，对其中一个可抢占帧数据片段进行mCRC造错后，帧抢占机制将检测数据片段的完整性，在出现mPacket传输错误的情况下，会将该可抢占分组数据的所有mPacket帧丢弃。