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TSN 中的 CBS（Credit-Based Shaper）功能详解

news 2025/8/12 7:42:10

TSN 中的 CBS（Credit-Based Shaper）功能详解及其在 Linux `tc` 下的应用

时间敏感网络（Time-Sensitive Networking, TSN） 是为满足工业自动化、音视频传输、汽车电子等场景对以太网实时性和确定性需求而设计的一系列标准。Credit-Based Shaper (CBS) 是 TSN 标准（IEEE 802.1Qav）中非常关键的流量整形机制，主要用于保证音视频流或其他高优先级流量的带宽和延迟要求。

本文将详细介绍 CBS 的原理、参数含义，并结合 Linux tc 命令行工具的配置示例，帮助你理解和实践 CBS 的实际应用。

一、CBS（Credit-Based Shaper）原理简介

CBS 的作用：

限制某些优先级（通常是 AVB/TSN 流）流量的发送速率，防止其占用过多带宽，影响其他流量。
保障高优先级流量的带宽和延迟要求。

核心机制：
CBS 通过“信用分（Credit）”机制动态决定什么时候允许发送高优先级数据帧、什么时候暂停。其主要参数包括：

idleslope：信用增加速率（发送空闲时积累信用），即允许发送的最大带宽（bps）。
sendslope：信用消耗速率（发送数据时减少信用），一般为负值。
hicredit：信用上限，表示信用最多可以积累到多少。
locredit：信用下限，表示信用最低可以减少到多少。
offload：是否启用硬件 offload。

基本原理举例：

当高优先级队列空闲时，信用以 idleslope 速率增加。
一旦有数据需要发送，信用以 sendslope 速率减少。
只有当信用大于等于0时，队列才允许发送数据包，否则暂停。
通过这种机制，可以实现对流量的平滑整形，既满足带宽需求，又不会挤占低优先级流量。

二、Linux `tc` 配置 CBS 实践

在 Linux 中，CBS 可以通过 tc（traffic control）工具进行配置，结合多队列优先级调度（mqprio）实现对不同队列的流量分别整形。

1. 配置多队列优先级调度（mqprio）

tc qdisc add dev eth0 parent root handle 6666 mqprio \num_tc 2 \map 0 1 \queues 1@0 1@1 \hw 0

参数解释：

dev eth0：操作的网卡接口。
parent root handle 6666：根 qdisc 的句柄为 6666。
mqprio：多队列优先调度器（Multi-Queue Priority Qdisc）。
num_tc 2：配置 2 个 Traffic Class（TC），即2个优先级。
map 0 1：将 skb->priority=0 映射到 TC0，skb->priority=1 映射到 TC1。
queues 1@0 1@1：TC0 对应队列0，TC1 对应队列1（每个 TC 分配1个硬件队列）。
hw 0：使用软件调度。

此配置后，eth0 网卡下挂载了 2 个优先级队列，TC1 通常用于高优先级、实时流量，TC0 用于普通流量。

2. 在 TC1（高优先级队列）上绑定 CBS

tc qdisc replace dev eth0 parent 6666:2 cbs \idleslope 98688 sendslope -901312 hicredit 153 locredit -1389 \offload 0

参数解释：

parent 6666:2：将 CBS 挂载到 TC1（即 mqprio 的第 2 个 TC）。
cbs：指定信用整形器。
idleslope 98688：空闲时信用增加速率为 98,688 bps（可根据带宽需求调整）。
sendslope -901312：发送时信用消耗速率为 -901,312 bps（通常为负值，等于 idleslope - 线速）。
hicredit 153：信用最大值。
locredit -1389：信用最小值。
offload 0：不启用硬件 offload，由内核软件实现 CBS。

作用：

该 CBS 配置保证 TC1 队列（高优先级流量）不会长时间占用带宽，防止影响低优先级队列。
通过合理设置 idleslope、sendslope、hicredit、locredit，可以细粒度控制高优先级流的带宽和突发性，确保实时流量的服务质量。

三、CBS 参数调优建议

idleslope：建议设置为高优先级流量实际需要的带宽。例如，若 AVB 流量要求 100Kbps，可设为 100,000。
sendslope：通常为 idleslope - 链路速率。例如千兆网卡（1Gbps），则 sendslope = 100,000 - 1,000,000,000 = -999,900,000。
hicredit/locredit：影响突发带宽和延迟，通常根据最大帧长度、安全需求等计算。
offload：如网卡硬件支持 CBS，建议开启（offload 1），否则用软件实现。

CBS（Credit-Based Shaper）的四个核心参数：idleslope、sendslope、hicredit、locredit，直接影响流量的带宽保证和延迟性能。它们的计算方法和含义如下：

1. idleslope（空闲斜率）

定义：CBS空闲时信用增加的速率，等价于允许的最大带宽，单位为bps。
计算方法：
- 一般直接设置为该队列期望保证的带宽。
- 公式：
```
idleslope = 流量类的保证带宽（bps）
```
- 例如，若希望为该队列保证100Mbps，则idleslope = 100,000,000。

2. sendslope（发送斜率）

定义：CBS发送数据时信用减少的速率，单位为bps，通常为负值。
计算方法：
- sendslope = idleslope - portTransmitRate
- portTransmitRate为物理端口的总速率（如1000Mbps = 1,000,000,000bps）。
- 公式：
```
sendslope = idleslope - 端口速率
```
- 例如，端口为1Gbps，idleslope为100Mbps，则sendslope = 100,000,000 - 1,000,000,000 = -900,000,000。

3. hicredit（信用上限）

定义：信用值能积累的最大正值，防止信用无限累积导致突发。
计算方法：
- hicredit 反映了流量突发时，最多允许“借用”多少信用。
- 一般与最大帧长度和端口速率有关。IEEE 802.1Qav标准推荐：
```
hicredit = ceil(MaxFrameSize * portTransmitRate / idleslope)
```
  其中，MaxFrameSize为最大传输帧长度（以字节为单位，通常为1518字节或更大），portTransmitRate和idleslope单位一致，需注意字节与比特转换（1字节=8比特）。
- 例如：
  - MaxFrameSize = 1522字节（含VLAN），即1522*8=12176比特
  - portTransmitRate = 1,000,000,000bps
  - idleslope = 100,000,000bps
  - hicredit = ceil(12176 * 1,000,000,000 / 100,000,000) = ceil(12176000000 / 100,000,000) = ceil(121.76) = 122

4. locredit（信用下限）

定义：信用值能减少到的最小负值，防止过度消费信用。
计算方法：
- locredit 表征最大可“透支”额度。与最大帧长度相关，标准推荐：
```
locredit = -ceil(MaxFrameSize * (portTransmitRate - idleslope) / portTransmitRate)
```
  或有时简化为：
```
locredit = -ceil(MaxFrameSize)
```
- 以标准推荐为例：
  - MaxFrameSize = 1522字节 = 12176比特
  - portTransmitRate = 1,000,000,000bps
  - idleslope = 100,000,000bps
  - locredit = -ceil(12176 * (1,000,000,000 - 100,000,000) / 1,000,000,000)
  - = -ceil(12176 * 0.9) = -ceil(10958.4) = -10959

5. 参数设置示例

假设端口速率为1Gbps，最大帧长度1522字节，保证带宽100Mbps：

idleslope = 100,000,000
sendslope = 100,000,000 - 1,000,000,000 = -900,000,000
hicredit = ceil(12176 * 1,000,000,000 / 100,000,000) = 122
locredit = -ceil(12176 * (1,000,000,000 - 100,000,000) / 1,000,000,000) = -10959

6. 实际应用注意事项

MaxFrameSize 取决于网络配置，建议按实际最大帧（含VLAN tag等）设置。
idleslope 不宜超过端口速率的75%，以防冲突。
多队列时，需为每个CBS队列分别计算参数，且所有idleslope之和不应超过端口速率。

如需进一步的参数计算案例或配置实例，可补充说明。

四、总结

CBS（Credit-Based Shaper）是 TSN 网络中保障高优先级流量实时性和带宽的关键技术。通过 Linux tc 工具结合 mqprio 和 cbs，可以灵活地在多队列以太网设备上实现 TSN 的流量整形与控制。合理配置 CBS 参数，不仅能保证关键流量的服务质量，还可以防止对普通流量的影响，是构建工业级、确定性以太网的基础。

参考资料：