Ethernet TSN の QoS（7）その他時間帯の QoS：Credit Based Shaper(帯域制御)

CBS( Credit Based Shaper)の基本動作原理は、リーキーバケットモデルだ。図1 の様に、蛇口から注いだ水がバケツの穴から常に一定量漏れ出すモデルだ。さらに細かく分類すれば「 Leaky bucket as a meter 」に準じたモデルだ。判定ポイントで、バケツに Credit (トークン)が十分あれば、パケットを出力し、足りなければパケットは止まる。パケットはキューに蓄積され、キューに収まらない場合は、キューの末尾で廃棄される(図2)。

Ethernet TSN のリーキバケットモデルは、一般的なモデルとは少し異なる。一般的なモデルでは、送信パケット長に見合う水位(Credit)になればパケットを送信できる(図3(a))。CBS では、Credit≧0 であればパケットを送信できる。Credit は送信の状況によりプラス領域とマイナス領域で変化する(図3(b))。Credit 加減算の考え方は同じだが、判定レベルの違いや底が抜けたバケツの様な形をしていることに注意いただきたい。

一般的なモデルは、初期状態が「0」でスタートした場合、Credit が一定量蓄積されるまではパケット送信ができない。これに対し、CBS モデルは初期状態が「0」でスタートするため、最初からパケット送信ができる。一般モデルでも、初期状態を「判定レベル」に変えれば、CBS モデルと同じ動作が可能だ。つまり、この2つのモデルは表現は異なるが同じ動作が可能だ。いずれのモデルも、バーストに関しては Credit の増減により抑制されるが完全に抑えることはできない。元々、SRクラスA ストリームは、比較的小さいパケットをバースト送信することで、応答性の改善を狙った面もあり、積極的にバーストを抑えているわけではない。

一般的なモデルは、判定レベルを変えることで送信レートを変える。これに対し、CBS モデル
は「sendSlope」と「idleSlope」を変えることで送信レートを変える。

CBS は、SR クラスA/B にそれぞれ用意されたキューからパケットを取り出すための仕組みだ。 SR クラスA/B のそれぞれにキューと Credit を持っている。CBS 動作は、次の4つのパラメータで動作が決まる。各パラメータのイメージは、図4 を参照いただきたい。

図5 は CBS の動作例だ。Credit の初期値は「0」で始まる。SR クラスパケットを受信しキューに格納中は Credit は減少しない。Credit≧0 でパケット送信ができるため、パケット1 のキュー格納が完了すると送信が始まる。パケット送信が始まると sendSlope の割合で Credit は減少し、送信が完了すると idleSlope の割合で Credit は「0」まで増加する。

Credit 増加中(マイナス領域)にパケット2を受信しキューに格納されるが、 Credit≧0 になるまで待たされ、Credit=0 になったところでパケット2の送信が始まる。パケット送信が始まると sendSlope の割合で Credit は減少し、送信が完了すると idleSlope の割合で Credit は 「0」まで増加する。

Best Effort の先行パケットの送信が始まり、パケット3は待ち状態になる。この状態では、プラス領域であっても Credit は増加する。先行パケットの送信が完了すると、パケット3の送信が始まり sendSlope の割合で Credit は減少する。Credit は SR クラスパケット送信中減少するため、「0」を超えマイナス領域まで減少する。送信が完了すると idleSlope の割合で Credit は増加する。

図6 は Credit プラス領域での Credit 増減の例だ。パケット3の送信時間が短く、送信完了時 Credit はまだプラスになっている。しかし、継続して送信する SR クラスパケットが無い場合は、 Credit は「0」クリアされる。つまり、SR クラスパケットがキューに滞留していない状態では、 Credit は常に「0」以下になっている。

ここまでは「その他時間帯」での CBS 挙動の話だ。Credit は「その他時間帯」で使用するが、その他時間帯の中にある「Guard Band」と「CDT 専用時間帯」での挙動を決める必要がある。 図7 の様に、ガードバンドで SR クラスパケットが送信中であれば、 sendSlope の割合で Credit は減少する。送信完了または送信していない状態では、Credit は変化しない。CDT 専用 時間帯では、Credit は変化しない。

IdleSlope/sendSlope/hiCredit/loCredit の計算式は次のようになっている。物理層を含むイーサネットフレーム形式は図8 だ。ここまで Byte 単位で話を進めてきたが、 IEEE 802.1Qav 規格では、bit または bit/秒を使用する。注意いただきたい。