TAS门控机制是TSN标准中的一个关键组成部分，用于确保网络中的时间敏感数据的传输具有低延迟和低抖动。TAS通过一种被称为“开关门”的机制来控制数据包在网络中的传输时间，从而优化网络性能。

门控传输的原理

IEEE 802.1Qbv标准定义了时间感知整形器（TAS，Time-Aware Shaper），在TSN交换机中实现确定性传输。TAS基于交换机存储转发区的八个优先级队列，使用门控列表对不同队列进行周期性地开关门操作。只有当队列的门开启时，队列中的数据帧才能被发送；门关闭时，数据帧将在队列中等待。这种机制确保不同类型的数据流独立传输，关键的时间敏感流具有确定性时延。

TAS 的周期性调度基于纳秒级的高精度时钟同步，通过门控列表（GCL，Gate Control List）周期性地调度数据流。TAS的开关机制隔绝了非周期性的非关键性数据流对周期性发送的关键数据帧的影响。时间感知整形器结构如图1所示：

图1 时间感知整形器结构图

TAS传输机制中的门控队列相互独立，但在门控列表更改状态的过程中，由于数据帧发送时间为一个时间段，立刻关门的过程中无法直接中断，仍会继续传输，对下一时隙传输的数据帧造成干扰。对此TSN工作组定义了保护带的概念，如图2所示：

图2 TAS机制中门控保护带的效果图

传统的保护带是在开关门之间设立一个由最大以太网帧长Frame_Max和传输速率 SP确定的全关时间，保证剩余传输的数据帧可以传输完成。但这种方法存在浪费带宽的不足之处，此保护带大小T_guardband计算方式如下所示：

现交换机也可通过待发送数据帧之前对传输时隙进行检验，省去占用带宽资源的全关保护带，即在数据帧发送之前，交换机当前队列剩余的时隙资源T_remain与待传输的当前数据帧的帧长Frame_size所需的时隙资源T_request进行比较，若剩余的时隙资源不足以发送目标的数据帧，则停止该数据帧的传输，避免影响下一个门控时隙的数据帧传输，仅当前剩余的时隙资源T_remain满足所需传输时隙资源T_request的情况下再进行传输，满足条件如下所示：

TAS借助其周期性的门控循环精确地控制交换机端口各个队列中的数据帧的传输，为关键数据流提供一个可预测的传输延迟，提供了确定性的传输服务。

TSN使用存储转发网络，对应传输时延包括交换机的发送时延T_trans、处理时延T_proc、排队时延T_queue和传播时延T_prop。传输时延模型如下所示：

传输时延中的处理时延由交换机自身的性能决定，可以优化但无法消除；发送时延与数据帧的帧长和交换机的发送速率有关；传播时延为数据帧在传输介质中的传输时间，由于光速传播的电/光信号，TSN应用于局域网络，此时延可忽略。

合理的数据流调度可以减少排队时延的产生，实时性最高可以将排队时延降为零，此时数据帧到达交换机的存储转发队列后对应队列的门控通道为开启状态并且目标发送端口无其他数据帧正在传输，数据帧直接完成存储转发，数据帧的端到端传输时延仅包括发送时延和处理时延。

使用TAS的不同传输队列结合门控机制可以避免不同优先级对应的各种类型数据流之间的影响，而精准地控制终端发送数据流的传输时间，不仅可以使得数据帧的到达时间与交换机的循环时隙保持统一，还可以进一步避免同一优先级的相同类型数据帧之间的影响，实现无占用时隙资源冲突的直接转发传输。

数据帧在无冲突的情况下开始传输时间T_up和传输完成时间T_down之间理想的门控开门时隙为交换机发送数据帧的时间T_trans，如下所示：

数据帧在传输时会受到交换机软硬件系统状况和同步误差等因素造成的不确定性影响，对此确定性传输开门时隙应预留出不确定因素引起的不确定时间T_undet，增大开门时隙，如下所示。确定性传输开门时隙如图3所示：

图3 确定性传输开门时隙效果图

终端设置发送相位偏移offset避免各数据帧所需的时隙资源产生冲突，即可实现数据帧的直接转发，在相应偏移的加持下任意两条数据帧的占用时隙满足传输条件如下所示：

总结

时间感知整形器通过对 TSN 交换机存储转发区的队列划分和门控机制，以及保护带的引入，为时间敏感网络中的数据传输提供了确定性的保障。在未来的发展中，随着TSN应用场景的不断拓展，TSN交换机的TAS机制需要终端设备更多地协同配合，以充分发挥时间敏感网络确定性传输能力，有效地通过门控机制对流量进行整形，从而满足各数据流的传输质量要求。