來源：TSNLAB 微信公眾號
TSN近期技術係列文章第一篇，從以下幾點，寫寫ATS（Asychronous Traffic Shaping，異步流量整形）。
•ATS原理簡述與標準沿襲
•ATS對比CBS
•ATS對比HQoS
•ATS的未來
關於ATS的技術細節，公眾號
中寫了一個係列7篇關於ATS的文章，很詳細，推薦感興趣的讀者去觀看。
一、ATS原理簡述與標準沿襲
回顧一下《TSN調度機製，看這一篇就夠了！》，其中ATS相關內容原文拷貝過來：
異步流量調度（ATS，Asynchronous Traffic Shaping），也和單速令牌桶機製有點像，甚至ATS調度器的關鍵配置參數就是cir（CommittedInformationRate）和cbs（CommittedBurstSize）。簡單來講，cir控製整形器允許通過的整體速率，cbs控製整形器能容忍的突發程度。TSN標準中，ATS核心算法部分寫了一大堆偽代碼，看得人雲裏霧裏，但實際上這段偽代碼本質上就是在描述單速令牌桶的整形機製。不過，ATS的優點在於，通過在報文入隊時運行算法，給報文分配一個允許調度時間（EligibilityTime）。這樣，在傳輸選擇機製進行判斷的時候，不需要再重新執行令牌桶的計算。另外，ATS還有一個調度器組的概念，即多個ATS調度器可屬於一個ATS調度器組。ATS的偽代碼還描述了當ATS調度器組對應一個物理上先入先出（FIFO）隊列時的情況。反過來，ATS調度器不依賴於和硬件調度隊列進行綁定，因此，ATS調度器可以進行靈活的整形，逐流、或逐彙聚流整形，均可。通過使用ATS進行逐跳整形，網絡中不產生大突發和突發彙聚，整體的網絡性能會得到改善。
《TSN的異步整形（ATS）(1)：基本思想》裏麵也提到，ATS最早源自Johannes Specht（802.1Qcr標準的Editor）在2013年提出的基於緊急度的調度器（UBS）。我在2019年的時候和Johannes本人聊過為什麼在標準討論過程中，UBS逐漸演變成了ATS，從他的回答中總結出最核心的原因是，IEEE 802.1需要定義出來的新調度器/整形器在工程上是相對易於實踐的。可以看到，現在的ATS允許多流在同一個隊列中調度，例如有1000條流經過交換機，交換機還是隻支持經典的8隊列，那也是可以用ATS的。這樣，ATS終於成為了802.1Q中繼SP、CBS、ETS、TAS之後的第五個傳輸選擇算法。
二、ATS對比CBS
在技術上，我們認為ATS顯著優於CBS，原因如下。1，CBS約等於桶深為0的、可以欠一個報文的令牌桶整形器（不完全等於，因為CBS中隊列在等待時credit會累積到超過“桶深”），而ATS可以配置“桶深”，即CommittedBurstSize，所以ATS在可以實現類似CBS的整形效果的同時，配置更靈活；2，CBS是基於class的整形，同class流量之間的幹擾無法消除，而ATS可以基於流、彙聚流、class進行交織整形，可以較好地按需保持流之間的隔離性；3，CBS早期缺乏對時延保障的準確量化計算，僅對七跳拓撲提供配置推薦，雖然後續也可以通過理論分析進行準確計算，但ATS的量化方式擴展性更好，在任意拓撲、任意流量下，可以基於流量模型計算出配置，難度顯著低於CBS。
但是CBS目前在商業上更成功，雖然這得益於AVB的先發優勢，但其中也有值得借鑒的經驗。AVB profile中進一步限製了CBS隻能用於最高、次高優先級隊列，分別調度音頻、視頻，再配合SRP資源預留和1588v2時間同步，形成了雖有局限但能解決特定場景問題的完整網絡方案，提供給上層使用。這是ATS未來可以參考的部分。
三、ATS對比HQoS
我認為僅就ATS在標準中的定義而言，是可以通過兩層HQoS來等效實現的。
HQoS（Hierarchical Quality of Service），層次化QoS，是很常見的用在路由器、交換機上的方案。HQoS可以是兩層、三層、四層、五層等，而且一般每一層都能單獨配置一個令牌桶整形器，更多信息讀者可以自行查找。從公開的文檔裏隨便找了個圖：
假設一個支持8個ATS整形器組、每組支持8個ATS整形器的ATS設備。那它的功能就是：基於流量識別把報文放入64個ATS整形器中的一個，並且依照該ATS整形器的cir和cbs的配置為該報文計算EligibilityTime；隨後，這個報文在其所屬的ATS整形器所對應的ATS整形器組中遵循FIFO排隊，並且輪到自己時，當前時間必須大於等於EligibilityTime方可被調度。ATS整形器組之間的調度方式可任意配置，如SP。
好，接下來我們來看一個兩層HQoS隊列，上層8隊列，每個上層隊列又對應下層8個隊列，每個下層隊列可以配置令牌桶整形器的cir和cbs。同樣的，基於流量識別把報文放入64個下層隊列中的一個，並且依照該下層隊列對於令牌桶所配置的cir和cbs來維護令牌桶狀態，當且僅當報文能取走足夠的令牌桶時（令牌桶的具體機製不清楚的讀者請自行查資料），該報文可以進入上層隊列，並在其中遵循FIFO排隊。上層隊列之間的調度方式可任意配置，如SP。
這裏的關鍵，一是計算EligibilityTime的本質，就是在基於注入速率cir、桶深cbs的情況下，計算到什麼時間才能有足夠的令牌，所以和傳統令牌桶機製中，令牌夠了才允許調度是一個道理；二是，ATS中的當前時間大於EligibilityTime，和HQoS中zhong的de令ling牌pai桶tong中zhong獲huo取qu了le足zu夠gou的de令ling牌pai，都dou是shi該gai報bao文wen被bei選xuan擇ze發fa送song的de必bi要yao不bu充chong分fen條tiao件jian，即ji不bu滿man足zu條tiao件jian一yi定ding不bu能neng被bei發fa送song，但dan滿man足zu條tiao件jian也ye不bu一yi定ding馬ma上shang能neng被bei發fa送song（因為ATS調度器組或HQoS上層隊列之間還有調度上的競爭）。
另外，ATS中的最大駐留時間，可以通過配置緩存、配置流量監管等方式等效實現。
歡迎讀者們討論或嚐試證偽“ATS可以由HQoS實現”這個命題。如果這個命題成立，對於加速ATS的應用，是個利好。
四、ATS的未來？
如果不局限於IEEE 802.1Q標準的ATS本身，即不把ATS僅僅當做單節點整形器來看待，而是考慮ATS作為一種網絡端到端的確定性方案，再聯係到學術界關於ATS廣泛的研究，其實ATS的核心理念就是，“在源端或網絡入節點，盡量把流量突發整形為相對平滑的模式，從而改善整個網絡的性能。同時可以通過數學分析給出流量的時延上界”。
我(wo)們(men)十(shi)分(fen)認(ren)同(tong)這(zhe)個(ge)理(li)念(nian)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)大(da)規(gui)模(mo)網(wang)絡(luo)中(zhong)。就(jiu)好(hao)比(bi)交(jiao)通(tong)係(xi)統(tong)，輔(fu)路(lu)彙(hui)入(ru)主(zhu)路(lu)時(shi)，如(ru)果(guo)輔(fu)路(lu)隻(zhi)有(you)一(yi)條(tiao)道(dao)，即(ji)使(shi)輔(fu)路(lu)車(che)流(liu)大(da)，也(ye)隻(zhi)會(hui)在(zai)輔(fu)路(lu)上(shang)排(pai)隊(dui)，對(dui)主(zhu)路(lu)的(de)影(ying)響(xiang)較(jiao)小(xiao)；反之，如果輔路三條道，主路三條道，彙聚後還是三條道，那隻要車流量較大時，必定就會形成一個擁塞點。
大規模網絡中，很多問題都是突發引起的，有大尺度的突發（例如著名的TCP全局同步問題），也有小尺度的突發（例如一個視頻業務，其流量就有顯著的突發特征）。ATS中通過合理配置cir和cbs就可以分別處理這兩個問題。甚至我們可以用博弈論中經典的囚徒困境來類比（簡單理解，在各方無法有效溝通的前提下，招供是每個人的最優策略，但每個人都招供，會造成總體結果非最優，即損人不利己的結果）：
從小尺度突發的角度，例如一個視頻APP，對於開發者而言，不做額外的平滑流量的操作是更優、更簡單的，但是成千上萬的微突發最終可能會造成某一跳的擁塞。而有了ATS，可以在網絡邊緣側（網絡入口）直接通過配置較小的cbs“吃掉”突發。
從大尺度突發的角度，TCP的各種擁塞控製算法，包括QUIC裏(li)麵(mian)的(de)擁(yong)塞(sai)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)，都(dou)需(xu)要(yao)盡(jin)快(kuai)給(gei)用(yong)戶(hu)探(tan)到(dao)一(yi)個(ge)更(geng)高(gao)且(qie)相(xiang)對(dui)合(he)理(li)的(de)發(fa)送(song)速(su)率(lv)。在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)就(jiu)先(xian)不(bu)過(guo)多(duo)展(zhan)開(kai)，但(dan)整(zheng)體(ti)看(kan)來(lai)，網(wang)絡(luo)中(zhong)無(wu)時(shi)無(wu)刻(ke)都(dou)有(you)千(qian)千(qian)萬(wan)萬(wan)組(zu)終(zhong)端(duan)在(zai)各(ge)自(zi)為(wei)戰(zhan)的(de)做(zuo)這(zhe)件(jian)事(shi)，這(zhe)就(jiu)是(shi)個(ge)非(fei)合(he)作(zuo)博(bo)弈(yi)的(de)過(guo)程(cheng)，最(zui)終(zhong)的(de)結(jie)果(guo)也(ye)終(zhong)究(jiu)難(nan)以(yi)逃(tao)離(li)“損人不利己”的納什均衡。而有了ATS，可以在邊緣側直接用cir控製流量平均速率的上限，對於用戶而言，就是花多少錢，買多少服務，不需要自己去探索了。（ATS是否傷害到網絡的統計複用性？一種簡單的解決方法是，對於對服務質量有要求的業務，可以“購買”ATS的服務，即成為ATS業務，並且對於非ATS業務而言是絕對高優先級，而非ATS業務可以複用所有剩餘帶寬。）
也就是說，ATS直接“堵死了”招供這條路，從而破解了囚徒困境（想必我是第一個從ATS講到博弈論的人哈哈哈）。
當dang然ran，實shi際ji的de模mo型xing會hui更geng複fu雜za。大da規gui模mo網wang絡luo下xia的de性xing能neng研yan究jiu，就jiu好hao比bi宏hong觀guan經jing濟ji學xue一yi樣yang，影ying響xiang因yin素su太tai多duo，但dan又you經jing常chang很hen難nan判pan斷duan哪na些xie因yin素su是shi主zhu要yao因yin素su，建jian模mo也ye很hen難nan建jian的de準zhun。所suo以yi雖sui然ran我wo們men猜cai測ce，如ru果guo廣guang泛fan在zai網wang絡luo邊bian緣yuan節jie點dian部bu署shuATS，可能可以大幅度改善網絡整體性能，但也沒有能力自己去證明這個事情啦。所以在此拋出來，寫給有緣的讀者吧。