TSN 专题 · 第二批 · 第 2 篇：上一篇留了个坑——Qbv 的保护带按"最大帧"留，带宽白流。Qbu 就是来填这个坑的。

Qbv 篇结尾说过：门不能当即时关，因为帧一旦开始发送就停不下来，只能等它发完——所以每个条目都得额留一段保护带给当前帧收尾。千兆车载链路上一个 1500 字节的帧要占约 12 µs，一个 250 µs 的周期里四个条目都留，最多 48 µs 就白白流走了，接近两成带宽。

这篇讲 802.1Qbu 帧抢占：让帧可以被掐断，把保护带从"一整个大帧"缩到"一个碎片"。

一、两个标准，一套机制

帧抢占这件事由两个标准合起来定义，分工明确：

标准管什么
802.1Qbu桥这一侧：每条队列/优先级标记为 express（快）还是 preemptable（可抢），默认全部 express
802.3brMAC 这一侧（Interspersing Express Traffic）：MAC Merge 子层怎么把帧掐断、续传、重组

MAC 侧的结构一句话：一个端口挂两套 MAC。

  • eMAC（Express MAC）：快车道。跑 express 队列的帧，永远不被打断
  • pMAC（Preemptable MAC）：慢车道。跑 preemptable 队列的帧，随时可能被掐
  • MAC Merge 子层：两套 MAC 复用一个 PHY，它负责在两者之间"插队"

两种插队方式：掐断——pMAC 的帧正在发，eMAC 有帧要发，当场在碎片边界切断；拦截——pMAC 还没开始发，eMAC 直接按住不让它启动。后者连碎片都不产生，express 的延迟最干净。

二、抢断的规矩：不是想掐就掐

抢占有几条硬规矩，全是为了让接收端能还原：

  1. 已发至少 60 字节、剩余至少 64 字节才允许掐。剩余不足 64 字节的尾巴不值得抢（也保证了每一片都不是 runt）；总共不到 124 字节左右的短帧根本抢不动——小帧密集的场景，Qbu 帮不上忙
  2. 只能掐在碎片边界：当前碎片发完（带一个 4 字节的 mCRC 碎片校验），eMAC 帧才上线
  3. 续传有身份：pMAC 恢复发送时带 SMD-C 续传标记，且每续一片 FRAG_COUNT 加一——接收端靠它发现"中间丢了一片"，绝不把错位的碎片拼成一帧
  4. 只有最后一片带整帧 FCS：中间碎片只保自己那片，最后一片才携带原始帧的完整校验

线上的样子大概是这样：

原 pMAC 帧（1522B）：
[SMD-S 起片 64B][      剩余 ~1400B      ]
                        ↑ eMAC 就绪，在碎片边界掐断
实际线上：
[SMD-S 起片+mCRC][ express 帧 ][SMD-C 续片+mCRC][SMD-C 续片+mCRC] … [尾片+FCS]

（SMD 是 Start mPacket Delimiter，占前导最后一个字节的位置，标记这片是起片、续片还是 express 帧——PHY 完全感知不到抢占的发生，这就是为什么 802.3br 起名"交织快车道流量"。）

三、算账：保护带从 12 µs 到 0.6 µs

保护带的本质是"不可打断的发送时间"。抢占把这个量从最大帧换成一个碎片：

链路不抢占（1518B 帧）抢占后（64B 碎片 + 同步误差）缩水比
100 Mb/s~120 µs~6 µs 量级约 1/20
1000 Mb/s12.1 µs约 0.6 µs约 1/20
10 Gb/s1.2 µs~0.1 µs 量级约 1/10

回到 Qbv 篇那个 250 µs 的周期：四个条目、每个保护带从 12 µs 换成 0.6 µs，每周期省出约 46 µs，接近 19% 的带宽还给了数据流量。

代价也不是没有：

  • 每片约 8 字节开销（SMD + mCRC + 续传），1522 字节的帧最多被切成 24 片——片越多，额外字节越多
  • 速率越高，保护带里"同步误差"项的占比越大（百兆时碎片项占九成以上，百 G 时反而一半以上是同步项）——高速链路上，省大帧的钱被同步精度吃回去一半，别指望线性受益

四、逐跳进行，不是端到端

一个容易误解的点：抢占是链路级机制，不是端到端。每台交换机把收到的碎片完整重组成整帧、正常查表转发，再到自己的出口决定要不要重新碎片化。

好处很直接：

  • 中间可以混着不支持 Qbu 的老设备——那段链路上没有抢占收益，但协议照常工作
  • 每跳的收益独立计算，端到端延迟是"每跳分别算出来再累加"

五、开启之前：协商与验证

抢占不能单方面打开——你发碎片过去，对端要是普通 MAC，直接把 mCRC 当成帧内容，一场灾难。所以 802.3br 规定了验证流程：

  1. 通过 LLDP（Additional Ethernet Capabilities TLV）告知对端"我支持抢占"
  2. 双端进入验证阶段，互发验证帧（SMD-V）和响应帧（SMD-R）
  3. 验证通过，抢占才真正在发送方向使能；验证不过就退回普通模式，链路照常跑

工程上的含义：配了 Qbu 却不生效，先看两端是否都支持、LLDP 邻居能力有没有认出来、验证是否通过——芯片不互认是头号原因。

六、工程配置与几个坑

  • 谁 express 谁 preemptable：典型车载配置是把最高一两个优先级（安全控制、gPTP 事件报文）设 express，其余全部 preemptable。默认全 express——不配就等于没开
  • 和 Qbv 的 GCL 一起改：开了抢占，保护带要按 64B 碎片重算，周期里能多排不少真流量；只开 Qbu 不改 GCL，收益拿不到
  • pMAC 流的延迟会变差：抢占是把延迟从低优先级流转移给高优先级流，总量没消失。尽力而为流量被反复掐、反复排队，它的最坏延迟反而上升——做容量规划时按"最坏被掐次数"算，别按平均值
  • 接收侧重组缓冲要留够：express 帧里还能再插 express（嵌套抢占），pMAC 侧要有缓冲存住多个"被掐了一半"的帧
  • 小帧密集流别放 pMAC：短于约 124 字节抢不动，还白付每片的 SMD/mCRC 开销，放 express 更干脆

七、结语

到这篇，Qbv + Qbu 的组合拳打完了：门控定节奏，抢占清障碍。Qbv 让每条流知道几点几分上场，Qbu 让"收尾"从一整个大帧缩到一个碎片——保护带省下的近两成带宽，就是 TSN 从"能用"到"好用"的那一步。

下一篇补上七子类里唯一从 AVB 继承的老将——802.1Qav 信用整形器：Qbv 用时间驱动，它用信用驱动。讲讲"带宽预留"这个词的来历。

你们项目里 Qbu 开了吗？保护带重算后周期里多排了多少流量？评论区报个数。

TSN 专题 · 第二批（门控与抢占）

（一）Qbv 时间门 ·（二）本篇：帧抢占

第一批（gPTP 基本原理）：（一）全景 · （二）BMCA · （三）对时数学 · （四）correctionField

TSNQbu802.1Qbu帧抢占802.3br