一种基于资源预留的自适应TSN离线容错调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于实时网络的容错调度技术，具体为一种基于资源预留的自适应TSN离线容错调度方法。

背景技术

工业互联网作为我国智能制造发展的重要支撑已经得到了国家的高度认可与重视。当前工业互联网络采用分层异构网络体系，多种业务需要混合跨网传输和执行，工业异构动态混合业务传输调度问题是制约工业互联网应用的一个瓶颈。时间敏感网络(TSN)被广泛认为是解决工业异构网络实时调度问题的有效方法。

TSN根据不同任务对时间的敏感性，在管理信息交互的时间节点和流程顺序方面提供通用标准，TSN允许实时和非实时的数据流在同一标准的网络中传输，使得标准以太网具有确定性传输的特征，同时还具有低延时、高带宽等优势，TSN目前已经成为备受广泛关注的关键技术。

在TSN消息传输过程中，由于存在电磁干扰等情况，导致数据在传输过程中会出现短暂性的错误。数据冗余(CRC)校验可以快速检测此类错误，并通过自动重传请求(ARQ)通知数据发送者对发生错误的数据进行重传。然而，数据重传会增加数据流端到端的延迟，从而导致关键级别高的实时流不满足时间约束，从而错失截止期，导致系统发生灾难性的后果。

虽然目前已经有关于TSN容错的技术，包括TSN协议，但是大多关注的是路由方面的容错，缺少针对重传错失截止期的容错技术。

目前的技术基本是直接为实时流分配独占的网络冗余资源，由于并非每次传输都无法正确传输到接收端。因此，此类方法造成网络资源极大的浪费。目前TSN的研究中尚未有将ARQ相关流考虑确定性传输服务。

发明内容

针对现有技术在TSN消息传输过程中缺少针对重传错失截止期的容错技术、容错能力低以及浪费网络资源等不足，本发明要解决的问题是提供一种可提高时间敏感网络调度算法的在时间上容错能力的基于资源预留的自适应TSN离线容错调度方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于资源预留的自适应TSN离线容错调度方法，包括以下步骤：

1)输入初始条件，对网络进行初始化处理；

2)对所有实时流求解偏移量，通过输入非实时流属性，执行对流分配可行的网络资源过程；

3)判断步骤2)中的实时流偏移量是否存在可行解，若存在可行解，则对所有实时流分配可行的网络资源，通过输入非实时流属性，执行对流求解偏移量过程；

4)判断步骤3)中对流求解偏移量是否存在可行解，如果存在可行解，则根据流的偏移量输出门控列表内容。

步骤2)中对所有实时流求解偏移量，通过输入非实时流属性，执行对流分配可行的网络资源过程具体为：

201)根据输入的流属性，利用迪杰斯特拉方法为每个流分配一条路由；

202)根据分配的路由、流属性和网络属性信息，采用整数线性规划求解器为每个流找到可行的队列分配和偏移量，具体约束如下：

定义如下符号：每个流

确定优化目标：

针对实时流的约束条件如下：

可调度性约束:流f

链路约束：通过同一物理链路的两个数据包在时域内不能重叠，即任何一次流f

其中，α＝0，1，...，H/T

流传输约束：流f

其中，网络精度δ表示为任何两个通过IEEE 802.1AS时间同步标准同步的设备的本地时钟之间最大差值；

流隔离约束：链路[v

步骤4)中根据流的偏移量输出门控列表内容，步骤如下：

401)在所有路径Π中选择任何一个路径[v

402)初始化在路径[v

403)针对在路径[v

404)针对在路径[v

405)

406)将路径[v

407)判断Π是否为空，如果为空，则结束；否则，执行步骤401)。

如果步骤2)中的实时流偏移量不存在可行解，则无法提供可行的调度方案；或者，如果步骤4)对流求解偏移量不存在可行解，则无法提供可行的调度方案。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明在时间冗余层面实现对由瞬时错误导致的数据包容错重传，为重传流预留网络、时间资源，当发生数据故障时，非实时流利用预留资源进行传输，在节省网络资源的情况下，提高实时流传输的可靠性和非实时流的网络传输服务。

2.本发明采用网络重传请求(ARQ)触发重传流，并使其满足TSN确定性传输约束。

附图说明

图1为本发明基于资源预留的自适应TSN离线容错调度方法流程图；

图2为本发明对流求解偏移量的流程图；

图3为本发明根据流的偏移量输出门控列表内容的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供一种基于资源预留的自适应TSN离线容错调度方法，包括以下步骤：

1)输入初始条件，对网络进行初始化处理；

2)对所有实时流求解偏移量，通过输入非实时流属性，执行对流分配可行的网络资源过程；

3)判断步骤2)中的实时流偏移量是否存在可行解，若存在可行解，则对所有实时流分配可行的网络资源，通过输入非实时流属性，执行对流求解偏移量过程；

4)判断步骤3)中对流求解偏移量是否存在可行解，如果存在可行解，则根据流的偏移量输出门控列表内容。

本发明方法在流传输过程中，发生瞬时传输故障的情况时，在保证一次重传的前提下，使实时流依然在流截止期之前传输完成，提高了时间敏感网络调度算法的在时间上容错能力。

步骤1)中，输入初始条件：初始化流属性(包括流属性、周期、截止期、每次释放所有数据帧总长度、起点与终点等)、网络属性(如拓扑，链路带宽、链路长度、链接介质传播速率等)；

步骤2)中，对所有实时流求解偏移量，通过输入非实时流属性，执行对流分配可行的网络资源过程，具体过程如图2所示；

201)根据输入的流属性，利用迪杰斯特拉方法为每个流分配一条路由；

202)根据分配的路由、流属性和网络属性信息，采用整数线性规划(ILP)求解器为每个流找到可行的队列分配和偏移量，具体约束如下：

定义如下符号：每个流

确定优化目标：

针对实时流的约束条件如下：

可调度性约束:流f

链路约束：通过同一物理链路的两个数据包在时域内不能重叠，即任何一次流f

其中，α＝0，1，...，H/T

流传输约束：流f

其中，网络精度δ表示为任何两个通过IEEE 802.1AS时间同步标准同步的设备的本地时钟之间最大差值，此处采用δ可以避免由于全局时钟不一致导致的传输抖动；

流隔离约束：为了避免分配到同一队列两个流在队列中交织，保证流传输的确定性，因此，需要对分配同一队列的不同流进行隔离。即链路[v

如图3所示，步骤4)中根据流的偏移量输出门控列表内容，步骤如下：

401)在所有路径Π中选择任何一个路径[v

402)初始化在路径[v

403)针对在路径[v

404)针对在路径[v

405)

406)将路径[v

407)判断Π是否为空，如果为空，则结束；否则，执行步骤401)。

以下所有约束都是在步骤403)和步骤404)求解

ARQ约束：f

由于实例传输在每个链路上传输的偏移量都是周期性的。因此，ARQ消息可以被视为和f

预留约束：TT流f

针对于非实时流，本发明假设其也满足确定性传输，因此，需要满足如下约束条件：

流传输约束：非实时流f

流隔离约束：为了防止不同非TT流的实例交错离开队列，引入了实例隔离约束。此约束指定只要f

本实施例以工业现场环境，关键数据(即实时流数据)传输存在电磁干扰等因素影响，导致数据无法正确的被接收端接收，需要对其进行重传为例。

首先使用Dijkstra算法为每个流生成路由路径。然后，制定TSN约束，使得包括ARQ相关流和重传在内的所有流都处于确定性传输中。根据提出的约束条件，通过整数线性规划(ILP)找到各流的可行偏移量，生成各出口的偏移量。最后，为了提高网络的吞吐量，在为重传预留的时间片中，还为非实时流开放队列，以便在未发现实时流发生故障时，发送非实时流的数据，实现TSN容错调度。

根据流(包含实时流、预留重传流、ARQ相关的流)的属性、网络资源等情况，在确定性传输与IEEE 802.1Qbv标准的约束下，在流所分配队列对每个流在每个交换机出口相对超周期的队列开放偏移量进行求解；

根据非实时流的属性和步骤1)中剩余的队列信息，对每个非实时流在每个交换机出口相对超周期的队列开放偏移量进行求解；

根据步骤1)和步骤2)中的偏移量，生成门控制列表；

当预留重传流所在队列开放时，同时开放对非实时流所在的队列。