时间敏感混合流的调度方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本发明实施例涉及确定性网络通信技术领域，尤其涉及一种时间敏感混合流的调度方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

随着工业生产控制系统智能化程度越来越高，需要在各种现场设备之间进行频繁的信息交互，对信息的实时性和确定性传输提出了更高要求，为保证系统安全性和灵活性，同一交换设备必须支持多种流(如时间敏感流，大带宽流)的混合传输。在当前工业自动化网络中为保证实时信息的确定性传输发展出了一系列基于现场总线技术的解决方案。然而，这些技术都是通过各自的以太网设备和技术标准来实现，难以彼此兼容。时间敏感网络(TSN)的关键机制的标准化，是实现时间敏感流和非时间敏感流在以太网中同时共存的关键。

流量调度是保证TSN系统中信息实时性、确定性传输的关键技术。时间敏感网络(TSN)协议簇中IEEE 802.1Qbv定义了时间感知整形器(TAS)，IEEE 802.1Qch提出循环排队转发的流量整形机制(CQF)。基于CQF的流量调度，控制精度低，数据包延迟大，如何高效调度混合流，提高可调度流数量，提高调度效率成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，为解决上述技术问题或部分技术问题，本发明实施例提供一种时间敏感混合流的调度方法、装置、电子设备及存储介质。

第一方面，本发明实施例提供一种时间敏感混合流的调度方法，包括：

获取待调度流的特征信息，对所述特征信息中的预设信息进行约束，得到多个约束预设信息，其中，所述待调度流包括HTS流和HBS流；

基于所述多个约束预设信息确定最小调度时隙和所述HTS流的实际采样周期；

基于所述HTS流的实际采样周期完成HTS流的调度；

通过时隙补偿算法对所述HBS流的注入时间进行偏移调整，完成所述HBS流的调度。

在一个可能的实施方式中，所述特征信息至少包括流的最小采样周期、最大采样周期、数据包总长度、优先级、时延；所述预设信息至少包括最小调度时隙、门控、截止时间、偏移、队列资源；

在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

通过预设约束条件，对所述最小调度时隙、门控、截止时间、偏移、队列资源进行约束，得到最小调度时隙约束信息、门控约束信息、截止时间约束信息、偏移约束信息、队列资源约束信息。

在一个可能的实施方式中，将K

在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

根据预先设置的HTS流和HBS流的优先级，通过时间感知机制按照所述HTS流的实际采样周期对所述HTS流进行调度。

在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

在进行HBS流的调度时，根据HBS流对应的截止时间约束信息、偏移约束信息和队列资源约束信息，将HBS流按截止时间排序并交替映射给HBS_A流和HBS_B流，完成HBS流的调度。

在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

S1：对HBS流进行排序；

S2：在偏移约束信息、队列资源约束信息和截止时间约束信息范围内从零到最大偏移量之间依次寻找可调用时隙；

S3：对HBS流进行逐流调度，在约束范围内如果存在可调用时隙，则选取一个超周期内缓存占用率最小的时隙进行注入，HBS流调度成功，调度概率为1；

S4：如果在S2调度过程中不存在可调用时隙，在补偿次数范围内，利用补偿机制对HBS流进行重新排序，将不可调度流排到队列第一位后重新对队列进行调度；

S5：当执行S4达到最大补偿次数时仍无法调度，HBS流调度失败，调度概率为0；

S6：得到HBS流的调度概率。

第二方面，本发明实施例提供一种时间敏感混合流的调度装置，包括：

获取模块，用于获取待调度流的特征信息，对所述特征信息中的预设信息进行约束，得到多个约束预设信息，其中，所述待调度流包括HTS流和HBS流；

确定模块，用于基于所述多个约束预设信息确定最小调度时隙和所述HTS流的实际采样周期；

调度模块，用于基于所述HTS流的实际采样周期完成HTS流的调度；

所述调度模块，还用于通过时隙补偿算法对所述HBS流的注入时间进行偏移调整，完成所述HBS流的调度。

在一个可能的实施方式中，所述获取模块，还用于通过预设约束条件，对所述最小调度时隙、门控、截止时间、偏移、队列资源进行约束，得到最小调度时隙约束信息、门控约束信息、截止时间约束信息、偏移约束信息、队列资源约束信息。

在一个可能的实施方式中，所述确定模块，还用于基于HTS流和HBS流的特征信息并结合最小调度时隙约束信息，确定最小调度时隙。

在一个可能的实施方式中，所述调度模块，还用于根据预先设置的HTS流和HBS流的优先级，通过时间感知机制按照所述HTS流的实际采样周期对所述HTS流进行调度。

在一个可能的实施方式中，所述调度模块，还用于在进行HBS流的调度时，根据HBS流对应的截止时间约束信息、偏移约束信息和队列资源约束信息，将HBS流按截止时间排序并交替映射给HBS_A流和HBS_B流，完成HBS流的调度。

在一个可能的实施方式中，所述调度模块，还用于S1：对HBS流进行排序；S2：在偏移约束信息、队列资源约束信息和截止时间约束信息范围内从零到最大偏移量之间依次寻找可调用时隙；S3：对HBS流进行逐流调度，在约束范围内如果存在可调用时隙，则选取一个超周期内缓存占用率最小的时隙进行注入，HBS流调度成功，调度概率为1；S4：如果在S2调度过程中不存在可调用时隙，在补偿次数范围内，利用补偿机制对HBS流进行重新排序，将不可调度流排到队列第一位后重新对队列进行调度；S5：当执行S4达到最大补偿次数时仍无法调度，HBS流调度失败，调度概率为0；S6：得到HBS流的调度概率。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：处理器和存储器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的时间敏感混合流的调度程序，以实现上述第一方面中所述的时间敏感混合流的调度方法。

第四方面，本发明实施例提供一种存储介质，包括：所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述第一方面中所述的时间敏感混合流的调度方法。

本发明实施例提供的时间敏感混合流的调度方案，通过获取待调度流的特征信息，对所述特征信息中的预设信息进行约束，得到多个约束预设信息，其中，所述待调度流包括HTS流和HBS流；基于所述多个约束预设信息确定最小调度时隙和所述HTS流的实际采样周期；基于所述HTS流的实际采样周期完成HTS流的调度；通过时隙补偿算法对所述HBS流的注入时间进行偏移调整，完成所述HBS流的调度。相比于现有的流量调度，控制精度低，数据包延迟大、调度效率低的问题，由本方案，可以在时间敏感网络中实现混合流调度，提升对混合流的调度效率和调度数量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种时间敏感混合流的调度方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种TSN交换机中的端口架构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种拥有补偿机制的三种排序方式下的调度成功率示意图；

图4为本发明实施例提供的一种无补偿机制的三种排序方式下的调度成功率示意图；

图5为本发明实施例提供的一种最大总包长排序方式下的调度时间对比示意图；

图6为本发明实施例提供的一种时间敏感混合流的调度装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明实施例提供的一种时间敏感混合流的调度方法的流程示意图，如图1所示，该方法具体包括：

S11、获取待调度流的特征信息，对所述特征信息中的预设信息进行约束，得到多个约束预设信息，其中，所述待调度流包括HTS流和HBS流。

本发明实施例将TAS与CQF结合，并根据时间敏感流和大带宽流的特性分别进行调度。具体的TSN交换机中的端口架构如图2所示，给不同端口分配不同的优先级来实现不同特性流调度顺序的调整，本发明实施例既考虑了各种对调度方案影响的约束条件，还引入了时隙补偿算法，在正常调度算法过程中增加补偿机制，在不明显消耗额外调度时间的情况下，增加调度成功率。

具体的，采用TAS机制的队列可分配最高优先级7，为采用CQF机制的两组队列分配优先级6和5，为BE(best-effort)队列分配最低优先级4，其余2个队列暂时不使用。队列出口侧采用门控列表控制，当多个门控同时打开时，优先级选择器按照队列优先级由高到低将数据包转发至输出端口。

将输入流映射为三类，分别为HTS类流、HBS_A类流、HBS_B类流。其中，HTS流传输控制信息、同步信息等时间敏感信息，这些流数量少且包长短，但对时延和抖动有很高要求，传输过程应尽可能无等待，因此HTS队列采用TAS机制并具有最高优先级7。我们根据HTS流的特性，流最小采样周期

HBS流是传输非关键信息的大带宽周期流，和HTS流相比其对时延和抖动要求低，采样周期大，数量多且包长较长。我们根据HBS流的特性，流采样周期

获取待调度流的特征信息，特征信息至少包括流的最小采样周期、最大采样周期、数据包总长度、优先级、时延和抖动要求等，对特征信息中的预设信息进行约束，得到多个约束预设信息包括：

(1)最小调度时隙T

因为T

假设集合K＝{k

T

对于HTS流，为减少流的时延和抖动，我们假设在该时隙采样的HTS流数据包需要在该时隙内全部传输完成，则T

因为HBS流采用CQF机制，为保证时延可控，在上一时隙内注入交换机的数据包需在下一个时隙内全部转发，则T

其中B是链路带宽，Q是每个队列可以容纳的最大数据包容量，MTU是最大数据包长度，hop

(2)门控(GCL)约束：

由于HTS流采用TAS机制，所以其门控循环周期C

由于HBS流采用CQF机制，因此其门控周期为2T

C

门控列表中的门事件序列定义为八位字节字符串的有序条目，当长度八位字节的所以八位都是1时(即2

(3)截止时间约束：

对于HTS流f

a

其中，a

对于HBS流，同样f

a

其中hg(i)是所有优先级高于f

(4)偏移约束：

偏移量约束要求注入时隙的偏移应小于流周期，由于HBS流数据包的最大转发时延为2T

(5)队列资源约束：

因为带宽资源有限，当前时隙产生的数据包必须在当前时隙传输完毕，所以在每个时隙传输的混合流数据包总长度不能超过传输带宽，即各时隙的带宽占用率O

a

对于采用CQF机制的HBS流，由于交换机每条队列有限，所以每个时隙缓存的数据包总长度不能大于交换机一条队列大小Q×MTU，即各时隙的缓存占用率O

a

其中，a

S12、基于所述多个约束预设信息确定最小调度时隙和所述HTS流的实际采样周期。

根据HTS流和HBS流的流特性结合最小时隙约束确定最小调度时隙T

S13、基于所述HTS流的实际采样周期完成HTS流的调度。

HTS流的优先级最高，调度采用TAS机制优先进行调度。在进行HBS流调度时，根据截止时间约束、偏移约束和队列资源约束，为了充分利用信道资源，避免缓存溢出，把HBS流按截止时间排序并交替映射给HBS_A流和HBS_B流。

S14、通过时隙补偿算法对所述HBS流的注入时间进行偏移调整，完成所述HBS流的调度。

HBS流选择一种排序方式进行排序并进行调度，选择缓存利用率最低的调度时隙进行调度，若不存在可调用时隙则在一定次数范围内运行补偿机制。对待调度流进行重新排序，把不可调度的流排到队列第一位然后重新对队列进行调度。本发明采用的附加简单补偿机制的调度算法与去掉补偿机制的调度算法相比有着更高的调度效率，在不明显增加调度时间情况下调度成功率有着明显的提升，如图3，图4，图5所示。

基于时隙补偿算法调度大带宽流的步骤如下：

S1：对HBS流进行排序，排序方法包括按采用周期排序、按截止时间排序、按一个超周期内数据包总长度排序；

S2：在偏移约束信息、队列资源约束信息和截止时间约束信息范围内从零到最大偏移量之间依次寻找可调用时隙；

S3：对HBS流进行逐流调度，在约束范围内如果存在可调用时隙，则选取一个超周期内缓存占用率最小的时隙进行注入，HBS流调度成功，调度概率为1；

S4：如果在S2调度过程中不存在可调用时隙，在补偿次数范围内，利用补偿机制对HBS流进行重新排序，将不可调度流排到队列第一位后重新对队列进行调度；

S5：当执行S4达到最大补偿次数时仍无法调度，HBS流调度失败，调度概率为0；

S6：得到HBS流的调度概率。

算法如下：

/>

本发明实施例针对网络中时间敏感流与大带宽流的混合调度问题和在网络中实现混合流调度，提升对混合流的调度效率和调度数量问题，提出了一种附加简单补偿机制的混合流量调度机制，该机制将TAS与CQF结合，利用流排序，注入时隙调整和简单补偿机制针对时间敏感流和大带宽流的特性分别进行调度，本发明实施例提出的时隙补偿算法在流量调度上有着更好的性能表现，其中的补偿机制是对流排序和时隙排序的一种补充，在不明显消耗额外时间的情况下可以调度更多的流，在补偿机制的作用下显著提升了可调度性，有着低调度时间，高调度成功率的优点。

本发明实施例提供的时间敏感混合流的调度方法，通过获取待调度流的特征信息，对所述特征信息中的预设信息进行约束，得到多个约束预设信息，其中，所述待调度流包括HTS流和HBS流；基于所述多个约束预设信息确定最小调度时隙和所述HTS流的实际采样周期；基于所述HTS流的实际采样周期完成HTS流的调度；通过时隙补偿算法对所述HBS流的注入时间进行偏移调整，完成所述HBS流的调度。相比于现有的流量调度，控制精度低，数据包延迟大、调度效率低的问题，由本方法，可以在时间敏感网络中实现混合流调度，提升对混合流的调度效率和调度数量。

图6示出了本发明实施例的一种时间敏感混合流的调度装置的结构示意图。如图6所示，该装置包括：

获取模块601，用于获取待调度流的特征信息，对所述特征信息中的预设信息进行约束，得到多个约束预设信息，其中，所述待调度流包括HTS流和HBS流。详细说明参见上述方法实施例对应的相关描述，此处不再赘述。

确定模块602，用于基于所述多个约束预设信息确定最小调度时隙和所述HTS流的实际采样周期。详细说明参见上述方法实施例对应的相关描述，此处不再赘述。

调度模块603，用于基于所述HTS流的实际采样周期完成HTS流的调度。详细说明参见上述方法实施例对应的相关描述，此处不再赘述。

所述调度模块603，还用于通过时隙补偿算法对所述HBS流的注入时间进行偏移调整，完成所述HBS流的调度。详细说明参见上述方法实施例对应的相关描述，此处不再赘述。

本发明实施例提供的时间敏感混合流的调度装置，用于执行上述实施例提供的时间敏感混合流的调度方法，其实现方式与原理相同，详细内容参见上述方法实施例的相关描述，不再赘述。

图7示出了本发明实施例的一种电子设备，如图7所示，该电子设备可以包括处理器901和存储器902，其中处理器901和存储器902可以通过总线或者其他方式连接，图7中以通过总线连接为例。

处理器901可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中所提供方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。

存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行上述方法实施例中的方法。

上述电子设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。