一种时间敏感网络中时间触发流的端到端调度方法

技术领域

本发明属于网络技术领域，涉及一种时间敏感网络中时间触发流的端到端调度方法。

背景技术

TSN使用存储转发网络，端到端的传输时延包括发送时延，传播时延，处理时延和排队时延。发送时延的值等于数据帧的帧长和交换机带宽的比值，发送时端口会被占用，同一时间一个端口只能发送一个数据帧，其他数据帧只能等待传输。传播时延是数据流在传输介质中以光速传播的时延，属于纳秒级通常可以忽略不计；时间敏感网络应用于L2层网络传输，处理时延属于微妙级；调度者的优化策略主要解决数据帧的排队时延，当数据帧在交换机的汇聚端口冲突时由于端口占用导致不确定的排队时延；TSN网络的传输时延模型如图1所示。

存储转发时延模型中最理想的调度结果将不确定的排队时延降为0，彻底消除数据帧的排队时延，数据流之间实现无冲突的直接转发，无冲突时延转发模型如图2所示。

时间敏感网络通过定时与同步、时延控制、资源管理等关键技术，实现集中配置管理和多类型业务流组网融合传输。TAS调度机制的开关门时间，无冲突的确定性传输为数据帧经交换机处理后从排队缓存区发送时，应与对应的TAS门控队列同时发生，并且无其他数据帧传输，可以直接由PHY芯片进行发送，此刻受门控队列保护，且排队时延为0。所以要将传输时延中不确定的部分转化为有确定性时延。一是数据帧之间由于端口占用冲突导致的排队时延，二是数据帧在TSN交换机的TAS机制中等待传输时隙开机的排队时延；三是处理时延的抖动问题导致无法精确开关门时刻。本专利对于没有排队时延可以直接转发的无冲突传输情况，首先将不确定的排队时延设置为零计算数据流占用时隙资源的情况，针对不确定的时隙资源分配冗余时隙资源获得具有精确时延边界的确定性冗余时隙占用资源，在网络中选取调度交换机的位置，在调度交换机对数据流进行冲突检测以计算偏移量，最后结合发送偏移量与TSN网络中交换机的门控时隙传输机制，在全局网络内对终端与桥接设备进行端到端调度，消除数据流传输过程中时隙资源冲突的所有情况，精准计算数据帧无冲突时直接转发所需的TAS开关门时间，获得理论上实时性最高的确定性传输时延。最后确定调度规则，实现在调度节点交换机完成一次调度后，在全局网络节点都实现无冲突的直接存储转发传输。

局域网内数据流会因为在交换机的汇聚端口占用冲突问题影响传输质量，TSN的核心TAS调度机制通过为不同类型的业务流匹配相应的优先级设置不同的传输队列和传输时隙避免非实时性的数据流对关键性的高优先级数据流的干扰。但仍无法解决多条共同类型、相同优先级的冲突干扰问题，造成不可控的排队时延和抖动问题。本文提出的调度方法针对局域网中数据流在交换机端口汇聚问题，共同流经一台或多台交换机部署TAS调度机制中相同优先级的数据流的端口占用和交换机处理时延抖动两个硬件限制问题，本文提出了一种调度规则和门控列表以及发送偏移量的计算方法，设定冗余时隙资源占用模型，选取调度节点对所有数据流进行偏移调度，最终通过终端设备控制数据流设置发送时间以及在桥接设备匹配TAS门控列表的方法彻底消除TAS时隙资源无法精准匹配和其他数据帧占用端口引起的排队时延的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种时间敏感网络中时间触发流的端到端调度方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种时间敏感网络中时间触发流的端到端调度方法，该方法包括以下步骤：

S1：获取所有关键性TT流的周期、帧长、传输路径的信息，计算出门控循环周期T

TAS门控循环周期取各关键性TT流传输周期的最大公约数GCD，其计算公式为：

对不确定的传输时隙分配冗余时隙，获得具有确定性时延边界的冗余时隙占用资源

数据帧对应的开门时间设为

v

v

ES

f

表示第n条TT流的传输周期

表示TT流f

表示第n条TT流f

p

表示TT流f

T

表示节点交换机端口的发送速率

D

表示第n条TT流的处理时延

表示第n条TT流的发送时延

表示第n条TT流的排队时延

d

表示交换机的最小处理时延

表示交换机的最大处理时延

表示TT流f

表示分配的冗余时隙资源

表示TAS传输TT流f

表示TAS传输TT流f

Slot·buf

Slot·buf′

表示TT流f

Offset

Offset_corr

S2：选取在传输路径中所有数据流在同一端口汇聚的最后一跳的交换机选做调度交换机；在对数据流使用时隙资源冲突检测与偏移调度算法，在调度时应以考虑进处理时延抖动的确定性冗余时隙资源为基础；设定调度序列，依次确定数据流无冲突时所需的发送偏移量，计算偏移调度后数据流在调度交换机的占用的时隙资源；

S21：选取关键性TT流传输路径中的通过经过的最后一跳交换机做调度交换机，在调度交换机完成初始化调度；在调度交换机调度数据流时，按照对应数据流端到端传输路径的全部跳数进行分配冗余时隙资源；优先调度较大的帧长的数据帧，其次调度帧长较小的数据帧，保证从发送端到调度交换机路径上的数据帧的时隙资源不会发生冲突；

若数据帧的帧长相同，则根据数据帧到达调度交换机的帧偏移；充分利用数据帧传输过程中产生的帧偏移，发送冲突时使用增加数据帧偏移量的方式，先行调度帧偏移较小的数据帧；帧偏移较大的数据帧靠后调度；

S22：按照调度序列在调度交换机对流经汇聚端口的数据流f

若时隙资源发生冲突，则对数据流f

S23：建立TT流的无冲突时基于偏移量的冗余时隙资源占用模型，按端到端的跳数分配冗余时隙。重新计算修正后数据流f

S24：调度后的数据流f

S25：按照S21的调度序列，重复S22～S24，对下一调度序列的数据流f

S26：根据为各条数据流设定的偏移量，按照无排队时延的传输模型计算各条数据流在调度交换机的时隙资源占用情况；

S3：若S2使用时隙资源冲突检测与偏移调度算法对所有的数据流调度成功，则继续对数据流进行无冲突的偏移调度；根据存储转发时延模型，对传输路径中调度交换机到接收端之间仍存在路径重合可能产生汇聚冲突的数据流进行调度，计算汇聚数据流之间无冲突时，时隙之间所需的缓冲时隙；在调度交换机的汇聚端口完成数据流f

S4：优化调度完成后各数据流在交换机的时隙资源占用情况，计算门控列表。

可选的，所述S3包括以下步骤：

S31：若存在除发送端到调度交换机外其他传输路径的数据流，则继续在汇聚节点对数据流继续进行调度，根据这类数据流在调度交换机占用时隙资源的数值大小从小到大确定调度序列；计算从调度节点交换机到接收端的具有重复传输路径的多条数据流中在调度交换机时隙相近的数据流f

S32：根据存储转发机制，若保证两条帧长不同的数据流f

S33：计算偏移量的修正值，并修正步骤S2中调度完成的时隙资源中所有数值大于等于数据流f

S34：根据计算的偏移量修正所有S33中的数据流f

S35：按照S31中确定的调度序列，重复S31～S34将所有传输路径从调度交换机到接收端到之间具有交换机的数据流全部缓冲偏移调度，完成调度；

S36：根据调度完成数据流的偏移量，按照S23的TT流的无冲突时基于偏移量的冗余时隙资源占用模型，计算数据流占用的时隙资源。

可选的，所述S4包括以下步骤：

S41：相邻时隙资源之间的缓冲时隙小于PHY芯片传输最小以太网的64字节的帧长所需的传输时间，则合并相邻两个传输时隙，生成门控列表；设相邻的时隙占用资源对应的数据流为f

S42：若相邻时隙资源间的缓冲时隙资源Slot·buf

S43：若相邻时隙资源间的缓冲时隙资源Slot·buf

则门控时隙对应TAS开门时间为

S44：在调度完中高级优先级的TT流后，门控循环周期剩余的时隙资源匹配到对时延要低的低优先级数据流和背景流量。

本发明的有益效果在于：

本发明将TSN交换机使用的存储转发机制与TSN的核心TAS调度机制相结合，制定了无冲突时确定性冗余时隙占用模型，并针对数据流在交换机的端口汇聚情况研究了时隙资源检测和偏移调度算法，在TAS调度机制解决非实时性数据对关键业务流冲突干扰的基础上，进一步避免了各条关键性TT类型业务流之间的干扰问题，实现了具有最高实时性的无排队时延的最小传输时延，并且考虑存储转发网络的时延非平移关系及数据流随着跳数增多抖动增加的问题，选取调度节点位置和确定调度规则，实现网络中实现一次性调度成功，全局网络节点避免冲突干扰。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为TSN网络传输时延示意图；

图2为TAS门控传输机制示意图；

图3为冗余时隙分配示意图；

图4为时隙资源冲突检测与偏移调度算法流程图；

图5为数据流在网络中汇聚示意图；

图6为预留时隙资源检测与偏移调度算法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一种时间敏感网络中时间触发流的端到端调度方法，包括以下步骤：

S1：对具有时延要求的关键性TT流匹配较高优先级，对其进行先行调度，调度完成后剩余时隙资源用于传输对时延无要求的TT流和背景流量，所以此调度方法应精准计算关键性TT流的传输时间，节省时隙资源。获取所有关键性TT流的周期、帧长、传输路径等信息，计算出门控循环周期T

TAS门控循环周期取各关键性TT流传输周期的最大公约数(Greatest CommonDivisor，GCD)。其计算公式如下所示，

通过调度算法可以消除数据帧的排队时延，但交换机仍具有处理时延抖动的硬件限制，导致无法精准计算数据帧等待发送的时间，TAS机制中，最小传输时隙为数据帧的发送时延，本文对不确定的传输时隙分配冗余时隙，获得具有确定性时延边界的冗余时隙占用资源

图3为冗余时隙分配示意图。TAS的门控机制应精准计算数据流f

表1术语定义

S2：选取在传输路径中所有数据流在同一端口汇聚的最后一跳的交换机选做调度交换机。在对数据流使用时隙资源冲突检测与偏移调度算法，此时在调度时应以考虑进处理时延抖动的确定性冗余时隙资源为基础。设定调度序列，依次确定数据流无冲突时所需的发送偏移量，计算偏移调度后数据流在调度交换机的占用的时隙资源。

第一步，选取关键性TT流传输路径中的通过经过的最后一跳交换机做调度交换机，在调度交换机完成初始化调度。处理时延根据交换机自身状态原因会引起抖动，同时数据帧的传输时隙抖动会随着交换机跳数增多而增加，分配更多的冗余时隙资源。在调度交换机调度数据流时，按照对应数据流端到端传输路径的全部跳数进行分配冗余时隙资源。由于交换机属于存储转发机制，时延并不是平移关系。优先调度较大的帧长的数据帧，其次调度帧长较小的数据帧，可以保证从发送端到调度交换机路径上的数据帧的时隙资源不会发生冲突。

若数据帧的帧长相同，则根据数据帧到达调度交换机的帧偏移。充分利用数据帧传输过程中产生的帧偏移，发送冲突时使用增加数据帧偏移量的方式，所以先行调度帧偏移较小的数据帧。帧偏移较大的数据帧靠后调度。

第二步，按照调度序列在调度交换机对流经汇聚端口的数据流f

若时隙资源发生冲突，则对数据流f

第三步，建立TT流的无冲突时基于偏移量的冗余时隙资源占用模型，按端到端的跳数分配冗余时隙。重新计算修正后数据流f

第四步，调度后的数据流f

第五步，按照第一步确定的调度序列，重复第二步，第三步，第四步，对下一调度序列的数据流f

第六步，根据为各条数据流设定的偏移量，按照无排队时延的传输模型计算各条数据流在调度交换机的时隙资源占用情况。

图4为时隙资源冲突检测与偏移调度算法流程图。

S3：若S2使用时隙资源冲突检测与偏移调度算法对所有的数据流调度成功，则继续对数据流进行无冲突的偏移调度。根据存储转发时延模型，对传输路径中调度交换机到接收端之间仍存在路径重合可能产生汇聚冲突的数据流进行调度，计算此类汇聚数据流之间无冲突时，时隙之间所需的缓冲时隙。如图5所示，在调度交换机的汇聚端口完成数据流f

第一步，若存在除发送端到调度交换机外其他传输路径的数据流，则继续在汇聚节点对数据流继续进行调度，根据此类数据流在调度交换机占用时隙资源的数值大小从小到大确定调度序列。计算从调度节点交换机到接收端的具有重复传输路径的两条在调度交换机时隙资源相邻的数据流f

第二步，根据存储转发机制，若保证两条帧长不同的数据流f

第三步，计算偏移量的修正值，并修正步骤S2中调度完成的时隙资源中所有数值大于等于数据流f

第四步，根据计算的偏移量修正所有步骤三中的数据流f

第五步，按照第一步确定的调度序列，重复第一步、第二步、第三步和第四步将所有传输路径从调度交换机到接收端到之间具有交换机的数据流全部缓冲偏移调度，完成调度。

第六步，根据调度完成数据流的偏移量，按照S2第三步的TT流的无冲突时基于偏移量的冗余时隙资源占用模型，计算数据流占用的时隙资源。

S4：优化调度完成后各数据流在交换机的时隙资源占用情况，计算门控列表。

第一步，相邻时隙资源之间的缓冲时隙小于PHY芯片传输最小以太网的64字节的帧长所需的传输时间，则合并相邻两个传输时隙，生成门控列表。设相邻的时隙占用资源对应的数据流为f

第二步，若相邻时隙资源间的缓冲时隙资源Slot·buf

第三步，若相邻时隙资源间的缓冲时隙资源Slot·buf

则门控时隙对应TAS开门时间为

第四步，在调度完中高级优先级的TT流后，门控循环周期剩余的时隙资源匹配到对时延要低的低优先级数据流和背景流量。

图6为预留时隙资源检测与偏移调度算法流程图。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。