一种基于优化模理论的时间敏感网络传输综合优化方法

技术领域

本发明属于网络流量传输领域，具体涉及一种时间敏感网络之中流量传输的综合优化方法。

背景技术

时间敏感网络(Time-SensitiveNetworking，TSN)是IEEE802.1工作组的一个子任务，成立于2012年，这种以太网技术具备开放、开源、标准化的特点，基于标准以太网架构，通过增强流调度能力实现多业务流高质量共网传输，提供高可靠与确定有界低时延流传送服务。在一些高服务质量需求的领域中，需要相当低时延的网络连接，在这里TSN可以担当建立一个可靠的传送机制的角色，为实现同一个网络中实时性关键数据流与普通数据流有良好兼容性的共同传输，并且实现关键业务所要求的低时延低抖动。

目前对于门控列表的生成有着较多的研究，大部分是以考虑低优先级流量运输作为优化方向，并且没有做到了较为全面的优化处理。

发明内容

本发明的旨在对时间敏感网络的流量传输做出效率全面优化方法，以保证高优先级流量的低延时为前提，提高低优先流量的传输效应为改进目标，最终实现整体的流量传输效率提高。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种时间敏感网络之中流量传输的综合优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤(1)：对输入时间敏感网络的流量进行分类和时间触发流量的数据包的大小和到达时间等各种信息；

步骤(2)：基于最优化模理论为求解方法，以步骤(1)的相关信息和网络拓扑为输入，并且对路由约束进行数学表示，求解出最优的路由；

步骤(3)：基于步骤(2)得到的路由，对门控列表进行优化求解，最终完成对整体传输的综合优化目的。

本发明与现有相关技术相比，其显著优点是：

(1)我们提出了TSN中基于OMT的综合路由和调度问题的公式。

(2)我们优化可靠性感知路由，首先满足不同类型流量的传输可靠性，然后以优化整体负载平衡为目标。

(3)我们为不同类型的流量提出效用函数以准确描述它们的传输目标，并解决它以产生更高效的GCL。

附图说明

图1为本发明的综合优化方法的流程图。

图2为网络拓扑结构。

图3为TSN中时间感知整形器的物理结构。

图4为不同类型流量的效用函数。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例为本发明作进一步的介绍，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

如图1所示，根据本发明实施例的一种时间敏感网络之中流量传输的综合优化方法及系统的整体流程图，包括以下步骤：

步骤(1)：在标准IEEE 802.1Q中，时间敏感网络中的流被赋予服务质量属性，利用这种特征，流由以太网报文头中的PCP(priority code point filed)字段和VID(VLAN ID)共同定义。标准允许交换机识别，分类不同的流量类型，并且其中的CDT(Control-DataTraffic)流量是周期性的，从而得到数据包大小和到达时间等相关信息。

步骤(2)：基于最优化模理论为求解方法，以步骤(1)的相关信息和网络拓扑为输入，并且对路由约束进行数学表示，求解出最优的路由；

步骤(201)：时间敏感网络中的路由约束数学表示化，其中包括源点约束、终点约束、中间节点约束和循环避免约束这些网络中路由选择的基本约束，和保证传输成功率的可靠性约束。

对于网络中的每一个流，它必须从一个结束节点开始，在另一个结束节点结束。因此，流只会离开而不会进入源节点。源点约束数学表示如下：

其中S为所有流的集合，V为网络中所有节点的集合，E为所有物理链路的集合，s

对于每个流，其路由必须到达目的节点。因此，与前面的约束类似，路由的目的节点只有进入没有出去。终点约束数学表示如下：

其中s

除了源节点和目标节点外，每个流还将经过中间节点。中间节点应该有两种情况。如果流通过一个中间节点，那么应该有一个输入和一个输出。如果流没有通过节点，则应该没有输入和输出。中间节点约束数学表示如下：

/>

其中v

在寻找正确的路由时，毫无疑问，一个链路不应该重复传递，应该避免产生环路。因此，我们添加了约束，使所有流都不可能通过循环路由。循环避免约束数学表示如下：

在网络中，链路故障和信道错误是不可避免的。因此，我们将链路故障率定义为通过该链路传输的流量发生数据丢失的概率。进一步，我们将流量的传输可靠性定义为流量所经过的所有链路的链路效率(1减去链路故障率)的乘积。但是各种类型的流量都对传输有可靠性要求，即帧从源节点正确传输到目的节点，且传输可靠性率大于一定值。可靠性约束数学表示如下：

其中[v

步骤(202)：以整体路由的负载均衡为优化目标，将优化问题形式化：

构建的优化问题如下：

优化目标是实现可靠性传输的前提下，去让整体网络的负载更加均衡，不会出现某一条物理链路负载过重的情况，让整体网络更加均衡。

步骤(203)：基于最优化模理论为求解方法，将步骤(201)的数学表达式和步骤(202)构建的优化问题结合，用步骤(1)作为数据输入求解出最优的路由。

步骤(3)：基于可满足性模理论为求解方法，以步骤(1)的相关信息为输入，并且对网络约束进行数学表示，求解出最优的门控列表。

步骤(301)：时间敏感网络中的调度约束数学表示化，其中包括帧约束、链路约束、流传输约束和端到端约束这几个确定性以太网的基本约束，和流隔离约束、帧隔离约束和高临界流的完全约束这几个时间敏感网络的特定约束。

网络中计划的任何帧的帧偏移必须大于或等于0。此外，整个传输窗口(偏移加帧持续时间)必须在帧周期内。帧约束数学表示如下：

/>

其中S为所有流的集合，E为所有链路的集合，[v

通过网络中同一物理链路路由的两个帧在时域中不能重叠。链路约束数学表示如下：

其中

流的帧的传播必须沿着流的路由路径遵循顺序。流传输约束数学表示如下：

其中d为传输介质上的物理延迟，δ为两个同步设备的本地时钟之间的最差情况差。

最大的端到端等待时间约束指定流的到达和发送时间之间的差必须小于或等于指定的最大值。端到端约束数学表示如下：

其中[s

实际上，可能发生帧丢失，周期性的有效载荷大小可能随时间变化，或者由于例如帧丢失而导致帧丢失。在这些情况下，可能存在无法保证出口端口上确定性行为的情况。考虑这样一种情况，来自两个不同流的两个帧被安排为一个接一个地到达交换机。两者均按所需顺序放在同一队列中。在稍后的时间点，将两者都放入队列中之后，队列的定时门针对第一帧(属于第一流)打开，并且仅在稍后的时间针对第二帧打开。如果第一帧丢失，则来自第二个流的帧将在队列中占有一席之地，并在最初为第一个流保留的时隙中传输，从而导致不确定性和抖动。为了保证在真实网络中的隔离，我们首先考虑在时域中隔离流，假设它们共享相同的出口队列。因此如果给定流的一帧进入队列，则直到前一流的所有帧都已完全到达之前，其他流的帧才可能到达队列。流隔离约束数学表示如下：

/>

其中

如果已经为初始流的已排队的帧提供了服务，则来自另一流的帧只能进入队列。我们强制执行以下操作：如果两个帧来自不同的流，则仅当另一个帧已从该队列分派时，才可以安排一个帧到达共享队列。帧隔离约束数学表示如下：

以上约特定适用于同一队列中的帧。

步骤(302)：以保证TT流量的低延迟为前提的情况下，提高AVB流量的传输效应为优化目标，将优化问题形式化：

构建的优化问题如下：

优化目标是最小化效应值，在保证高优先级业务时延需求的前提下，该目标能有效提高AVB业务的传输利用率。

步骤(303)：基于最优化模理论为求解方法，将步骤(301)的数学表达式和步骤(302)构建的优化问题结合，用步骤(1)作为数据输入求解出最优的门控列表。