适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法及装置

1.本发明属于通信技术领域，具体涉及一种适用于可预期时间关键(time critical)业务的确定性流量调度方法及装置。


背景技术：

2.在某些场景下，帧传输时间以及帧到达节点所经历的总体时延和抖动均要求具有高度确定性，例如在汽车控制类等工业应用上，携带关键控制信息的数据帧需要按照一定的时间周期进行发送，否则这类时间敏感帧的延迟和抖动问题可能导致系统故障。tsn(time sensitive network，时间敏感网络)能够在标准的以太网基础上，为时间敏感业务提供实时和可靠的qos(quality of service，服务质量)。其中，qbv协议的门控调度机制能够为时间敏感类业务在时间轴上创建一个独享的保护窗口，在该保护窗口内，只允许时间敏感业务进行传输，其他所有业务均不得介入信道。通过让时间敏感帧在到达节点时为其开启保护窗口，可以保证数据帧以最小的时延被处理。
3.但是，随着工业制造与信息技术的高度融合，工业生产的定制化与智能化进一步发展，网络中的时间关键数据传输模式越来越复杂，目前tsn中以单一的固定周期模式传输时间关键数据可能只能满足部分需要。未来时间关键数据流的传输模式可能是复杂周期的，甚至是非周期但其变化是可预期的。对于此类复杂的实时类业务，现有技术中的门控调度机制将不再适用。因此，如何在此类可预期业务场景下为复杂时间敏感流建立保护窗口，给时间敏感流提供实时可靠的qos成为本领域需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法及装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.第一方面，本发明提供一种适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法，应用于交换机的输出端口，包括：
6.获取预设的调度表和多级门控表；所述调度表包括数据转发过程中多级门控表的执行顺序和执行时间，所述多级门控表包括多张门控表，所述门控表包括根据数据帧的到达时间预先设置的门状态；
7.在数据转发过程中，按照所述调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口。
8.在本发明的一个实施例中，所述数据帧到达的时间是可预期的。
9.在本发明的一个实施例中，所述数据帧转发过程包括多个预设周期，所述数据帧的到达为周期函数；或者，
10.所述数据帧转发过程包括至少一个预期到达时间，数据帧的到达为非周期函数。
11.在本发明的一个实施例中，所述周期函数为分段函数，所述预设周期包括多个预设时间段，所述多级门控表包括与所述预设时间段对应的多个门控表，所述调度表包括预
设周期内各预设时间段对应的门控表的执行顺序和执行时间，所述门控表包括根据每个预设时间段内数据帧的到达时间预先设置的门状态。
12.在本发明的一个实施例中，在当前预设周期中，所述按照所述调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口的步骤之后，还包括：
13.检测是否接收到第一循环开始信号；
14.若是，则在下一预设周期内，执行按照所述调度表和各个时间段对应的门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口的步骤。
15.在本发明的一个实施例中，所述在当前预设周期中，所述按照所述调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口的步骤，包括：
16.在当前预设周期内，按照所述调度表和当前预设时间段对应的门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口；
17.检测是否接收到第二循环开始信号；
18.若是，则返回按照所述调度表和当前预设时间段对应的门控表设置队列的门状态的步骤；
19.若否，则继续执行当前预设时间段内的门控表，直至执行完毕。
20.第二方面，本发明还提供一种适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度装置，应用于交换机的接收端口，包括：
21.获取单元，用于获取预设的调度表和多级门控表；所述调度表包括数据转发过程中多级门控表的执行顺序和执行时间，所述多级门控表包括多个门控表，所述门控表包括根据数据帧的到达时间预先设置的门状态；
22.设置单元，用于在数据转发过程中，按照所述调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
24.本发明提供了一种适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法及装置，该方法包括：获取预设的调度表和多级门控表；在数据转发过程中，按照调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口。由于本发明采用双表执行机制，通过配置多级门控表控制队列的门状态变化，利用调度表对多级门控表进行调度管理，可以为可预期的实时业务流在数据帧到达节点时开启时间保护窗口，从而为智能化、定制化的工业生产，以及面向虚拟现实、辅助虚拟现实、元宇宙等新应用中可能出现的具有复杂流量特性、但可预期的时间敏感流提供有确定性的低延时、低抖动的传输服务。
25.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
26.图1是相关技术中门控表的执行过程示意图；
27.图2是相关技术中创建保护窗口的示意图；
28.图3是本发明实施例提供的适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法的
一种流程图；
29.图4是本发明实施例提供的预设周期为分段函数时的一种示意图；
30.图5是本发明实施例提供的适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法的一种示意图；
31.图6是本发明实施例提供的适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法的另一种示意图；
32.图7是本发明实施例提供的配置模块的一种示意图；
33.图8是本发明实施例提供的调度表执行模块与多级门控表执行模块的关系图；
34.图9是本发明实施例提供的门控表循环执行的一种流程图；
35.图10是本发明实施例提供的门控表循环执行的另一种流程图；
36.图11是本发明实施例提供的适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度装置的一种结构示意图。
具体实施方式
37.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
38.目前，在时间敏感流的传输过程中，为了避免其他业务对时间敏感类业务的传输造成干扰，门控调度算法参考了时分复用的原理，即考虑为时间敏感类业务在时间轴上创建一个其独享的传输保护窗口。在该保护窗口内，只允许时间敏感类业务数据进行传输，其它所有业务均不得接入信道；而在该保护窗口之外，则允许其他业务数据按照各自的调度算法进行传输。为了确保时间敏感类业务数据独占该保护窗口，则必须确保在保护窗口开启之前停止其它业务数据的传输操作以释放端口，避免为时间敏感类业务引入额外时延。因此，本方法在每个保护窗口开启之前还必须设置一段保护带宽guard band，在保护带宽结束之前，只要数据帧能够传输完毕，就可以进行传输，否则不允许传输。上述保护窗口通过门操作来创建，门操作的基本原理如下：
39.输出端口处的每个传输队列分别与一个门状态相关联，其中门状态有开启open(o)和关闭closed(c)两种：(a)门状态为开启时，队列中的数据帧可以按照相应的传输选择算法来进行传输；(b)门状态为关闭时，队列中的数据帧不允许被传输。另外，在传输每一数据帧之前必须先对数据的传输时间和门状态为开启的剩余时间进行判断，如果剩余时间不够一帧数据完整传输，则不会对该数据帧进行发送。
40.图1是相关技术中门控表的执行过程示意图。如图1所示，交换机每个输出端口都会维持一张门控列表，该门控列表的每一条表项均对应一次门操作；具体地，每一次门操作主要对两个参数进行设置：gatestate和timeinterval，其中，gatestate用来设置每个传输队列相应的门状态，而timeinterval则表示相邻两次门操作之间的时间间隔。通过依次执行门控列表中的门操作，即可按照需要对每个传输队列的门状态进行切换，通过对门控列表的合理设置，即可为特定的业务创建一个如前所述的保护窗口。
41.图2是相关技术中创建保护窗口的示意图。如图2所示，在t1时刻执行一次门操作，将各个传输队列的门状态设置为ccccoccc，即除了传输队列3的门状态为开启，其余队列的门状态均为关闭，t1时刻则为保护窗口的开启时刻；在t2时刻执行下一次门操作，将各个队
列的门状态更新为oooocooo，即除了传输队列3的门状态为关闭，其余队列门状态均设为开启，t2时刻则为保护窗口的结束时刻。通过执行这两次门操作，使得从t1到t2之间，只有传输队列3的门状态为开启，即该段时间内只能允许传输队列3中的数据帧进行传输。
42.随着实际业务场景变得越来越复杂，实时业务的发送模式也越来越多变。对于复杂多变的时间敏感业务流，传统的门控调度机制将不再适用。如何在可预期业务场景下为时间敏感流建立保护窗口、进而给时间敏感流提供实时可靠的qos成为本领域需要解决的技术问题。
43.有鉴于此，本发明提供一种适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法。
44.图3是本发明实施例提供的适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法的一种流程图。请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法，应用于交换机的输出端口，包括：
45.s1、获取预设的调度表和多级门控表；调度表包括数据转发过程中多级门控表的执行顺序和执行时间，多级门控表包括多张门控表，门控表包括根据数据帧的到达时间预先设置的门状态；
46.s2、在数据转发过程中，按照调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口。
47.应当理解，在本发明提供适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法中，数据源与接收方之间的所有交换机同步，并且数据帧到达的时间是可预期的。
48.示例性地，数据帧的转发过程包括多个预设周期，数据帧的到达为周期函数；或者，数据帧转发过程包括至少一个预期到达时间，数据帧的到达为非周期函数。
49.本发明采用双表执行机制，可以为可预期的实时业务流在数据帧到达节点时开启时间保护窗口，通过配置多级门控表控制队列的门状态变化，并利用调度表对多级门控表进行调度管理。
50.进一步地，预期的数据帧到达间隔ti可以表示为离散函数，ti可为离散周期函数或离散非周期函数；具体来说：
51.(a)ti＝m,i＝0,1,2,
…
，即数据帧的到达时间间隔为固定m。
52.(b)ti为一个复杂离散周期函数，例如离散分段函数：
[0053][0054]
此时，一个预设周期可以包括多个预设时间段，调度表包括预设周期内各预设时间段对应的门控表的执行顺序和执行时间，门控表包括根据每个预设时间段内数据帧的到达时间预先设置的门状态。其中，数据源在t0～t1预设时间段内以m1时间间隔发送数据，数据源在t1～t2预设时间段内以m2时间间隔发送数据，数据源在t2～t3预设时间段内以m3时间间隔发送数据,之后如此循环。
[0055]
图4是本发明实施例提供的预设周期为分段函数时的一种示意图。如图4所示，以预设周期为20t0的情况为例，
[0056][0057]
预设周期包括t0～6t0预设时间段、6t0～11t0预设时间段和11t0～20t0预设时间段，其中，在0～6t0预设时间段内，数据源发送数据的时间间隔为m，在6t0～11t0预设时间段内，数据源发送数据的时间间隔为2m，在11t0～20t0预设时间段内，数据源发送数据的时间间隔为3m，之后继续如此循环。
[0058]
(c)f(t)为离散非周期函数，例如：ti＝ai+b,i＝0,1,2
…
。
[0059]
在发送方与接收方之间的所有交换机同步的前提下，本发明根据可预期业务到达交换机输出端口的时间提前配置调度信息，对于时间到达为周期函数或非周期函数，预测时间裕度δt下数据帧的到达情况，在时间敏感类业务流到达交换机输出端口时为其开启保护窗口，以保证时间敏感数据帧被优先安排传输，并以确定方式处理时间敏感流。应当理解，时间裕度δt是指当前时间之后的一段时间，其长短可以根据交换机性能设定。
[0060]
可选地，在当前预设周期内，上述按照所述调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口的步骤之后，还包括：
[0061]
检测是否接收到第一循环开始信号；
[0062]
若是，则在下一预设周期内，执行按照调度表和各个时间段对应的门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口的步骤。
[0063]
具体而言，针对当前的预设周期，交换机的输出端口转发完成数据帧之后，若交换机接收到第一循环开始信号，则在下一个预设周期内，根据调度表和各个时间段对应的门控表设置队列的门状态，继续对数据源发送的数据帧进行转发。
[0064]
可选地，上述步骤s2中，在当前预设周期中，按照调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口的步骤，包括：
[0065]
在当前的预设周期内，按照调度表和当前预设时间段对应的门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口；
[0066]
检测是否接收到第二循环开始信号；
[0067]
若是，则返回上述按照调度表和当前预设时间段对应的门控表设置队列的门状态的步骤；
[0068]
若否，则继续执行当前预设时间段内的门控表，直至执行完毕。
[0069]
图5是本发明实施例提供的适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法的一种示意图。具体而言，请继续参见图4-5，仍以一个预设周期为20t0，每个预设周期包括t0～6t0预设时间段、6t0～11t0预设时间段和11t0～20t0预设时间段的情况为例；如图4所示，对于t0～6t0预设时间段，交换机按照调度表和t0～6t0预设时间段对应的门控表1设置队列的门状态，根据此时的门状态将相应的接收到的数据帧转发出去；需要说明的是，门控表中记录着预设时间段内各个队列的门状态，并且门状态在预设时间段内是会发生变化的；示例性地，门控表里可以存储有很多表项，这些表项用于决定各个传输队列的门状态，门状态的变化通过依次执行门控表里的各个表项来实现。
[0070]
接着，检测是否接收到第二循环开始信号；若是，则重新执行t0～6t0预设时间段对应的门控表1设置队列的门状态，并根据此时的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端
口。
[0071]
当t0～6t0预设时间段的数据帧转发完成后，根据调度表选择下一预设时间段6t0～11t0的门控表2，按照6t0～11t0预设时间段对应的门控表2设置队列的门状态，继续接收数据源发送的数据帧，并检测第二开始信号，若是重新执行6t0～11t0预设时间段对应的门控表2，若否，一直执行6t0～11t0预设时间段对应的门控表2直至执行完毕。同样地，当6t0～11t0预设时间段的数据帧转发完成后，交换机按照调度表和11t0～20t0预设时间段对应的门控表3设置队列的门状态，由于11t0～20t0预设时间段内数据帧的接收、转发过程与t0～6t0和6t0～11t0预设时间段相同，故此处不再赘述。
[0072]
图6是本发明实施例提供的适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法的另一种示意图，图7是本发明实施例提供的配置模块的一种示意图，图8是本发明实施例提供的调度表执行模块与多级门控表执行模块的关系图。如图6-8所示，本实施例中交换机的输出端口包括业务流监控模块、配置模块和执行模块。其中，业务流监控模块主要负责预测数据帧的发送情况，并给配置模块发送配置指令，具体地，业务流监控模块可以通过结合数据源的发送情况以及时间裕度δt，预测业务流在δt内的到达情况，从而给配置模块发送配置控制指令。如果数据源的发送时间间隔是以周期为t的周期函数，则可将一个预设周期分成t/δt段时间，根据每段时间内数据的到达情况配置多级门控表。例如，数据帧以固定时间间隔t0发送数据，则可将t0时间段划分为t0/δt段时间，而在每一段时间内数据的到达情况一样，所以多级门控表只需配置一张。反之，如果是以非周期间隔进行数据发送，则预测在接下来δt时间内数据的到达情况，每经过δt时间生成新的门控表，然后根据数据流的到达情况和多级门控表的数目配置门控调度表来控制门控表的切换。
[0073]
进一步地，配置模块主要对调度表和多级门控表进行配置，以根据配置控制指令生产调度表和多级门控表。
[0074]
图9是本发明实施例提供的门控表循环执行的一种流程图，图10是本发明实施例提供的门控表循环执行的另一种流程图。请参见图9-10，执行模块主要控制队列的门状态变化。执行模块由门控表循环执行模块和调度表循环执行模块组成，分别负责多级门控表的执行和调度表的执行。如图9所示，门控表循环执行模块工作时只执行一张门控表，主要负责执行当前所选择的门控表表项，从第一条到最后一条依次循环往复的执行。在门控表循环执行模块执行的过程中，时刻监测门控表切换指令，当收到切换指令时，根据指令摒弃当前门控表，选择新的门控表执行，否则继续执行当前门控表。
[0075]
门控表表项的执行流程如图10所示，门控表每次执行时都依次从第一条表项开始执行，在执行完最后一条表项时又从第一条开始。门控调度表的表项执行流程同门控表表项执行流程一致：从第一条表项开始执行，执行到最后一条又从第一条开始执行。调度表每执行一条新的表项内容时，给出门控表切换指令，指示门控表循环执行模块切换当前正在执行的门控表。
[0076]
图11是本发明实施例提供的适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度装置的一种结构示意图。如图11所示，本发明实施例还提供一种适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度装置，应用于交换机的输出端口，包括：
[0077]
获取单元1101，用于获取预设的调度表和多级门控表；调度表包括数据转发过程中多级门控表的执行顺序和执行时间，多级门控表包括多个门控表，门控表包括根据数据
帧的到达时间预先设置的门状态；
[0078]
设置单元1102，用于在数据转发过程中，按照调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口。
[0079]
通过上述实施例可知，本发明的有益效果在于：
[0080]
本发明提供了一种适用于可预期时间关键业务的确定性流量调度方法及装置，该方法包括：获取预设的调度表和多级门控表；在数据转发过程中，按照调度表和多级门控表设置队列的门状态，并根据当前的门状态将相应的接收到的数据帧转发出端口。由于本发明采用双表执行机制，通过配置多级门控表控制队列的门状态变化，利用调度表对多级门控表进行调度管理，可以为可预期的实时业务流在数据帧到达节点时开启时间保护窗口，从而为智能化、定制化的工业生产，以及面向虚拟现实、辅助虚拟现实、元宇宙等新应用中可能出现的具有复杂流量特性、但可预期的时间敏感流提供有确定性的低延时、低抖动的传输服务。
[0081]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0082]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0083]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0084]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。