一种时间敏感网络混合流量调度方法与流程

[0001]
本发明涉及工业物联网时间敏感网络技术领域，尤其是一种时间敏感网络混合流量调度方法。


背景技术：

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近年来，工业物联网(iiot)逐渐改变着传统现场的生产制造方式，允许工业设备之间进行数据交换，通过高精度传感器实时监测现场环境，实现生产的信息化、智能化。为了满足工业现场应用确定实时传输的严格要求，ieee 802.1工作组研发了一种通用实时以太网标准，即ieee 802.1时间敏感网络(tsn)标准，基于时钟同步、流量整形、数据帧抢占、集中式网络配置，寻求提供确定性的以太网功能。
[0003]
目前，tsn相关研究工作聚焦于时间敏感流量(tt流量)，过分的牺牲了非tt流量的时延，对时延要求同样相对苛刻的音视频流量(avb流量)无法在截止日期内到达，并且网络中的尽力传输流量(be流量)存在一定干扰，致使混合流量的传输效果达不到预期标准。由于tsn研究领域相对新颖，少有工作者完成3种不同类型流量的混合传输，因此有必要面向多类型流量并存的工业现场，提出混合流量调度新方法，完成高质量的端到端传输。


技术实现要素：

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本发明需要解决的技术问题是提供一种时间敏感网络混合流量调度方法，保障现场具备最高优先级的tt流量完成确定实时传输，降低avb流量延时，保证音视频传输质量，并且在一定程度上降低avb抢占所带来的带宽浪费，提升调度性能，解决混合流量共同传输的调度问题。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
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一种时间敏感网络混合流量调度方法，包括以下步骤：
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步骤1，定义网络拓扑各数据帧特征参数，流量集合中的流量由一个六元组＜s,d,p,d,q,l＞表征，s表示源节点，d表示目标节点，p表示传输周期，d表示截止时间，q表示传输队列id，l表示数据帧长度。其中，各流量均满足p≤d；
[0008]
步骤2，根据ieee802.1qbv标准，利用时间感知整形器设计门控制列表区分处理tt流量与非tt流量，其中非tt流量包含avb流量与be流量。时间感知整形器为tas，门控制列表为gcl，通过建立完全独立的时间窗口保证tt流量的确定实时传输；
[0009]
步骤3，在传输过程中各队列流量依据公式
[0010][0011]
判定优先程度并进行队列流量的重新排序，将w数值较低的流量排列在队列前方以便于优先发送；t代表流量到达节点时刻，d代表各类型流量截止时间；
[0012]
步骤4，根据门控机制各类流量在特定的时隙窗口打开期间进行传输；其中，在非tt流量时隙窗口打开期间，avb流量与be流量采用基于模糊控制的限制抢占调度方法，限制
抢占调度方法是根据剩余时间比例与剩余传输比例的差值和流量优先级制定的模糊准则允许avb流量对be流量的抢占，降低较高优先级流量的延时，并在一定程度上减小频繁抢占带来的带宽浪费；
[0013]
步骤5，根据步骤4制定模糊规则
[0014]
(1)剩余时间比例与剩余传输比例的差值规则：
[0015]
剩余时间比例：
[0016]
剩余传输比例：
[0017]
差值：δ＝m-n
[0018]
t
pm
代表当前时刻，d代表截止时间，t
tc
代表流量所处位置对应的已完成传输时间，t
nq
代表无排队时流量所需的传输时间；
[0019]
根据差值δ确定紧急程度，差值越小紧急程度越高；
[0020]
(2)队列规则：
[0021]
交换机共包含7个非tt流量优先级队列，队列编号从0至6，编号越高，存储流量的优先级越高；队列7用于传输tt流量，队列6和队列5用于传输avb流量，剩余队列用于传输be流量；
[0022]
步骤6，根据差值δ和优先级所对应的隶属度对模糊性对象进行精确描述，再利用模糊逻辑控制表获取模糊输出所对应的最终等级；若avb流量模糊输出等级高于be流量，则允许抢占事件发生，反之则不允许抢占。
[0023]
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2中，每个tas有8个用于存储等待在相应链路上转发数据帧的队列，每个队列都有一个具备两种状态的门，即打开状态和关闭状态；仅当关联的门打开时队列中等待的帧才有资格转发，关联的门关闭期间队列中的帧处于等待转发状态；通过强制性的完全隔离消除最坏情况下延迟过高现象；仅考虑在第一个超周期当中如何生成的gcl，在第一个超周期过后，后续的调度遵循周期性循环规则，第一个超周期为各流量的周期的最小公倍数。
[0024]
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤3中，队列流量重新排序机制允许后进入队列且紧急程度较高的流量优先发送，队列重排只局限于本队列，不涉及跨队列重新排序。
[0025]
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤4-步骤6中，在tt队列关联门打开期间，完成tt流量的确定高质传输；在avb、be队列关联门打开期间，avb流量基于模糊控制允许对be流量进行限制抢占。
[0026]
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
[0027]
本发明保障现场具备最高优先级的tt流量完成确定实时传输，降低avb流量延时，保证音视频传输质量，并且在一定程度上降低avb抢占所带来的带宽浪费，提升调度性能，解决混合流量共同传输的调度问题。
附图说明
[0028]
图1为本发明中混合流量调度方法的流程图；
[0029]
图2为本发明通道传输模式示意图；
[0030]
图3为本发明混合流量调度机制示意图；
[0031]
图4为本发明流量优先级隶属度图；
[0032]
图5为本发明流量紧急程度隶属度图。
具体实施方式
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下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
[0034]
图1为本发明中混合流量联合路由与调度方法的流程图，可应用与现场拓扑模型，混合流量传输过程遵循图2通道传输模式，调度方式满足图3混合流量调度机制。下面对该方法包括的步骤进行具体描述。
[0035]
步骤1，定义网络拓扑各数据帧特征参数，流量集合中的流量由一个六元组＜s,d,p,d,q,l＞表征，分别表示源节点，目标节点，传输周期，截止时间，传输队列id，数据帧长度。其中，各流量均满足p≤d。
[0036]
步骤2，根据ieee802.1qbv标准，利用时间感知整形器(tas)设计门控制列表(gcl)区分处理tt流量与非tt流量，其中非tt流量包括avb与be流量，通过建立完全独立的时间窗口保证tt流量的确定实时传输。
[0037]
步骤3，在传输过程中各队列流量依据公式
[0038][0039]
判定优先程度并进行队列流量的重新排序，将w数值较低的流量排列在队列前方以便于优先发送，队列重排只局限于本队列，不涉及跨队列重新排序。t代表流量到达节点时刻，d代表各类型流量截止时间。
[0040]
步骤4，根据门控机制各类流量在特定的时隙窗口打开期间进行传输。其中，在非tt流量时隙窗口打开期间，avb流量与be流量采用基于模糊控制的限制抢占调度方法，即根据剩余时间比例与剩余传输比例的差值和流量优先级制定的模糊准则允许avb流量对be流量的抢占，降低较高优先级流量的延时，并在一定程度上减小频繁抢占带来的带宽浪费。
[0041]
步骤5，根据步骤4制定模糊规则
[0042]
(1)剩余时间比例与剩余传输比例的差值规则：
[0043]
剩余时间比例：
[0044]
剩余传输比例：
[0045]
差值：δ＝m-n
[0046]
t
pm
代表当前时刻，d代表截止时间，t
tc
代表流量所处位置对应的已完成传输时间，t
nq
代表无排队时流量所需的传输时间。
[0047]
根据差值δ确定紧急程度，差值越小紧急程度越高。
[0048]
(2)队列规则：
[0049]
交换机共包含7个非tt流量优先级队列，队列编号从0至6，编号越高，存储流量的优先级越高。队列7用于传输tt流量，队列6和队列5用于传输avb流量，剩余队列用于传输be流量。
[0050]
步骤6，根据差值δ和优先级所对应的隶属度对模糊性对象进行精确描述，再利用表1模糊逻辑控制表获取模糊输出所对应的最终等级。表1中重要程度属性为一般并且紧急程度属性为紧急的流量查表等级为g7，重要程度属性为紧急并且紧急程度属性为一般的流量查表等级为g8，体现表1的参数设置中流量重要程度比紧急程度更关键。最终判定规则为若avb流量模糊输出等级高于be流量，则允许抢占事件发生，反之则不允许抢占。
[0051]
表1模糊逻辑控制表
[0052][0053]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。