一种面向工业回程网的端到端时延保障传输调度方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数据通信技术领域，具体涉及一种支持端到端时延保障的传输调度方 法。
【背景技术】
[0002] 工业回程网是回程网络的概念向工业领域延伸的产物，它是指工业现场网络(如 传感网)和广域网之间的传输网络，主要用于工业现场数据向广域网接入的问题。由于工业 环境中，不同数据的时延敏感性较差别较大，而一些数据对时延的敏感性较高。因此工业回 程网需要为其业务数据提供不同的端到端时延保障。
[0003] 区分服务一定程度上改变了网络"公平"、"竭力"的服务策略，提供了一种对不同 业务区分对待的服务方式。而且具有简单、高效、可扩展性高，被现有网络广泛采用。但是 区分服务仍然存在如QoS保证粒度较大、对不同业务流只能提供相对优先级QoS保证等缺 点。
[0004] 针对以上问题，现有技术提出了若干新的服务策略，其中不乏针对具体业务流的 QoS保证机制。但是多以大量资源预留的方式实现，网络资源开销大；而且存在端到端时延 保证针对性不强等问题，不能满足工业领域的应用需求。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明目的在于提供一种面向工业回程网的端到端时延保障传输调度 方法：以时间为出发点，动态分配网络资源，实现业务数据端到端时延确定性传输。
[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种支持端到端时延保障的传输调 度方法，应用于集中控制的交换网络，包括以下步骤：
[0007] 所述的时延分配过程，网络管理器根据具体业务的总体时延要求，结合链路的负 载信息，对业务路径上的每段链路做出分段时延要求，并将分段时延要求发送至相应的网 络交换机；
[0008] 所述的时延保障转发过程，由路径上的各个网络交换机根据业务报文的分段时延 要求和自身流控制策略，通过使用延迟优先级队列控制不同业务报文在网络交换机内的队 列时延，满足分端时延要求。
[0009] 所述时延分配过程包括以下步骤：
[0010] (1)网络交换机每隔一段时间计算每条链路的负载度：
[0011]
【主权项】
1. 一种面向工业回程网的端到端时延保障传输调度方法，应用于集中控制的工业回程 交换网络，即网络中具有网络管理器负责回程网接入业务的整体调度，其特征在于，包括集 中的时延分配过程和分段的时延保障转发过程； 所述的时延分配过程，网络管理器根据具体业务的总体时延要求，结合链路的负载信 息，对业务路径上的每段链路做出分段时延要求，并将分段时延要求发送至相应的网络交 换机； 所述的时延保障转发过程，由路径上的各个网络交换机根据业务报文的分段时延要求 和自身流控制策略，通过使用延迟优先级队列控制不同业务报文在网络交换机内的队列时 延，满足分端时延要求。
2. 根据权利要求1中的所述的一种面向工业回程网的端到端时延保障传输调度方法， 其特征在于，所述时延分配过程包括以下步骤： (1) 网络交换机每隔一段时间计算每条链路的负载度：
其中，Ci为单位时间内进入链路Li的数据包数量，Cimx为单位时间内可以进入链路L i 的数据包数量的最大值，取决于交换机的交换能力； (2) 网络交换机将负载度逐级发送到网络管理器中，更新网络管理器中的负载信息； (3) 网络管理器针对业务的接入请龙,计笪采用路径的最小时延：
其中，η代表路径经过的网络交换机的个数，2?\为报文进入链路Li的队列时延，Ti为 链路Li入口交换机的缓存轮换周期，对于任一网络交换机： T = IXt 其中1为该交换机一个交换周期时隙个数，为固定值，τ表示交换时隙时长； (4) 判断所需最小时延是否能够满足业务时延需求，若不能满足则反馈失败消息； (5) 若能满足业务时延要求，则根据传输路径的负载度分配时延； (6) 将时延分配结果发送至业务路径上的各个网络交换机中。
3. 根据权利要求2中的所述的一种面向工业回程网的端到端时延保障传输调度方法， 其特征在于，所述根据传输路径的负载度分配时延，包括以下步骤： Al.计算每条链路的负载度比重：
其中，L为路径上所有链路的集合，ri为链路i的负载度； A2.计算每条链路的预分配时延： D' J = DdX Si, i e L 其中，Dd为业务总时延要求，Si为链路i的负载度比重； A3.初始化h = 0,待分配时延的链路集合为L' ； A4.取L'中预分配时延最小的链路Li,为其分配时延： Di = [max ((D，i+t。），2?\) ] Ti 其中，Ti为链路Li入口交换机的缓存轮换周期，max ()表示取最大值，[A]T表示不大于 A的T的最大整数倍数，即：
」表向下取整； A5.计算tQ : t〇 = t〇+D' J-Di A6.将LiW L'中删除，若L'为空，则完成时延分配；若L'不为空，则执行步骤A4。
4. 根据权利要求1中的所述的一种面向工业回程网的端到端时延保障传输调度方法， 其特征在于，所述时延保障转发过程在网络交换机中实现并包括以下步骤 ： 网络交换机将经过的业务数据暂存至时延优先级队列； 时延优先级队列轮换=Crossbar输入队列为空时，取优先级最高的延迟优先级队列作 为新输入队列，其他时延优先级队列优先级提高1级，原Crossbar输入队列作为优先级最 低的时延优先级队列； 在一个交换周期T内采用时延保障的Crossbar调度机制转发数据。
5. 根据权利要求4中的所述的一种面向工业回程网的端到端时延保障传输调度方法， 其特征在于，所述网络交换机将经过的业务数据暂存至时延优先级队列，包括以下步骤： BI.对于一个M输入N输出的网络交换机，其维护k个优先级队列，对应1，一，k个优先 级，每个优先级队列为每个输入维护一个子队列形成M个输入队列，其中，1为优先级最高， k为优先级最低； B2.对于每个时延优先级队列Qp，交换机统计优先级队列Qp中由端口 i输入数据包数 量，记为G ;同时统计Qp中发送到端口 j的数据包数量，记为 B3.对于进入交换机的具体业务数据，判断其输入接口 i和输出接口 j，并根据其分段 时延要求，计算优先级： 其中，Dd为该业务分段时延要求，T为交换
周期，等于缓存轮换周期； B4.对于优先级Py若满足' W并且Z，则将该业务报文放到Pu对应的时延优 先级队列中，^和〇;的值加〗；否则执行B5,其中，丨为一个交换周期时隙个数；
85.?^_值减1，执行84。
6. 根据权利要求4中的所述的一种面向工业回程网的端到端时延保障传输调度方法， 其特征在于，所述在一个交换周期T内采用时延保障的Crossbar调度机制转发数据，包括 以下步骤： Cl.初始化Γ为所有队列长度最大值，初始化输入节点集Ni和输出节点集N。为空； C2.找出输入节点中初始队列长度为Γ的节点加入Ni; C3. Ni中的节点依次找一个队列长度最长的未匹配输出节点进行匹配； C4.找出输出节点中初始队列长度为Γ的节点加入N。； C5.未匹配的N。中的节点依次找一个队列长度最长的未匹配输出节点进行匹配； C6.在匹配的输入和数据节点间进行数据传输，并将数据从输出端口输出； C7.将Γ减去1，若Γ值为0,则完成了该交换周期内的所有交换任务；若不为0,执 行C3。
【专利摘要】本发明公开了一种面向工业回程网的端到端时延保障传输调度方法，包括集中时延分配过程和分段的时延保障转发过程两个过程。方法由网络管理器根据业务流的时延要求和其传输路径的负载情况，计算每段链路的时延分配值并将时延要求和业务头信息发送至网络交换机。网络交换机根据具体业务的时延要求实现数据业务的转发：首先，将业务数据放置到相应的延迟优先级缓存队列中，之后网络交换机通过实验优先级调度机制将时延优先级队列中数据送至crossbar交换矩阵，最后采用有时延保障的Crossbar调度机制保证缓存队列中业务的按时发送。本发明采用细粒度的时延控制机制，提高了业务端到端时延的保障性和确定性。
【IPC分类】H04L12-851, H04L12-937, H04L12-875
【公开号】CN104734991
【申请号】CN201310714537
【发明人】曾鹏, 于海斌, 李栋, 李志博, 王金涛
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2013年12月19日