CN109194588B - 一种基于混合调度算法的高效节能以太网 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以太网节能策略，特别是一种基于混合调度算法的高效节能以太网。本发明的混合调度算法结合固定优先级和实时截止期限机制，高效节能以太网采取休眠‑唤醒机制，系统多数时间段处于低能耗状态来实现节能，并通过耗能资源在不同状态之间的相互转换来实现服务质量要求。采用混合调度算法满足了系统实时性要求，解决信道竞争时的分配问题，以及通过端口流量切换物理层媒介的传输速率，从而解决信道使用权问题以及网络节能问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种以太网节能策略，特别是一种基于混合调度算法的高效节能以太网(Energy Efficient Ethernet)。
背景技术
传统以太网能耗较大，即使不发生数据碰撞，收发端也处于最高能耗模式，导致以太网的链路利用率一般很低，链路传输速率越大能耗也越大。随着以太网规模的不断扩大，连接设备数量不断增加，通信设备的不断更新，以太网的能量消耗愈加明显。实现绿色通信，建设节能网络，越来越受到人们的普遍关注。
为了提高以太网的能源效率，在2010年，IEEE发布了IEEE 802.3az标准，即所谓的高效节能以太网(EEE)。在实时以太网中采用高效节能以太网是一个新兴的研究课题，目前几乎所有可用协议的传输速率都是100Mb/s，将来会增加1Gbp/s甚至10Gb/s。
在采用以太网技术的通信网络中，数据传输的实时性是问题的核心。单纯的使用高优先级先于低优先级队列，优先级略低的实时非周期数据会因为实时周期数据的连续发送而得不到转发，低优先级的数据也将出现挤压，处于饥饿状态，从而导致大量丢包。因此，如何提高以太网应用的实时性以及如何减少能耗成为需要结局的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种采用混合调度算法的高效节能以太网，混合调度算法结合固定优先级和实时截止期限机制，高效节能以太网采取休眠-唤醒机制，系统多数时间段处于低能耗状态来实现节能，并通过耗能资源在不同状态之间的相互转换来实现服务质量要求。
为了保证以太网中的数据快速可靠的进行传输。所有的数据类型可分为实时周期数据、实时非周期数据及非实时数据三种类型，在先来先服务队列中，三种数据类型都会被视为相同优先级依次等待转发，如果长数据帧一直发送，实时数据长期得不到转发，对系统时延造成极大影响。将静态优先级算法和动态优先级算法相结合，采用二级调度，提出固定优先级和最早截止期优先策略相结合的综合分级调度方法。一级调度解决了非实时数据抢占信道致使实时数据得不到实时传输的问题。二级调度对实时数据和非实时数据队列采取不同的调度策略，解决了优先级队列中数据的转发次序问题。
高效节能以太网中两个节点之间的链路可以进入低功率状态(Low Power Idle)，根据端口的实际流量自动调整能源消耗，可以迅速在全速运行和低功率闲置模式之间转换，极大限度的节约运行成本，两个设备的任何一个都可以发出这种状态的请求。高效节能以太网在系统无数据传输时让链路进入低能耗的休眠模式，以此来节省系统中的能耗。当系统有数据准备传输的时候快速将其从睡眠状态唤醒。在从睡眠到唤醒的转换期间，要求数据传输要在物理层被唤醒条件下进行，因此不会出现数据丢失现象。
本发明重点分析IEEE 802.3az标准下的以太网节能策略，同时采用混合调度算法来满足系统实时性要求。数据链路层较上部分是逻辑链路子层，实现连接间的错误控制与流量控制；数据链路层较下部分是采用改进的介质访问子层和低功率状态LPI，解决信道竞争时的分配问题，以及通过端口流量切换物理层媒介的传输速率，从而解决信道使用权问题以及网络节能问题。
附图说明
图1为本发明的网络协议模型图。
图2为本发明的LPI运行图。
图3为本发明的数据帧格式图。
图4为本发明的状态转换图。
图5为本发明的网络拓扑结构图图。
图6为本发明的安静状态时间和平均功耗仿真图。
具体实施方式
如图1所示，具有混合调度算法的节能高效以太网协议模型结构中较低部分是改进的介质访问控制子层和低功率状态LPI，较高部分是逻辑链路控制子层。
如图2所示，混合调度算法较高一级在源介质访问控制子层的地址和类型/长度字段之间加入了一个四字节的VLAN标签字段。这四个字节中，前两个字节是标志协议ID，通常设为0X8100，后两个字节是标志控制信息，其中前3个比特的用户优先级字段，该字段可将数据分为8个不同的优先级，常见的分类方法是数字0-7代表不同的级别，7为最高优先级，0为最低优先级，默认优先级为0数据在进行封装时，当能支持2个优先级队列时，优先级将分为两个组，分别是0-3级为一组和4-7级为另一组。混合调度算法较低一级中，将有RTD帧字段加在了数据帧上，作为实时优先级的判断标志。
较高一级调度算法中，分别对实时周期数据、实时非周期数据、非实时数据三种数据设定优先级，到达的数据根据标志字符的优先级不同进入三种优先级不同的缓冲队列等待进行数据转发。一级调度为实时周期数据赋予最高优先级的信道访问权，当实时周期数据队列为空时才进行实时非周期数据，仅当前两个队列都为空时才进行非实时数据队列的调度。
为了解决不同队列之间因为高优先级队列长期占用而低优先级的队列数据得不到转发的情况，为优先级不同的队列分配时间片，实时周期数据队列为60％，实时非周期数据队列为30％，非实时数据队列为5％，剩下5％为保护时间。
较低一级调度算法的核心就是分别对不同数据队列采取不同的调度策略。在较高一级调度完成处理之后，数据进入两个优先级队列，但是在同一个优先级队列中实时数据的紧急程度也可能不同，所以需要对实时数据的缓冲队列采取一定的调度机制。数据在进行封装时，将有RTD帧字段加在了数据帧上，作为实时优先级的判断标志。实时截止期限最短的数据拥有最高的优先级，首先转发。
高效节能以太网包含一种新的低功耗的运行模式LPI，以太网链路进入一个新的功能状态，即安静状态，在这个状态下，电力消耗大大减少。介质访问控制协议MAC根据LPI调整，MAC体系结构使得上层可以使用LP_IDLE协议服务，以便于实现节能高效以太网策略，状态转换是通过这种协议服务的请求和指示原语进行的。
当以太网链路的一个节点决定强制该链路处于安静状态时，它会调用低功率状态LPI。请求原语LPI_REQUEST设置为DE-ASSERT，然后，物理层开始过渡到安静状态。物理层的目标节点检测到链路传输介质的新状态，因此，会发出LPI指示原语指向LPI子层，该子层反过来通知较高的层关于链路状态的更改。改变链路状态的过程完全是通过链路本身的电信号进行协商的，并且不涉及包传输。当其中一个合作伙伴发出LPI_REQUEST原语时，它的特定信令指示传到另一个链路节点，这必须隐式地握手。如图3所示，一个节点发出请求时，活跃状态向安静状态过渡过程中，所需要的时间为睡眠过程Ts。链路保持安静状态时间Tq之后发出刷新信号。刷新过程的持续时间为Tr。经过安静状态时间Tq'后过渡到唤醒过程，该过程时间为Tw。
显然，最大程度的节能是尽可能长时间保持安静状态。也就是说在一个帧传输结束后，立马进入安静状态，并在新的传输发生之前立即退出。典型的实时网络数据可以细分为两类，即周期数据和非周期数据。周期数据适用于对传感器数据进行周期性采样以及重复动作。另一方面，非周期数据来自不可预测的事件，例如与处理警报相关的事件。
两个节点可能通过包含多个链路连接。进入/退出安静状态的过程可然涉及更多的链路。因此，包含m个链路的路径上传输的帧最大唤醒过程可能为mTw，从而对网络性能产生负面影响。在周期开始之前提前唤醒链路，可以解决这一问题，尽管该方法会更加耗能。
如果考虑非周期数据，特别是警报产生的数据，那么所描述的场景就会变得更加复杂。这些事件触发特定帧的传输，其交付必须在预定义的期限内完成。因此，在两个站点之间的路径中，只有当路径激活延迟和发送警报帧的时间小于截止时间时，才允许进入安静状态。否则，这个期限很可能会被错过。因此，假设D是报警截止时间和Tf是传输报警帧所需的时间满足公式1，表明了高效节能以太网策略应用于路径的必要条件
D≤mTw+Tf (1)
警报发生在过渡到安静状态的过程中时，即在睡眠过程Ts内或刷新过程Tr内时。在这两种情况下，警报所增加的延迟是相当有限的。实际上，对于100BASE-TX和1000BASE-T两种物理层媒介来说，向安静状态的过渡可能被中断。对于10GBASE-T物理层媒介来说，由于过渡到安静状态不能被中断，所以唤醒过程的最大时间为Ts+Tw。如果过渡请求在刷新过程中到达，所有的物理层媒介立即停止该过程并重新唤醒链路。因此，引入的最大延迟为Tw。
两个站之间的链路以周期Tc运行,安静状态的最大时间为
由公式2给出
Tp是必要的时间进行周期运行和k是刷新信号发出的数量。如果警报发生时，链路处于安静状态时，有必要唤醒连接时，发送警报帧，然后将链路恢复到安静状态。这个序列要求的时间Ta表示为：
Ta＝Tw+Tf+Ts (3)
因此，假设在一个周期内收集了n个警报，并且每个警报都在链路处于安静状态时到达，那么在一个周期内，该链接在安静状态下的时间减少为
如果两个站点之间的路径包含多个链路，将公式4应用于路径上链路，非周期数据减少了安静状态下花费的时间，从而减少了耗能。
高效节能以太网两种主要设备是IO控制器和IO设备，所有的站点都是严格同步，周期时间设置为1ms，一个周期由三个阶段组成，第一个阶段为同步实时通信期，持续时间为200μs，保证同步实时通信。第二阶段为实时-非实时阶段，持续时间为700μs，用于其他类型的通信。最后，第三阶段是空闲期，持续时间为100μs。分布式时钟系统通过定时发送时钟帧来保证网络同步。
如图4所示，一个由IO控制器和两个IO设备组成的网络，分别称为IO设备1和IO设备2，所有的设备节点都通过一个交换机连接，IO设备1应该在第一阶段与IO控制器交换数据，而IO设备2在第二阶段进行通信。
如图5所示，IO控制器与交换机的链路表示为L1，IO设备1与交换机的链路表示为L2，IO设备2与交换机的链路表示为L3。链路L1和L2分别被IO控制器和IO设备1唤醒到活跃状态。在第一阶段的开始阶段，高效节能以太网在链路L1和链路L2上传递IO设备1的周期数据，在第一阶段结束之前,广播同步时钟帧。而链路L3必须提前激活确保时钟帧被IO设备3接收。L1必须保持活跃状态，并在第二阶段IO控制器将数据发送给IO设备2，因为在周期的其他部分没有IO设备的数据，L2可以立即停止发送其他的周期数据。链路L3在第一阶段结束时被唤醒以接收时钟帧，并保持活跃状态，以便将数据传输到IO设备2。
如图6所示，通过分析高效节能以太网与非高效节能以太网的两种情况，分别计算出网络平均功耗以及安静状态时间，其中安静状态时间表示为安静状态时间与周期时间的百分比。图6证实了采用节能高效以太网可以在不影响网络性能的情况下节省大量电能。
本发明提出了一种基于混合调度算法的高效节能以太网，可以实现显著的节能。但是，由于大部分传感器和执行器等组件没有内置的高效节能以太网的功能，因此需要开始在这些类型的设备上实现ieee802.3az协议栈。此外，还必须评估这些组件的实际行为，特别是在应用层采用的协议与IEEE 802.3az之间的接口上。由此可见在工业通信场景中引入高效节能以太网仍是一个有待解决的研究课题。本发明对以太网高效节能以太网的节能策略以及达到实时性要求具有的指导意义，为构建绿色以太网提供理论依据和方法。
Claims (1)
1.一种基于混合调度算法的高效节能以太网，其特征在于：混合调度算法结合固定优先级和实时截止期限机制，高效节能以太网协议采取休眠-唤醒机制，利用低能耗状态来实现节能，并通过耗能资源在不同状态之间的相互转换来实现服务质量要求；节能高效以太网协议模型结构中包括改进的介质访问控制子层、低功率状态LPI和逻辑链路控制子层，具体信息如下：
(1)所述的混合调度算法在原介质访问控制子层的地址和类型/长度字段之间加入了一个四字节的VLAN标签字段，这四个字节中，前两个字节是标志协议ID，设为0X8100，后两个字节是标志控制信息，其中前3个比特为用户优先级字段，该字段可将数据分为8个不同的优先级，令数字0-7代表不同的级别，7为最高优先级，0为最低优先级，默认优先级为0，数据在进行封装时，当能支持2个优先级队列时，优先级将分为两个组，0-3级为一组，4-7级为另一组；混合调度算法中，首先分别对实时周期数据、实时非周期数据、非实时数据三种数据设定优先级，到达的数据根据标志字符的优先级不同进入三种优先级不同的缓冲队列等待进行数据转发，一级调度为实时周期数据，赋予最高优先级的信道访问权，当实时周期数据队列为空时才进行实时非周期数据的转发，仅当前两个队列都为空时才进行非实时数据队列的调度，为了解决不同队列之间因为高优先级队列长期占用而低优先级的队列数据得不到转发的情况，为优先级不同的队列分配时间片，实时周期数据队列为60％，实时非周期数据队列为30％，非实时数据队列为5％，剩下5％为保护时间；然后由于在同一个优先级队列中实时数据的紧急程度不同，因此需要对数据的缓冲队列采取一定的调度机制，混合调度算法中在数据在进行封装时，将RTD帧字段加在了数据帧上，作为实时优先级的判断标志，实时截止期限最短的数据拥有最高的优先级，首先转发；
(2)所述的低功率状态LPI，以太网链路进入一个安静状态，介质访问控制协议MAC根据LPI调整，MAC体系结构使得上层可以使用LP_IDLE协议服务，以便于实现节能高效以太网策略，状态转换也是通过LP_IDLE协议服务的请求和指示原语进行的，当以太网链路的一个节点决定强制该链路处于安静状态时，它会调用低功率状态LPI，请求原语LPI_REQUEST设置为DE-ASSERT，然后，物理层开始过渡到安静状态，发出LPI指示原语指向LPI子层，该子层反过来通知较高的层关于链路状态的更改，改变链路状态的过程完全是通过链路本身的电信号进行协商的，并且不涉及包传输，当发出LPI_REQUEST原语时，信令指示传到另一个链路节点，这必须隐式地握手，以达到在一个帧传输结束后立马进入安静状态的作用，并在新的传输发生之前立即退出；典型的实时网络数据可以细分为两类，即周期数据和非周期数据，周期数据适用于对传感器数据进行周期性采样以及重复动作，另一方面，非周期数据来自不可预测的事件，两个节点间包含多个链路连接，而进入/退出安静状态的过程也会涉及多个链路，因此，包含m个链路的路径上传输的帧最大唤醒过程为mT w ，从而对网络性能产生负面影响，进一步考虑非周期数据，那么所描述的场景就会变得更加复杂，会触发特定帧的传输，数据的传输必须在预定义的期限内完成，因此，在两个节点之间的路径中，只有当路径激活延迟和发送警报帧的时间小于截止时间时，才允许进入安静状态，否则，这个期限很可能会被错过，因此，令D是报警截止时间，Tf是传输报警帧所需的时间，公式1表明了高效节能以太网策略应用于路径的必要条件：
D≤mTw+Tf (1)
一个节点发出请求时，活跃状态向安静状态的过程中，所需要的时间定义为睡眠过程Ts，刷新过程的持续时间为Tr，警报发生在过渡到安静状态的过程中时，即在睡眠过程Ts内或刷新过程Tr内时，在这两种情况下，警报所增加的延迟是相当有限的，对于100BASE-TX和1000BASE-T两种物理层媒介来说，向安静状态的过渡可能被中断，对于10GBASE-T物理层媒介来说，由于过渡到安静状态不能被中断，所以唤醒过程的最大时间为Ts+Tw，如果过渡请求在刷新过程中到达，所有的物理层媒介立即停止刷新过程并重新唤醒链路，引入的最大延迟为Tw，两个节点之间的链路以周期Tc运行，安静状态的最大时间为Tlpi max，由公式2给出:
Tlpi max＝Tc-Ts-Tp-Tw-kTr (2)
其中Tp是进行周期运行所必要的时间，k是刷新信号发出的数量，如果警报发生时，链路处于安静状态时，有必要唤醒连接时，发送警报帧，然后将链路恢复到安静状态，这个序列要求的时间Ta表示为
Ta＝Tw+Tf+Ts (3)
因此，当在一个周期内收集了n个警报，并且每个警报都在链路处于安静状态时到达，那么在一个周期内，该链接在安静状态下的时间减少为
Tlpi＝Tlpi max-nTa (4)。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20221101 |