CN109845202A

CN109845202A - 偶发网络流量的超低传输延迟

Info

Publication number: CN109845202A
Application number: CN201780031433.5A
Authority: CN
Inventors: C·芒然
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2019-06-04
Also published as: US10652044B2; EP3253013B1; KR20190002568A; KR102150852B1; TWI651951B; JP2019503147A; US20190132149A1; WO2017208633A1; EP3253013A1; JP6576571B2; TW201804764A

Abstract

本发明涉及一种用于通过分组交换网络来传输偶发数据流(SStream)的方法，该分组交换网络在调度的连续优先时间窗内还执行传输优先数据传输。更具体地，在传输所述偶发数据流之前传输预约帧(RSVFrame)，所述预约帧包含至少有关用于在所调度的优先时间窗之外传输所述偶发数据流的定时的信息。

Description

偶发网络流量的超低传输延迟

技术领域

本发明涉及所谓的“偶发”流(即，非周期性和不可预测的流)的数据传输，举例来说，如警报数据流。

背景技术

由于允许传送不能遭受延迟和传输延迟变化的控制数据的第2层特征的引入，分组交换网络越来越多地用于工业控制应用。例如，低延迟采样数据、控制(在闭环中)以及图像流播(例如，图像处理)具有非常严格的延迟要求。作为控制环路的一部分的图像流式传输和关联处理在聚合网络中具有比尽力输送可以提供的要求高的要求。

并行地，尽力而为的流不是时间关键的，而是提供恒定的干扰流源。解决方案逐步发展，特别是为了使交换式以太网适配于工业现场总线的要求：EtherCAT、以太网Powerlink、TCnet、PROFINET等。所有这些解决方案都依赖于针对标准以太网协议的、为调度的流提供支持的特定添加。

发明内容

[技术问题]

由这些适配所使用的通用方案基于按时间窗组织传输多路复用，各个窗口针对特定流预约。时间窗的数量和重复频率根据应用的要求确定。

生成调度流的一般当前控制应用具有周期性活动。传输多路复用结束以周期性周期组织，如图1的示例所示。各个周期包含针对调度(低延迟)流(调度帧SFR)预约的一系列时间窗STW和针对非调度流NSTW(图1的虚线)预约的一系列时间窗。

为了更进一步减少因调度流与非调度流之间的干扰而造成的潜在延迟源，还引入了抢先(pre-emption)机制。抢先干预非调度流时间窗与调度流时间窗之间的转变。具体来说，在这种转变时，调度流的开始可以与在先前非调度流时间窗期间开始的帧的传输结束同时发生。在这种情况下，不能发送调度帧，直到当前非调度帧的传输(在图2中标记为NSFR)结束。

通过抢先非调度帧的剩余部分的传输机会，可以避免调度流遭受额外延迟。为了便于促进抢先操作，可以将非调度帧分成几个片段f1、f2(图3)，使得剩余片段f2的传输被延迟，直到调度流传输完成为止。

为了支持能够输送所有类型的流的聚合网络，努力提供单一标准，IEEE组织定义了两种机制：

·根据标准IEEE-802.1Qbv，依赖于针对不同类型流(调度的和非调度的)

的时间窗预约的调度方案；

·根据标准IEEE-802.3br和802.1bu，在所谓的“快速”帧的并发传输时指定所谓的“正常”帧的分段方案的抢先方案。

802.1Qbv基于周期性日历表，日历表的各个条目定义了为特定类型的流(例如，调度的或非调度的)的传输而预约的时间窗。

然后，这些标准为以最小延迟输送周期性调度流提供了一个完整的框架，其可以提供与上述当前标准所提供的服务类似的服务。

必须在整个网络上固定调度流的传输调度。由“Talker”(传输实体)传输并由多个节点沿其路径连续中继帧的确切时间被集中计算并通过管理装置在各个节点中设定。这种配置是静态的，而且仅适配于周期性的调度流。

偶发(即，非周期性和不可预测的)低延迟流不能通过这种机制处理。在最佳情况下，它们可以从抢先中获益，但仍会受到可变延迟的影响。例如，警报是偶发流的典型来源。

[问题的解决方案]

本发明旨在改进所述情况。

为此，本发明旨在提供一种用于通过分组交换网络来传输偶发数据流的方法。该网络具有还在所调度的连续优先时间窗内执行传输优先数据传输的类型。

更具体地说，在传输所述偶发数据流之前是传输预约帧，所述预约帧包含至少与用于在所述调度优先时间窗之外传输所述偶发数据流的定时有关的信息。

因此，本发明使得可以利用抢先来传输偶发流，但不会因在网络的连续交换/复用级中遇到的干扰流量而使它们暴露于延迟。

因此，本发明提出了这样一种机制，即，在诸如交换机的输出端口的传输实体中动态预约用于传输偶发流的传输窗口。为此，在偶发流之前发送带内短信令消息(例如“预约”帧)。所述预约帧遵循与所述流相同的路径，并且足够早地发送以便能够及时触发其遍历的交换机的输出端口中的传输窗口的开启。所述传输窗口与专用于偶发流的队列相关联。

因此，在特定实施方式中，所述偶发数据流的传输遵循所述网络上的预定路径。该路径可以由从发送实体到接收实体的、所述网络的传输实体之间的跳(hop)来规定。因此，在所述传输实体中的一个接收到前述预约帧时，该传输实体检查该传输实体是否可用于根据所述定时来传输所述偶发数据流，并且：

-如果是，则所述传输实体根据所述定时预约用于传输所述偶发数据流的时间，而

-如果否，则所述传输实体向所述发送实体发送回消息，该消息包含与所述传输实体不能根据所述定时来来传输所述偶发数据流的不可用性有关的信息，以放弃根据所述定时进行的所述偶发数据流的传输。

前述“所述传输实体的可用性”可以在检查是否已在所述定时调度了由所述传输实体进行的前一偶发数据流的传输时来确定。

在特定实施方式中，所述消息相当于把所述预约帧返回至所述发送实体并表明放弃了所述偶发数据流的传输。

在实施方式中：

-所述偶发数据流的传输遵循所述网络上的预定路径，该路径由所述网络上的传输实体之间从发送实体到接收实体的跳来规定，

-所述优先数据可配置成，使得能够在所述连续优先时间窗中的一个窗口之后的附加时间窗中传输具有预定最小尺寸长度的优先数据帧片段，所述片段在所述偶发数据流之前抢先传输，

被包含在所述预约帧中并且与所述定时有关的前述信息可以考虑所述路径上能够在一个附加窗口中传输优先数据的一个片段的多个传输实体。

因此，预约帧将与正常流相关联的窗口的关闭安排在保证在打开为偶发流预约的窗口之前仍然可以传输最坏情况最小尺寸的帧片段的时间处。因此，一旦所述偶发流进入所述交换机，就可以将所述偶发流转发到其目的地输出端口上的专用队列。该队列被无延迟地服务，从而消除可能因正常流量干扰而造成的延迟。

在对应实施方式中，所述预约帧因此可以包含用于预约用于通过所述路径中的每个传输实体传输所述偶发数据流的时间窗的信息，并且所述发送实体发送所述预约帧，所述预约帧具有用于各个传输实体在各个时间开启和关闭用于传输所述偶发数据流的所述时间窗的指示：

t_curr+delta和t_curr+delta+T_spor，其中，

○t_curr是当前时间，其由网络中的公共时钟给出，

○delta＝(NBHop-1)*WCMFSD：

■NBHop-1是对所述路径中处于所述接收实体之前的剩余传输实体进行计数的可变数量，

■WCMFSD是用于发送长度相当于两个所述预定最小长度之下的优先数据片段的估计持续时间，并且

○T_spor是用于传输所述偶发数据流的持续时间。

例如，上面记为WCMFSD的持续时间可以对应于所估计的用于发送优先数据片段的持续时间，该优先数据片段的长度相当于两个所述预定最小长度减一个八位字节。

例如，所述预约帧可以从传输实体传输至所述路径中的下一个传输实体，并且各个传输实体能够修改所述预约帧的内容。然后，数量NBHop-1：

-在离开所述发送实体时的所述预约帧中，对应于所述路径中的传输实体的总数量，并且

-在所述预约帧中按照接收所述预约帧的每个传输实体递减。

在可能实施方式中，所述传输实体是所述网络的交换机。

在可能实施方式中，所述偶发数据是从一个或几个传感器发出的警报数据和/或数据。

在本发明的可能应用中，前述网络可以是工业网络(或汽车网络)，因此涉及传感器或能够例如在所谓的“偶发流”(不同于通常被早早提前调度的通常电信流)中生成警报消息的任何其它装置。

本发明还旨在提供一种用于在分组交换网络上传输偶发数据流的系统，该系统包括：发送实体和至少一个传输实体。所述发送实体和所述传输实体中的每一个包括用于执行根据本发明的如上所述的方法的逻辑电路。

这种逻辑电路可以包括与存储器(MEM)协作以存储和读取计算机程序的数据从而执行本发明的方法的处理器(PROC)，并且包括用于写入和发送(在发送实体部分上)或者接收和读取(在传输实体部分上)预约帧并且根据包含在其中的信息来执行本发明的方法的通信接口(COMINT)。下面说明的图6中呈现了这种逻辑电路的一个示例(具体来说，传输实体部分)。

本发明还旨在提供所述系统的这种传输实体，并且包括用于解析所述预约帧并根据所述预约帧的内容预约用于传输所述偶发数据流的时间窗的逻辑电路。

本发明还旨在提供所述系统的发送实体，并且包括用于在传输所述偶发数据流之前发送所述预约帧的逻辑电路。

本发明还旨在提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于在由处理器运行时执行本发明的方法的指令。

本发明在附图的图中通过示例而非限制的方式进行例示，其中，相同标号表示相似部件。

附图说明

图1示意性地示出根据已知的当前IEEE标准，为在所调度的时间窗STW进行传输而调度的帧SFR。

图2示出非调度帧可能延迟调度帧的传输的情况。

图3示出了根据已知的当前IEEE标准，管理非调度帧的帧片段f1、f2以进行传输的情况，从而避免图2的情况。

图4示出根据本发明的、在不存在为了偶发流传输而已经等待的任何预约的情况下，在偶发流传输之前的预约帧的传输方案。

图5示出根据本发明的、在实际上存在为了偶发流传输而已经等待的任何预约的情况下，在偶发流传输之前的预约帧的传输方案。

图6示出了根据本发明实施方式的可能示例的方法的详细流程图。

具体实施方式

参照图4和图5，偶发Talker(STalker)是一个发送偶发流的终端站。

偶发流(SStream)由在STalker与Listener之间以全链路速度交换的有限(受限)数量的帧构成。

在该示例中仅考虑单播SStream。

SStream由双向路径承载。路径的前向方向是从STalker到Listener，而后向方向是从Listener到STalker。

预约帧(RSVFrame)是在与SStream完全相同的前向路径上转发的特定信令帧。

直通(Cut-through)转发是一种帧转发方案，其中，对帧进行转发，而不需等待每个帧的完整性的验证。

最坏情况最小片段尺寸是当原始帧被分段时帧片段可以具有的最大尺寸。例如，在最小片段尺寸为64个字节的情况下(由常用标准确定)，最坏情况最小片段是127个字节，不能进一步将最坏情况最小片段分成两个最小尺寸片段。

STalker针对其发起的每个SStream，知道对应路径包含的跳数(图4的示例中，NBHop＝3)。

STalker知道在属于到其Listener的路径的每个链路上的传输时间窗的组织。该信息存储在与每个可能的Listener相关联的日历表中。

为简化起见，网络中的所有链路在该示例中具有相同的容量(即，以每秒比特数表示的最大比特率)。单个时钟/时间基准由网络的所有节点共享。

非偶发流量和/或正常流量可以被抢先：在同一输出端口上同时传输SStream帧的情况，它们的帧可以被分段。

用特定的流量类标识符来标记SStream，使得可以标识它们并在节点中应用特定处理。

STalker的偶发传输的协议操作可以定义如下。

STalker确定传输正常帧的时间间隔。

当从STalker上运行的应用请求传输SStream时，STalker立即传输预约帧(RSVFrame)。RSVFrame包含以下信息：

·序号，在发送新的RSVFrame(SEQNum)时递增

·到Listener的路径上的跳数(NBHop)

·预约状态标志(RSVFlag)，不设定成“未失败”

·前向/后向(FBInd)指示，不设定成“前向”

·预约的持续时间，即，SStream的持续时间(T_spo_r)

RSVFrame报头包含与要遵循的SStream的帧相同的转发信息。这确保了RSVFrame遵循与该流的帧完全相同的到Listener的路径。

RSVFrame传输与实际的SStream传输之间经过的时间至少是应用准备要由该流输送的消息所需的时间，而且理想情况下，是等于SStream的路径上的跳数乘以最坏情况最小片段的传输持续时间的持续时间。

该后一时间间隔保证了SStream在与正常流量竞争传输机会时不会在交换机输出端口中遭受任何延迟(如下面相对于SStream转发所解释的)。在这种构造中，每当RSVFrame沿着流路径穿过交换机时，RSVFrame可能因最坏情况最小尺寸片段的传输持续时间而不延迟，并且仍然在SStream的帧之前。

在每次RSVFrame传输时，STalker使SEQNum递增。

构成SStream的所有帧按照链路速度在单个突发中发送。

因此，当然根据网络上的传输速率来估计此后用于传输数据的持续时间。

通过交换机转发偶发流的协议操作可以定义如下。

更具体地，参照图6，RSVFrame的处理可以执行如下。

在接收(在步骤S1中)FBInd不设定成为“前向”的RSVFrame时，诸如交换机SW的网络实体将所述帧转发至预约处理单元(RSVProc)。

预约处理单元例如可以包括(如图6所示)：

-处理器PROC，

-工作存储器MEM(例如，用于存储根据本发明的计算机程序的指令，以及根据需要存储临时数据，特别是存储利用RSVFrame接收的信息：必然接收SStream，以预约用于偶发流传输的传输持续时间T_spo_r，如下面呈现的)，

-以及通信接口COMINT，以接收/发送数据，

并且还连接至网络的时钟CLK。因此，预约处理单元可以对应于执行本发明方法的装置形式。

预约处理单元控制由包含在RSVFrame的报头中的转发信息(在图6的步骤S1中接收到)寻址的输出端口OP。

如果预约已经挂起(RSVPend在图6的测试S2中设定成“真”)，则RSVProc：

-设定与跟随在RSVFrame之后的流(DISC)相关联的丢弃指示(步骤S23)

-修改RSVFrame的报头中的转发信息(步骤S24)，以使其可以在路径的后向方向上转发

-使NBHop递减(步骤S25)

-将RSVFlag设定成“失败”(步骤S26)

-将FBInd标志设定成“后向”(步骤S27)

-将RSVFrame指向由修改后的转发信息寻址的交换机的输出端口OP'(步骤S28)，使得RSVFrame可以利用RSVFlag中的失败信息发送回STalker(步骤S30)，如图5所示。

实际上，如果将FBInd设定成后向(步骤S29)，则当前交换机将RSVFrame中继至由其报头中包含的转发信息所寻址的输出端口。不修改RSVFrame的内容。

如果没有预约被挂起(如图4所示)，则RSVProc读取RSVFrame内容并执行以下操作：

如果将FBInd设定成“前向”(在测试S3中，与步骤S27相反)，则RSVProc执行以下操作：

-按照标准IEEE-802.1Qbv，利用门控制机制为Sstream安排传输窗口(步骤S31)，其在t_curr+delta打开，并且在t_curr+delta+T_spo_r关闭，其中，

○t_curr＝当前时间

○delta＝(NBHop-1)*WCMFSD，其中，WCMFSD是最坏情况最小片段尺寸持续时间(即，例如，127个八位字节＝(2x 64个八位字节-1)除以假设与从交换机到另一交换机的网络速率相同的网络速率)，和

○T_spor是SStream的持续时间

-在相同时间间隔内关闭用于正常流量的另一个传输窗口(步骤S32)

-使NBHop递减(步骤S33)并更新RSVFrame的净荷(步骤S34)

-将RSVFrame转发至由RSVFrame的报头中包含的转发信息所寻址的输出端口上的、为SStreams预约的传输队列(步骤S35)。

处理偶发流本身的帧的协议操作可以定义如下。

如果设定了与SStream相关联的DISC指示，则SStream的帧在接收时被丢弃。

然后，由RSVProc重置DISC指示(步骤S41)，直到经过持续时间T_spo_r为止(步骤S40)。

如果未设定DISC指示，则将SStream的帧转发至由帧报头中包含的转发信息所寻址的端口上的偶发流队列。该队列由该输出端口立即服务，因为关联的门按照RSVFrame的安排打开。

一旦经过了T_spo_r(步骤S42)并且偶发流队列为空(步骤S43)，RSVProc就重新打开与正常流量相关联的窗口(步骤S45)并去除SStream窗口(步骤S44)。

可以如下执行偶发流传输确认。

在Listener接收到RSVFrame时，Listener可以执行以下操作：

-修改RSVFrame的报头中的转发信息，以使其可以在路径的后向方向上转发

-将FBInd标志设定成“后向”

-使RSVFrame回送至其传输端口

因此，本发明可以针对能够转发抢先的分组交换网络。这旨在为无法安排(不可预测的)的时间关键应用提供超低延迟数据传递。通常，其可以应用于嵌入式控制网络，如工业或汽车网络，例如涉及由警报和/或测量传感器发出的偶发流。

关于IEEE802.1TSN网络中的时间窗调度和流量管理机制的更多细节可以在文献EP-15305221和EP-16305268(EP专利申请提交号)中找到。

本发明可以嵌入计算机程序产品中(上面参照图6对其算法进行了描述)，所述计算机程序产品包括能够实现本文所述方法的所有特征，并且在被加载到信息处理系统(例如，用户设备或网络部件)中时，使信息处理系统实现本发明。在当前背景下，计算机装置或计算机程序是指旨在使具有信息处理能力的系统直接或者在转换成另一语言之后执行特定功能的一组指令的、采用任何语言、代码或记法的任何表达。此类计算机程序可以被存储在计算机或机器可读介质上，其允许从该介质读取数据、指令、消息或消息分组以及其它机器可读信息。计算机或机器可读介质可以包括非易失性存储器，诸如ROM、闪速存储器、盘驱动器存储器、CD-ROM以及其它永久性存储部。另外，计算机或机器可读介质例如可以包括易失性存储器，诸如RAM、缓冲区、高速缓冲存储器以及网络电路。而且，计算机或机器可读介质可以在暂态介质中包括计算机或机器可读信息，如允许装置读取此类计算机或机器可读信息的网络链路和/或网络接口，包括有线网络或无线网络。

虽然已经例示并描述了目前被认为是本发明的优选实施方式的内容，但本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明的真实精神的情况下，可以进行各种其它修改，并且可以替换等同物。另外，在不脱离本文所述中心发明概念的情况下，可以进行许多修改以使适应针对本发明的教导的特定情况。而且，本发明的实施方式可以不包括上述所有特征。因此，本发明不是旨在限制于所公开的特定实施方式，而是本发明包括落入如下面广义定义的本发明范围内的所有实施方式。

Claims

1.一种通过分组交换网络来传输偶发数据流的方法，所述网络还在所调度的连续优先时间窗内执行优先数据传输，

其中，在传输所述偶发数据流之前传输预约帧，所述预约帧包含至少与用于在所调度的优先时间窗之外传输所述偶发数据流的定时有关的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述偶发数据流的传输遵循所述网络上的预定路径，所述路径由从发送实体(STalker)到接收实体(Listener)的、所述网络的传输实体之间的跳来规定，

并且其中，在所述传输实体中的一个传输实体接收到所述预约帧时，所述传输实体检查所述传输实体是否能够用于根据所述定时来传输所述偶发数据流，并且：

-如果是，则所述传输实体预约用于根据所述定时来传输所述偶发数据流的时间，并且

-如果否，则所述传输实体向所述发送实体发送回包含与所述传输实体不能根据所述定时来传输所述偶发数据流的不可用性有关的信息的消息，以放弃根据所述定时进行的所述偶发数据流的传输。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在检查是否已在所述定时调度了由所述传输实体进行的前一偶发数据流的传输时，确定所述传输实体的可用性。

4.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其中，所述消息相当于把所述预约帧返回至所述发送实体并表明放弃了所述偶发数据流的传输。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

-所述偶发数据流的传输遵循所述网络上的预定路径，所述路径由从发送实体(STalker)到接收实体(Listener)的、所述网络的传输实体之间的跳来规定，

-所述优先数据能够被配置成，使得能够在所述连续优先时间窗中的一个之后的附加时间窗中传输具有预定最小长度的优先数据帧片段，所述片段在所述偶发数据流之前抢先传输，

并且其中，包含在所述预约帧中并且与所述定时有关的所述信息考虑了所述路径上能够在一个附加窗口中传输优先数据的一个片段的多个传输实体。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述预约帧包含预约用于通过所述路径中的各个传输实体传输所述偶发数据流的时间窗的信息，并且所述发送实体发送所述预约帧，所述预约帧具有各个传输实体在相应时间开启和关闭用于传输所述偶发数据流的所述时间窗的指示：

t_curr+delta和t_curr+delta+T_spor，其中，

○t_curr是由网络中的公共时钟给出的当前时间，

○delta＝(NBHop-1)*WCMFSD：

○T_spor是用于传输所述偶发数据流的持续时间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，持续时间WCMFSD对应于所估计的用于发送优先数据片段的持续时间，该优先数据片段的长度相当于两个所述预定最小长度减一个八位字节。

8.根据权利要求6和7中任一项所述的方法，其中，所述预约帧在所述路径中从一个传输实体传输到下一个传输实体，各个传输实体能够修改所述预约帧的内容，并且其中，所述数量NBHop-1：

-在所述预约帧中由接收到所述预约帧的各个传输实体递减。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其中，所述传输实体是所述网络的交换机。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述偶发数据是警报数据和/或从传感器发出的数据。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述网络是工业网络。

12.一种用于通过分组交换网络来传输偶发数据流的系统，所述系统包括：发送实体和至少一个传输实体，其中，所述发送实体和传输实体中的每一个包括用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的逻辑电路。

13.一种根据权利要求12所述的系统的发送实体，所述发送实体包括：用于在传输所述偶发数据流之前发送所述预约帧的逻辑电路。

14.一种根据权利要求12所述的系统的传输实体，所述传输实体包括：用于解析所述预约帧并且根据所述预约帧预约用于传输所述偶发数据流的时间窗的逻辑电路。

15.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于在由处理器运行时，执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的指令。