CN109905330A

CN109905330A - 一种基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法

Info

Publication number: CN109905330A
Application number: CN201910222200.4A
Authority: CN
Inventors: 岳丽全; 杜辙; 戴小文
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: CN109905330B

Abstract

本发明公开了一种基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法。本发明进行了业务优先级分类，即不同的业务流会有不同的权值分配策略。本发明针对突发业务，设置对应的动态权值调整策略，根据当前队列中的数据包的数目，动态的进行权值调整，分配相应的带宽，使得当有突发业务时，也能够高效传送。本发明由于采用动态的权值策略，所以对于带宽保证与时延保证的耦合性问题，在一定程度上可以很好的解决。因为如果初次分配的权值较低，即带宽较小，则该队列中数据包数目会增大，在更新时间内，改进的算法会增大该队列的权重值，增大带宽，使得该队列的数据包可以及时传送。

Description

一种基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法

技术领域

本发明涉及列车网络调度技术领域，具体涉及一种基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法。

背景技术

随着我国轨道交通的快速发展，列车网络只保证列车控制业务的数据传输已远远不能满足要求，网络化是高速列车控制系统发展的必然结果，为旅客提供服务信息业务亟待解决，但是目前列车网络控制系统主要仍为TCN，为此列车控制与服务网络TCSN应运而生，然而列车的网络性能的好坏，不仅仅依赖列车的网络拓扑结构，通信协议等，还与它所采用的调度算法有很大的关系，为此设计出高效先进的调度算法也是非常重要的，好的调度算法可以最大化的利用现有的网络资源，使得列车网络控制系统的性能满足实时性与可靠性。针对目前列车网络业务的特点，除了在保证列车网络业务服务质量(QoS)的同时也要能够解决带宽有效利用和有突发业务产生时的带宽资源分配问题。

加权公平排队(WFQ)调度算法，按照业务流进行分类，它将相同业务流分配到同一个队列中，这样就可以保证这个队列中的所有数据包的公平性。在数据包出队的时候，WFQ算法按照每个队列的权重值来给队列分配带宽，要保证提供尽可能多的队列，这样就能让每个业务流能更加均匀的进入到不同队列中，以此来满足各个业务流的延迟特性，而权重值是由本队列中对应得到的。

传统的WFQ算法无法区分业务流的优先级，业务流预约的服务带宽越小，速率越低，分组的等待时间越长，结果队列的延迟增加。又因为业务流的带宽为固定公平分配带宽，无法实现对实时业务的快速转发和带宽共享，所以在链路拥塞或突发业务的情况下，延迟现象严重、丢包率较大。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法解决了队列调度时服务质量和延时性得不到保证的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法，包括以下步骤：

S1、将业务流数据包根据其头部信息进行分类，并将该数据包分送到对应的优先级队列中；

S2、更新当前队列中所含的数据包数量，并对权重值进行调整，得到调整后的权重值；

S3、根据各个队列分配到的调整后的权重值之和决定业务流的传输顺序；

S4、通过虚拟时间函数计算每个队列传输业务流的虚拟完成时间；

S5、通过调度器选择具有最小虚拟完成时间的队列进行调度。

进一步地：所述步骤S2中对权重值进行调整的具体步骤为：

S21、当队列中的数据包个数Pkts小于数据包下限数目Min_pkts时，进入步骤S22，否则进入步骤S23；

S22、令该队列的权重值为初始的队列权重值init_wt；

S23、当队列中的数据包个数pkts大于数据包上限数目Max_pkts时，进入步骤S24，否则进入步骤S25；

S24、令该队列的权重值为该队列的最大权重值Max_wt；

S25、令该队列的权重值为：

其中prev_wt为该队列上次更新后的权重值。

进一步地：所述步骤S3的具体步骤为：

S31、对调整后的权重值进行求和运算得到和值，当和值不大于1时，进入步骤S32，否则进入步骤S33；

S32、按业务流的权重值进行带宽分配，并通过带宽传输业务流；

S33、为更高优先级的业务流分配更大的带宽，并通过带宽传输业务流。

进一步地：所述业务流优先级的排序为：列车控制业务、视频业务和普通数据业务。

进一步地：所述步骤S4中虚拟时间函数具体为：

上式中，t_j为数据报文p_j的到达时刻，t_j-1为数据报文p_j-1的到达时刻，B_j为当前所有队列的集合，V_j为虚拟时间函数，当j＝0时，虚拟时间的初始值为0，φ_i为该业务流i的预约带宽，τ为前后两个事件发生时间的时隙，n为第n个事件。

进一步地：所述步骤S4中虚拟完成时间与时间函数的关系为：

上式中，为第i个连接中第k个分组到达队列业务的到达时间，为第i个连接中第k个分组到达队列业务的服务开始时间，为第i个连接中第k个分组到达队列业务的虚拟完成时间，为第i个连接中第k个分组到达队列业务的分组长度，r_i为第i个连接中第k个分组到达队列业务的连续预约服务率。

本发明的有益效果为：

1.本发明进行了业务优先级分类，即不同的业务流会有不同的权值分配策略。

2.本发明针对突发业务，设置对应的动态权值调整策略，根据当前队列中的数据包的数目，动态的进行权值调整，分配相应的带宽，使得当有突发业务时，也能够高效传送。

3.本发明由于采用动态的权值策略，所以对于带宽保证与时延保证的耦合性问题，在一定程度上可以很好的解决。因为如果初次分配的权值较低，即带宽较小，则该队列中数据包数目会增大，在更新时间内，改进的算法会增大该队列的权重值，增大带宽，使得该队列的数据包可以及时传送。

附图说明

图1为本发明总流程图；

图2为本发明中步骤S2的分步骤流程图；

图3位本发明中步骤S3的分步骤流程图；

图4为本发明的仿真网络拓扑图；

图5为本发明中WFQ算法的端对端延迟仿真图；

图6为本发明的端对端延迟仿真图；

图7为本发明中WFQ算法有突发的端对端延迟仿真图；

图8为本发明有突发的端对端延迟仿真图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明以WFQ算法为基础，WFQ算法引入虚拟时间函数，在分组到达之后，根据其头部信息，将其分类，送入到相应的队列中去，根据虚拟时间函数为每个队列计算虚拟结束时间函数，调度器选择最小的虚拟结束时间的分组发送出去。因为WFQ算法所给定的权值是固定的，所以如果某一队列迟迟得不到服务或者得到服务的次数较少，则队列中的数据包会造成积压，严重时会造成较大的延迟与丢包率。

本发明设计如下：一是对业务进行区分，根据业务的重要程度进行权重分配，不同的业务具有不同的初始权重大小；二是对区分之后的业务在转发的过程中能够根据当前队列的数据包的数量进行动态的权值调整，即在每一次更新时间内，依据算法策略让重要的业务流在保证公平性原则上，能够让其高效传送。

如图1所示，一种基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法，包括以下步骤：

S1、将业务流数据包根据其头部信息进行分类，并将该数据包分送到对应的优先级队列中。

S2、更新当前队列中所含的数据包数量，并对权重值进行调整，得到调整后的权重值。

如图2所示，对权重值进行调整的具体步骤为：

S21、当队列中的数据包个数Pkts小于数据包下限数目Min_pkts时，进入步骤S22，否则进入步骤S23。

S22、令该队列的权重值为初始的队列权重值init_wt；此时的权值则可以满足最低的延迟。

S23、当队列中的数据包个数pkts大于数据包上限数目Max_pkts时，进入步骤S24，否则进入步骤S25。

S24、令该队列的权重值为该队列的最大权重值Max_wt。表明该队列受到服务的机会较少，且目前队列中有缓存大量的数据包，如果不能及时传送，会造成严重的延迟与丢包率，所以此时该队列的权值应给予一定的增大，使其能够满足延迟要求并且丢包率也更可能的小

S25、令该队列的权重值为：

其中prev_wt为该队列上次更新后的权重值。在完成一次调度之后的更新时间内，此时的权值会随着队列中数据包的数目的变化而变化，以确保队列能够得到相对公平的服务，使得延迟与丢包率都在满足要求的可控范围内。

S3、根据各个队列分配到的调整后的权重值之和决定业务流的传输顺序。

如图3所示，具体步骤为：

结合列车网络，我们假设现在有三种业务流，分别为列车控制业务，视频业务，普通数据业务。其中列车控制业务包括牵引制动控制业务，辅助电源与空调控制等与列车正常安全行驶有关的业务流。视频业务与普通数据业务都属于旅客服务业务，视频业务与普通数据业务相比需要更低的端对端延迟与丢包率，但是普通数据业务流具有更大的流量收发。所以综上可知，三种业务中显然列车控制业务具有最高的优先级，视频业务次之，普通数据业务最低。所以我们应尽力保证列车控制业务在低延迟与低丢包率的条件下发送，视频业务可在满足列车控制业务的基础上进行最大化的满足，又因为数据业务对延迟性与丢包率的要求较之另两种业务要求较低，所以我们在保证相对公平性的原则下以满足前两种业务的需求为主，普通数据业务次之。

S4、通过虚拟时间函数计算每个队列传输业务流的虚拟完成时间。

虚拟时间函数具体为：

虚拟完成时间与时间函数的关系为：

在本发明的一个实施例中，如图4所示，假设列车网络拓扑结构中的源端节点分别有3个，分别为代表列车控制业务的n0,视频业务的n1，普通数据业务的n2。每个源节点都能产生相应的数据业务，相关参数如表1所示，设定仿真带宽为9Mbps。仿真结果如图5与图6所示。

表1算法仿真参数设置

其中本发明在列车控制业务流与视频业务流的端对端延迟与WFQ算法相比都有很大幅度的降低，而且对于普通的数据流业务的端对端延迟基本上没有怎么变化，为了继续验证改进算法的优越性，我们对在两种算法下的丢包率进行了统计如表2所示。

表2正常情况下两种算法丢包率对比

从表2可以看出对于丢包率的大小，列车控制业务流与视频业务流的丢包率都大幅降低，但是普通数据流的略有增大，结合上面的分析可以综合得出本发明对比传统WFQ算法在保证重要业务流端对端延迟大幅下降的同时也大大降低了丢包率，保证了传输质量，对于普通的业务流，端对端延迟虽然变化不大而且丢包率稍有增加。所以可以确定改进算法在一定程度上牺牲了普通数据业务的传发质量。

为了验证改进算法对突发的业务流也能有更好的应对，我们仍然设置带宽为9Mbps，仿真参数如表1所示，在2秒时设置视频业务流的突发，在5秒时设置列车控制业务的突发，仿真得到的WFQ端对端延迟结果如图7所示，得到本发明端对端延迟结果如图8所示。

对比图7与图8可以发现，当列车控制业务有突发流量产生时，传统的WFQ算法无法很好的处理，端对端延迟迅速升高，甚至达到0.6秒，远远大于要求的122毫秒的最大延迟，而改进的算法虽然在突发业务到来时延迟有些波动，稍有增大，但是增幅不大，仍然保证延迟时间小于最大端对端延迟时间，而且能够很快恢复到正常水平。同样，在2秒时，我们对让视频业务有突发业务流产生，此时的效果与列车控制业务有突发业务流时的相似，均为延迟时间小幅增加，但又很快恢复到正常水平，延迟时间均在最大端对端延迟时间以内。

除此之外，我们对在有突发业务流时的两种算法的丢包率进行了统计，如表3所示。

表3突发业务流两种算法丢包率对比

从表3中我们可以看出，本发明仍然能够在列车控制业务与视频业务保证很低的丢包率，代价是普通数据业务的丢包率的升高。对比表2与表3的统计情况，我们发现在有突发业务的情况下，传统的WFQ算法的丢包率均有增加，本发明在普通数据业务上的丢包率也有一定的增加，但增幅不大。

Claims

1.一种基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法，其特征在于，所述步骤S2中对权重值进行调整的具体步骤为：

S22、令该队列的权重值为初始的队列权重值init_wt；

S24、令该队列的权重值为该队列的最大权重值Max_wt；

S25、令该队列的权重值为：

其中prev_wt为该队列上次更新后的权重值。

3.根据权利要求1所述的基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：

4.根据权利要求3所述的基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法，其特征在于，所述业务流优先级的排序为：列车控制业务、视频业务和普通数据业务。

5.根据权利要求1所述的基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法，其特征在于，所述步骤S4中虚拟时间函数具体为：

6.根据权利要求5所述的基于队列长度的动态加权公平队列列车网络调度方法，其特征在于，所述步骤S4中虚拟完成时间与时间函数的关系为：

上式中，为第i个连接中第k个分组到达队列业务的到达时间，为第i个连接中第k个分组到达队列业务的服务开始时间，F_i ^k为第i个连接中第k个分组到达队列业务的虚拟完成时间，为第i个连接中第k个分组到达队列业务的分组长度，r_i为第i个连接中第k个分组到达队列业务的连续预约服务率。