CN111628942B - 时间敏感网络中的资源分配方法 - Google Patents

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CN111628942B CN202010470187.7A CN202010470187A CN111628942B CN 111628942 B CN111628942 B CN 111628942B CN 202010470187 A CN202010470187 A CN 202010470187A CN 111628942 B CN111628942 B CN 111628942B
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Abstract

本发明涉及时间敏感网络中的资源分配方法，其包括一、网络拓扑建模为一个有向图G(V,E)；二、淘汰不符合的路线；三、检测各路径各节点的流量转发速率；四、制定目标函数和输出函数，目标函数为最小化AVB流量的抖动，输出函数为每条路径分配的流量数目；五、根据步骤四的目标函数制定约束条件；六、寻找跳数最多的路径，并把该路径在可行性解决方案中去除，此时剩余p‑1条路径；七、记录在动态变化中每轮计算产生的解，作为样本空间。本发明在保证TT流量延时的前提下，最小化AVB流量的抖动，保证音视频的传输效果，并且在一定程度上削减AVB流量的延时，解决混合流量在源节点的多路径动态分配问题。

Description

时间敏感网络中的资源分配方法
技术领域
本发明涉及时间敏感网络中的资源分配方法，属于工业物联网时间敏感网络技术的技术领域。
背景技术
网络协同技术的出现打开了新的制造场景，这些场景集成了现代技术，以提高生产效率，改善产品质量，减少资源消耗。工业物联网是网络协同技术的具体实现方式，通过各种高精度传感器实时监测设备状态和现场情况，最终将传统工业实现智能化。在此背景下，随着工业现场对时间敏感流量(TT流量)、音视频流量(AVB流量)传输要求的提高，IEEE802.1时间敏感网络(TSN)任务组制定了时间敏感物流协议族，以保证数据传输的实时性、稳定性。
为了使得TSN网络的报文延时和抖动得到保障，科学的流量分配是混合网络中重要的解决方法之一。在源节点和目标节点存在多路径的拓扑中，正确地分配各路径的流量，能够减少资源浪费，提高网络性能，削减流量传输的延时和抖动。
目前，由于TT流量具有更高的优先级，TSN中确定的流量传输大多重点关注TT流量，往往忽略了AVB流量，致使AVB流量的延时和抖动大幅度增加，甚至是丢失。让在工业现场也很重要的AVB流量，如用于图像识别的关键数据，无法得到实时性保障。并且单路径传输流量的方法使得过多流量聚集于一条路径，会导致网络稳定性下降，网络服务质量难以保证，从而体现了多路径资源动态分配的重要性。
发明内容
本发明的目的是提供时间敏感网络中的资源分配方法，在保证TT流量延时的前提下，兼顾次优先级流量，最小化AVB流量的抖动，保证音视频的传输效果，并且在一定程度上削减AVB流量的延时，解决混合流量在源节点的多路径动态分配问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
时间敏感网络中的资源分配方法，包括以下步骤：
一、网络拓扑建模为一个有向图G(V,E)；其中，V≡(ES∪SW)代表拓扑中节点的集合，包含终端系统ES和交换机SW；E≡{(i,j)|i,j∈V}，代表节点i到节点j物理连接的集合；
二、淘汰不符合hic≤DAVB的路线；hi代表第i条路径的跳数，c代表一个节点的发送时延和一条链路的传播时延之和，即节点间的固定延时，DAVB代表AVB流量的最大延迟时间；
三、检测各路径各节点的流量转发速率
Figure BDA0002514010310000021
k,i∈N*，转发速率
Figure BDA0002514010310000022
可用
Figure BDA0002514010310000023
计算；
Figure BDA0002514010310000024
表示第i条路径上第k个节点的转发速率，
Figure BDA0002514010310000025
表示第i条路径的第k个节点一段时间内流出的数据帧长度，Δt代表时间间隔；
四、制定目标函数和输出函数，目标函数为最小化AVB流量的抖动，输出函数为每条路径分配的流量数目；目标函数：
Figure BDA0002514010310000026
其中，
Figure BDA0002514010310000027
Figure BDA0002514010310000028
用来表示第i条路径上AVB流第m帧的延时，其计算公式为：
Figure BDA0002514010310000029
其中，hic代表第i条路径上的固定时延，
Figure BDA00025140103100000210
代表第i条路径上的排队时延(非固定时延)；交换机采用先进先出(FIFO)排队范例，并且严格遵循优先级，因此，优先级高的流量优先传输，相同优先级的流量的传输顺序取决于到达顺序；
Figure BDA0002514010310000031
代表在第i条路径流量进入第k个节点时已经存在于该节点的TT数据帧数量，且每帧长度为pTT；
Figure BDA0002514010310000032
代表在第i条路径流量进入第k个节点时已经存在于该节点的AVB数据帧，每帧长度为pAVB；Ri代表第i条路径的转发速率；输出函数：
Figure BDA0002514010310000033
Figure BDA0002514010310000034
根据每条路径的延时进行分配，延时与分配的流量数目成反比；
Figure BDA0002514010310000035
分别代表AVB帧、TT帧在第i条路径上的分配数目，nAVB、nTT分别代表AVB帧、TT帧在发送端将要发送的数量；
五、根据步骤四的目标函数制定约束条件：
AVB流量需在最大延时时间内完成传输，并且流量的延时为最后一帧的到达时间与第一帧发送时间之差，所以需满足
Figure BDA0002514010310000036
DAVB代表AVB流量允许的最大延迟时间，
Figure BDA0002514010310000037
代表第i条路径上AVB流量第m帧的延时；
TT流量作为优先级更高的流量，也应在最大延时时间内完成传输，假设第i条路径上每个TT流包含z帧，同理需满足
Figure BDA0002514010310000038
其中，
Figure BDA0002514010310000039
DTT代表TT流量允许的最大延迟时间，
Figure BDA0002514010310000041
代表第i条路径上TT流量第n帧的延时；
Figure BDA0002514010310000042
代表在第i条路径流量进入第k个节点时已经存在于该节点的TT数据帧数量，且每帧长度为pTT；
通过目标函数和约束函数，使得各路径达到一种均衡状态，最终使得AVB流量抖动最小；
六、上述步骤可求解出；在当前可行性路径中，可使AVB抖动最小的各路径资源分配的解；此时，再去寻找跳数最多的路径，并把该路径在可行性解决方案中去除，此时剩余p-1条路径；重复进行步骤二至步骤六，反复迭代产生p(1≤p≤r)个解，并选取最优解，输出AVB流量抖动最小时各路径的流量分配；
七、记录在动态变化中每轮计算产生的解，作为样本空间，样本空间的数量上限设定为O；当O到达上限时，最新的解将覆盖最旧的解；每一个样本包含历史TT帧数目Ex、AVB帧数目Fx到各路径分配的流量数量的映射(1≤x≤O)，在动态变化的网络中，每次发送的数据帧数量是实时变化的，每个样本可由(Ex,Fx)表示；
假设当前将要发送的TT流量数目为E、AVB流量数目为F，用坐标(E,F)表示；根据训练样本，建立二维直角坐标系，采用欧式距离公式：
Figure BDA0002514010310000043
求解出K个与(E,F)最近的点，再采用高斯函数：
Figure BDA0002514010310000044
求得K个点中每个点的权重Wx，距离(E,F)越近，权重就越大；K的取值与样本空间上限O相关，并且高斯函数中可取a＝1，b＝0，c＝10；进而计算出加权后的距离：
Figure BDA0002514010310000051
根据min|d-dx|寻找与(E,F)最相似的点，把最相似点的每条路径分配数量作为迭代初值，继续重复步骤二至步骤六，可减小迭代次数，加快求解速度。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤三中，转发速率
Figure BDA0002514010310000052
可通过计算节点一段时间内转发速率的均值作为该节点的转发速率，并取各路径上各节点转发速率的最小值作为该路径的转发速率，即
Figure BDA0002514010310000053
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明步骤二，淘汰不符合hic≤DAVB的路线，能够避免某条路径因跳数过多导致延迟过大现象的发生。
本发明步骤三，为保证传输时间的准确性，因AVB流量优先级小于TT流量导致的AVB等待TT流量的时间不能忽视。
本发明步骤四、五，各种约束保证了最优的分配方案，每条路径被作为独立的个体进行计算，也适用于某一节点作为多条路径共同必经节点的情况。
本发明步骤六，淘汰最长路径并重复计算，在保证抖动的前提下，一定程度上减小了AVB流量的延时，确保解的最优性。
本发明步骤七，寻找样本空间中最相似的点，并将其各路径分配的流量数量作为初值，可实现快速求解，实现动态调度。
与现有技术相比，本发明的优点在于保障TT流量和AVB流量延时的基础上，最小化AVB流量的抖动，保证音视频的传输效果的稳定性，并且在一定程度上也能削减AVB流量的延时，解决混合流量在源节点的分配问题。
附图说明
图1是本发明资源分配方法的流程图；
图2是本发明具有r条路径的资源分配模型。；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明公开了时间敏感网络中的资源分配方法，主要目的是在保证TT流量延时的前提下，最小化AVB流量的抖动，保证音视频的传输效果，并且在一定程度上削减AVB流量的延时，解决混合流量在源节点的多路径动态分配问题。如图1所示，为本发明中资源分配方法的流程图，可以应用于图2所示的具有r条路径的资源分配模型，下面对该方法包括的步骤进行具体描述。
步骤一，网络拓扑建模为一个有向图G(V,E)。其中，V≡(ES∪SW)代表拓扑中节点的集合，包含终端系统ES和交换机SW，可用ES1代表源节点，ES2代表目标节点；E≡{(i,j)|i,j∈V}，代表节点i到节点j物理连接的集合。
步骤二，淘汰不符合hic≤DAVB的路线。hi代表第i条路径的跳数，c代表一个节点的发送时延和一条链路的传播时延之和，即节点间的固定延时，DAVB代表AVB流量的最大延迟时间。
步骤三，检测各路径各节点的流量转发速率
Figure BDA0002514010310000061
k,i∈N*，转发速率
Figure BDA0002514010310000062
可用
Figure BDA0002514010310000063
计算。
Figure BDA0002514010310000064
表示第i条路径上第k个节点的转发速率，
Figure BDA0002514010310000065
表示第i条路径的第k个节点一段时间内流出的数据帧长度，Δt代表时间间隔。
为了客观计算流量的传输延时，可通过计算节点一段时间内转发速率的均值作为该节点的转发速率
Figure BDA0002514010310000066
并取各路径上各节点转发速率的最小值作为该路径的转发速率，即
Figure BDA0002514010310000067
步骤四，制定目标函数和输出函数，目标函数为最小化AVB流量的抖动，输出函数为每条路径分配的流量数目。
目标函数：
Figure BDA0002514010310000071
其中，
Figure BDA0002514010310000072
每个流可能包含多个帧，该流量的延时为最后一帧的到达时间与第一帧发送时间之差。当同一流的所有帧均到达时，才可以从缓冲区中提取它们以进行解码和显示。假设第i条路径上每个AVB流包含3帧，则3个帧中的最大值代表此AVB流的延时，用
Figure BDA0002514010310000073
表示，即
Figure BDA0002514010310000079
根据下面公式可计算出第i条路径上AVB流每一帧的延时，
Figure BDA0002514010310000074
其中，hic代表第i条路径上的固定时延，
Figure BDA0002514010310000075
代表第i条路径上的排队时延(非固定时延)。交换机采用先进先出(FIFO)排队范例，并且严格遵循优先级，因此，优先级高的流量优先传输，相同优先级的流量的传输顺序取决于到达顺序。
Figure BDA0002514010310000076
代表在第i条路径流量进入第k个节点时已经存在于该节点的TT数据帧数量，且每帧长度为pTT；
Figure BDA0002514010310000077
代表在第i条路径流量进入第k个节点时已经存在于该节点的AVB数据帧，每帧长度为pAVB；Ri代表第i条路径的转发速率。
输出函数：
Figure BDA0002514010310000078
Figure BDA0002514010310000081
根据每条路径的延时进行分配，延时与分配的流量数目成反比。
Figure BDA0002514010310000082
Figure BDA0002514010310000083
分别代表AVB帧、TT帧在第i条路径上的分配数目，nAVB、nTT分别代表AVB帧、TT帧在源节点将要发送的数量。假设经过步骤2后符合要求的路径数量为p(1≤p≤r)，
Figure BDA0002514010310000084
则分别代表在第i条路径上AVB流量、TT流量分配所占的分配比例。
流量的延时和跳数、转发速率、排队的流量数相关。当延时过大时，其原因包含：路径跳数过多、交换机转发速率过低、排队的数据帧数量过多。跳数是路径的固有属性，转发速率是交换机的固有属性，当调度策略固定时，只能通过动态更改路径分配的流量数的方法调节延时。
步骤五，根据步骤四的目标函数制定约束条件：
AVB流量需在最大延时时间内完成传输，并且流量的延时为最后一帧的到达时间与第一帧发送时间之差，所以需满足：
Figure BDA0002514010310000085
DAVB代表AVB流量允许的最大延迟时间。
TT流量作为优先级更高的流量，也应在最大延时时间内完成传输，假设第i条路径上每个TT流包含2帧，同理需满足:
Figure BDA0002514010310000086
其中，
Figure BDA0002514010310000091
DTT代表TT流量允许的最大延迟时间，
Figure BDA0002514010310000092
代表第i条路径上TT流量第n帧的延时。
Figure BDA0002514010310000093
代表在第i条路径流量进入第k个节点时已经存在于该节点的TT数据帧数量，且每帧长度为pTT；
通过目标函数和约束函数，使得各路径达到一种均衡状态，最终使得AVB流量抖动最小。
步骤六，上述步骤可求解出；在当前可行性路径中，可使AVB抖动最小的各路径资源分配的解。此时，再去寻找跳数最多的路径，并把该路径在可行性解决方案中去除，此时剩余p-1条路径。重复进行步骤二至步骤六，反复迭代产生p(1≤p≤r)个解，并选取最优解，输出AVB流量抖动最小时各路径的流量分配。
步骤七，记录在动态变化中每轮计算产生的解，作为样本空间，样本空间的数量上限设定为O，可令O＝200。当O到达上限时，最新的解将覆盖最旧的解。每一个样本包含历史TT帧数目Ex、AVB帧数目Fx到各路径分配的流量数量的映射，在动态变化的网络中，每次发送的数据帧数量是实时变化的，每个样本可由(Ex,Fx)表示。
假设当前将要发送的TT流量数目为E、AVB流量数目为F，用坐标(E,F)表示。根据训练样本，建立二维直角坐标系，采用欧式距离公式：
Figure BDA0002514010310000094
从200个点中求解出K个与(E,F)最近的点，K的取值与样本空间O有关，最优的K值一般取5-10之间的整数。再采用高斯函数：
Figure BDA0002514010310000095
求得K个点中每个点的权重Wx，距离(E,F)越近，权重就越大。K的取值与样本空间上限O相关，并且高斯函数中可取a＝1，b＝0，c＝10。进而计算出加权后的距离:
Figure BDA0002514010310000101
根据min|d-dx|寻找与(E,F)最相似的点，把最相似点的每条路径分配数量作为迭代初值，继续重复步骤二至步骤六，可减小迭代次数，加快求解速度。
与现有技术相比，本发明的优点在于保障TT流量和AVB流量延时的基础上，最小化AVB流量的抖动，保证音视频的传输效果的稳定性，并且在一定程度上也能削减AVB流量的延时，解决混合流量在源节点的分配问题。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理等所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.时间敏感网络中的资源分配方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、网络拓扑建模为一个有向图G(V,E)；其中，V≡(ES∪SW)代表拓扑中节点的集合，包含终端系统ES和交换机SW；E≡{(i,j)|i,j∈V}，代表节点i到节点j物理连接的集合；
二、淘汰不符合hic≤DAVB的路线；hi代表第i条路径的跳数，c代表一个节点的发送时延和一条链路的传播时延之和，即节点间的固定延时，DAVB代表AVB流量的最大延迟时间；
三、检测各路径各节点的流量转发速率
Figure FDA0003496798220000011
转发速率
Figure FDA0003496798220000012
可用
Figure FDA0003496798220000013
计算；
Figure FDA00034967982200000112
表示第i条路径上第k个节点的转发速率，
Figure FDA0003496798220000014
表示第i条路径的第k个节点一段时间内流出的数据帧长度，Δt代表时间间隔；
四、制定目标函数和输出函数，目标函数为最小化AVB流量的抖动，输出函数为每条路径分配的流量数目；目标函数：
Figure FDA0003496798220000015
其中，
Figure FDA0003496798220000016
Figure FDA0003496798220000017
用来表示第i条路径上AVB流第m帧的延时，其计算公式为：
Figure FDA0003496798220000018
其中，hic代表第i条路径上的固定时延，
Figure FDA0003496798220000019
代表第i条路径上的排队时延；交换机采用先进先出排队范例，并且严格遵循优先级，因此，优先级高的流量优先传输，相同优先级的流量的传输顺序取决于到达顺序；
Figure FDA00034967982200000110
代表在第i条路径流量进入第k个节点时已经存在于该节点的TT数据帧数量，且每帧长度为pTT；
Figure FDA00034967982200000111
代表在第i条路径流量进入第k个节点时已经存在于该节点的AVB数据帧，每帧长度为pAVB；Ri代表第i条路径的转发速率；输出函数：
Figure FDA0003496798220000021
Figure FDA0003496798220000022
根据每条路径的延时进行分配，延时与分配的流量数目成反比；
Figure FDA0003496798220000023
分别代表AVB帧、TT帧在第i条路径上的分配数目，nAVB、nTT分别代表AVB帧、TT帧在发送端将要发送的数量；
五、根据步骤四的目标函数制定约束条件：
AVB流量需在最大延时时间内完成传输，并且流量的延时为最后一帧的到达时间与第一帧发送时间之差，所以需满足
Figure FDA0003496798220000024
DAVB代表AVB流量允许的最大延迟时间，
Figure FDA0003496798220000025
代表第i条路径上AVB流量第m帧的延时；
TT流量作为优先级更高的流量，也应在最大延时时间内完成传输，假设第i条路径上每个TT流包含z帧，同理需满足
Figure FDA0003496798220000026
其中，
Figure FDA0003496798220000027
DTT代表TT流量允许的最大延迟时间，
Figure FDA0003496798220000028
代表第i条路径上TT流量第n帧的延时；
Figure FDA0003496798220000029
代表在第i条路径流量进入第k个节点时已经存在于该节点的TT数据帧数量，且每帧长度为pTT；
通过目标函数和约束函数，使得各路径达到一种均衡状态，最终使得AVB流量抖动最小；
六、上述步骤可求解出；在当前可行性路径中，可使AVB抖动最小的各路径资源分配的解；此时，再去寻找跳数最多的路径，并把该路径在可行性解决方案中去除，此时剩余p-1条路径；重复进行步骤二至步骤六，反复迭代产生p(1≤p≤r)个解，并选取最优解，输出AVB流量抖动最小时各路径的流量分配；
七、记录在动态变化中每轮计算产生的解，作为样本空间，样本空间的数量上限设定为O；当O到达上限时，最新的解将覆盖最旧的解；每一个样本包含历史TT帧数目Ex、AVB帧数目Fx到各路径分配的流量数量的映射(1≤x≤O)，在动态变化的网络中，每次发送的数据帧数量是实时变化的，每个样本可由(Ex,Fx)表示；
假设当前将要发送的TT流量数目为E、AVB流量数目为F，用坐标(E,F)表示；根据训练样本，建立二维直角坐标系，采用欧式距离公式：
Figure FDA0003496798220000031
求解出K个与(E,F)最近的点，再采用高斯函数：
Figure FDA0003496798220000032
求得K个点中每个点的权重Wx，距离(E,F)越近，权重就越大；K的取值与样本空间上限O相关，并且高斯函数中可取a＝1，b＝0，c＝10；进而计算出加权后的距离：
Figure FDA0003496798220000041
根据min|d-dx|寻找与(E,F)最相似的点，把最相似点的每条路径分配数量作为迭代初值，继续重复步骤二至步骤六，可减小迭代次数，加快求解速度。
2.根据权利要求1所述的时间敏感网络中的资源分配方法，其特征在于：步骤三中，转发速率
Figure FDA0003496798220000042
可通过计算节点一段时间内转发速率的均值作为该节点的转发速率，并取各路径上各节点转发速率的最小值作为该路径的转发速率，即
Figure FDA0003496798220000043
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