CN111786900B - 一种基于时间队列的时态感知流量整形器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于时间队列的时态感知流量整形器。该方法包括：将进入时态感知流量整形器的报文存储在报文池中，通过报文的数据流标识查询调度表获取对应的发送窗口、相对发送时间信息，将报文的数据流标识、绝对发送时间、优先级和在报文池中的存储地址构成报文的摘要信息，将相同优先级的各个报文的摘要信息按照绝对发送时间从前到后的顺序进行排序，组成时间队列；在时间队列中的报文的发送时间到达后，打开对应优先级的时间队列的门控开关，将该报文发送出去。本发明保证了无论报文的入队顺序如何，都能确定地按照时间有序的方式进行发送，提高了缓存队列的利用率；调度表无需按照时间有序的方式进行组织，提高了调度表存储的可扩展性。

Description

一种基于时间队列的时态感知流量整形器

技术领域

本发明涉及数据传输领域技术领域，尤其涉及一种基于时间队列的时态感知流量整形器。

背景技术

时间敏感网络(Time-SensitiveNetworking，简称TSN)由IEEE 802.1 TSN Group在2012年提出并标准化，业已成为工业互联网基础设施转型升级的重要研究方向，被学术界和工业界广泛接受。时态感知的流量整形器(Time-Aware Shaper,简称TAS)是TSN网络实现确定性实时传输的核心机制，被标准化为802.1Qbv。图1为现有技术中的一种基于先进先出队列(FIFO Queues)的时态感知流量整形器的示意图。报文被接收并存入报文池，其摘要信息通常边接收边从报文中提取，包含优先级、报文在报文池中的地址和一些其它信息如报文长度等，摘要信息根据优先级被存入不同的队列中。优先级队列分为两类，一类存储调度的报文，另一类存储非调度的报文；调度的报文配合调度表(也称为时间流表，timedflow table)实现确定性的实时传输；非调度报文在调度报文的发送间隙中传输，利用不同的输出选择基于优先级传输(Strict Priority Transmission)、基于信用的流量整形器(Credit-based TrafficShaper)，以实现服务质量(Quality of Service)的保障。

调度表的表项通常有窗口(w_i，即窗口持续的时间)、开始时间(o_i，即窗口开始时间)、数据流(f_i，1...f_i，j，即窗口持续时间内需要传输的调度报文)和队列开关(0或1，0表示门控打开，1表示门控关闭，又称为门控列表Gate Control List，简称GCL)。调度表以开始时间为序，依次执行，通过队列开关控制不同队列的门控——在调度的时间打开或者关闭，实现报文在调度的时间进行发送，从而实现确定性实时传输。当调度表执行完最后一个表项，又从第一个表项开始，周期性地循环。这样的TAS对调度表的存储和访问控制存在可扩展性差和缓存队列使用效率低的问题：

(1)可扩展性差的问题：调度表的循环周期是所有数据流周期的最小公倍数，称为宏周期，表项以数据流的发送时间为序，TSN交换机从第一个表项开始执行直到最后一个表项，又从第一个表项开始，周期性循环。这样的方法会使表项重复出现，重复次数是宏周期与表项对应数据流周期的比值，如果宏周期与单个数据流周期差异较大，会导致大量的重复表项，调度表异常庞大，可扩展性差。

(2)缓存队列使用效率低的问题：当前的TAS使用先进先出队列存储报文，当不同端口的报文几乎同时到达时，报文的入队顺序是不确定的，导致出队顺序也不确定，影响报文传输的确定性。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于时间队列的时态感知流量整形器，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于时间队列的时态感知流量整形器，在时态感知流量整形器中管理调度表，在该调度表中关联存储数据流标识、发送窗口和相对发送时间，包括：

将进入时态感知流量整形器的报文存储在报文池中，通过所述报文的数据流标识查询所述调度表获取对应的发送窗口、相对发送时间信息，计算出所述报文的绝对发送时间；

将报文的数据流标识、发送窗口、绝对发送时间、优先级和在报文池中的存储地址构成报文的摘要信息，将相同优先级的各个报文的摘要信息按照绝对发送时间从前到后的顺序进行排序，组成时间队列；

在时间队列中的报文的发送时间到达后，时态感知流量整形器根据报文的摘要信息中的存储地址从报文池提取该报文，根据报文的摘要信息中的优先级信息打开对应优先级的时间队列的门控开关，将该报文发送出去。

优选地，当该报文的发送窗口时间耗尽或者该报文发送完毕，关闭该报文的优先级的时间队列的门控开关，打开其它需要发送的报文的优先级的时间队列对应的门控开关。

优选地，在时态感知流量整形器中管理调度表，在该调度表中关联存储数据流标识、发送窗口和相对发送时间，包括：

在时态感知流量整形器中管理调度表，所述调度表的表项包括发送窗口w_i、相对发送时间o_i、数据流标识f_i.id和数据流周期f_i.period，所述发送窗口表示w_i窗口持续的时间，所述相对发送时间o_i表示窗口开始时间，为相对于时间零点第一个周期内的发送时间。

优选地，所述的将进入时态感知流量整形器的报文存储在报文池中，通过所述报文的数据流标识查询所述调度表获取对应的发送窗口、发送时间信息，计算出所述报文的绝对发送时间，包括：

当时态感知流量整形器接收报文时，将报文存储在报文池中，从报文中提取出报文的数据流标识id，以数据流标识id为索引查询调度表，获得调度表的对应表项中存储的发送窗口w_i、相对发送时间o_i和数据流的周期period；

计算出所述报文的绝对发送时间为：o_i+k*period，其中

t是当前时间。

优选地，所述的将报文的数据流标识、发送窗口、绝对发送时间、优先级和在报文池中的存储地址构成报文的摘要信息，将相同优先级的各个报文的摘要信息按照绝对发送时间从前到后的顺序进行排序，组成时间队列，包括：

所述时态感知流量整形器将报文的数据流标识、发送窗口、绝对发送时间、优先级和在报文池中的存储地址构成报文的摘要信息，将相同优先级的各个报文的摘要信息归纳在一起，将相同优先级的各个报文的摘要信息按照绝对发送时间从前到后的顺序进行排序，组成时间队列，每个时间队列对应一个优先级，在时态感知流量整形器中存储各个优先级对应的时间队列，时态感知流量整形器随时监控各个时间队列中的报文的绝对发送时间是否到达。

优选地，所述时态感知流量整形器对各个时间队列的门控开关状态进行以下约束：

1)在一个时刻，有且仅有一个时间队列的门控开关处于打开状态；

2)仅当所有时间队列的门控开关处于关闭状态时，非调度报文对应队列的门控开关才打开，发送非调度报文。

优选地，所述时态感知流量整形器通过约束最小报文长度或者约束从报文被完整存储到定时发送的最小时间间隔，隐藏多端口并行访问调度表的时延，包括：

设报文的长度为L，网络的线速为B，报文从第1比特被接收到完整的存储在报文池需要的时间为

设报文从被存储下来到定时发送的最小时间间隔为Δt，则报文从第1比特被接收到开始发送需要的最少时间为：

设以报文标识id为索引查询调度表所需的时间为t_lookup，所述时态感知流量整形器的交换机共N个端口，多端口并行访问调度表，最坏情况需要的时间为N*t_lookup；设时间队列的最大长度为L_queue，时间队列调整成堆最坏情况需要的时间为2*log(L_queue)，在多端口并行访问情况下，报文从查表到定时发送需要的准备时间至多为N*t_lookup+2*log(L_queue)；

为了隐藏多端口并行访问调度表的时延，需满足：

当报文的最小长度L_min≥(N*t_lookup+2*log(L_queue)-Δt)*B，或者Δt的最小值

时，则N个端口的交换机能够隐藏多端口并行访问调度表的时延。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过使用时间队列保证了无论报文的入队顺序如何，都能确定地按照时间有序的方式进行发送，提高了缓存队列的利用率。调度表无需按照时间有序的方式进行组织，从而避免了宏周期内重复表项的问题，提高了调度表存储的可扩展性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种基于先进先出队列(FIFO Queues)的时态感知流量整形器示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于时间队列(Timed Queues)的时态感知流量整形器示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于时间队列(Timed Queues)的时态感知流量整形器典型实例。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

为了解决当前TAS对调度表存储及访问控制存在可扩展性、缓存利用率低的问题，图2为本发明实施例提供的一种基于时间队列(Timed Queues)的时态感知流量整形器示意图；图3为本发明实施例提供的一种基于时间队列(Timed Queues)的时态感知流量整形器典型实例。

本发明实施例设计了一种图2所示的基于时间队列的时态感知流量整形器(timedqueue based TAS，简称TQ-TAS)，图2所示的时态感知流量整形器相比于之前的TAS(如图1所示)，它具有如下特点：

(1)缓存队列使用时间队列而非先进先出队列：如图2中③所示，所谓时间队列，即进入时态感知流量整形器的报文以调度的发送时间为序进行排列，而非传统队列的先进先出。为了保证入队的报文以发送时间为序出队列，通常的方法包括以插入排序方式按发送时间给队列中的报文进行排序、将报文按发送时间组织成小根堆等。

(2)时态感知流量整形器的调度表的表项无需按数据流的发送时间为序进行存储：如图2中②所示，调度表中每一个表项对应一条数据流，不同表项对应不同的数据流，即相同表项不会重复出现；而且表项无需按数据流的发送时间为序进行存储，一种常用的存储方式是以数据流的标识(id)为地址索引对表项进行存储。

时态感知流量整形器将报文的数据流标识、发送窗口、绝对发送时间、优先级和在报文池中的存储地址构成报文的摘要信息，将相同优先级的各个报文的摘要信息归纳在一起，将相同优先级的各个报文的摘要信息按照绝对发送时间从前到后的顺序进行排序，组成时间队列，每个时间队列对应一个优先级，在时态感知流量整形器中存储各个优先级对应的时间队列，时态感知流量整形器随时监控各个时间队列中的报文的绝对发送时间是否到达。

在时间队列中的报文的发送时间到达后，时态感知流量整形器根据报文的摘要信息中的存储地址从报文池提取该报文，根据报文的摘要信息中的优先级信息打开对应优先级的时间队列的门控开关，将该报文发送出去。

这些特点带来的好处有：

(1)上述时间队列的使用保证了无论报文的入队顺序如何，都能确定地按照时间有序的方式进行发送，提高了缓存队列的利用率。

(2)因为时间队列保证了报文按照调度的发送时间有序的方式进行发送，所以调度表就无需按照时间有序的方式进行组织，从而避免了宏周期内重复表项的问题，提高了调度表存储的可扩展性。

在时态感知流量整形器的调度表的表项中记录的字段包括窗口(w_i，即窗口持续的时间)、相对发送时间(o_i，即窗口开始时间，是相对于时间零点第一个周期内的发送时间)、数据流(f_i，即数据流信息如周期f_i.period，标识f_i.id)等信息,每个表项对应一条数据流，如图2中②所示。本发明(TQ-TAS)的实施过程通常分为“查表”和“定时转发”两个阶段，具体如下：

I.查表阶段：TSN交换机接收报文时，从报文中提取数据流标识id，然后以id为索引查找调度表中对应的表项flow[id]，如图2中①所示，从表项flow[id]中提取出窗口w_i、相对发送时间o_i和数据流周期period。

II.定时转发阶段：

A、通过查表阶段获得的相对发送时间o_i、数据流周期period和当前时间t，计算报文的绝对发送时间。设报文f_i的绝对发送时间在数据流的第k+1个周期内，即绝对发送时间为o_i+k*period，相对于当前时间t未发生，即：

t＜o_i+k*period

另一方面，第k个周期的报文绝对发送时间为o_i+(k-1)*period，相对于当前时间t已经发生了，即：

t＞o_i+(k-1)*period

根据上面两个不等式可得：

因此，

其中

是下取整运算符，o_i+k*period为数据流报文的定时发送的调度发送时间。

B、根据报文的优先级将报文存入对应的时间队列中，根据报文的绝对发送时间o_i+k*f_i·period，按照时间有序的方式发送报文，即在报文的发送时间点，通过队列开关，如图2中④所示，打开对应时间队列的传输门同时关闭其它队列的传输门，以报文地址索引报文池中的报文，将其发送出去；待窗口时间耗尽或者报文发送结束，关闭对应时间队列的传输门同时打开其它队列的传输门，这样非调度报文就在调度报文的传输间隙中进行发送了。

为了适应工程实践，工程师对被本发明的一些变化或者约束也属于本发明所保护的范围，典型的情况有：

(1)为了避免报文在传输时的冲突，对门控开关状态的约束：1)时间队列中有且仅有一个队列的门控处于打开状态；2)仅当所有时间队列的门控处于关闭状态时，非调度报文对应队列的门控打开，发送报文。

(2)在进行软硬实现时对本发明的一些调整：图3示意了一个调整后的实例，时间队列的个数减少为1个(图3中③所示)，整个调度表被发在片外进行存储(图3中②所示)。

(3)时间队列的不同实现方式：例如基于小根堆的实现方式(图2中③所示和图3中③所示)，和基于插入排序的实现方式。

另外，TSN交换机通常是多端口的，为了完全隐藏多端口并行访问调度表的时延，本发明还提供了时延隐藏机制，图3为本发明实施例提供的一种基于时间队列(TimedQueues)的时态感知流量整形器典型实例，以图3的实例为基础进行说明。

一方面，设报文的长度为L(包括帧起始符、前导码和最小帧间间隔)，网络的线速为B，则报文从第1比特被接收到完整的存储在报文池，需要的时间为

设报文刚被存储下来到定时发送的最小时间间隔为Δt，则报文从第1比特被接收到开始发送需要的最少时间为

另一方面，设以报文标识id为索引查询调度表所需的时间为t_lookup，交换机共N个端口，那么多端口并行访问调度表，最坏情况需要的时间为N*t_lookup；设时间队列的最大长度为L_queue，由于时间队列采用丢的方式进行组织，调整成堆的每一步需要读、写操作各一次，则调整成堆，最坏情况需要的时间为2*log(L_queue)。从而，在多端口并行访问情况下，报文从查表到定时发送需要的准备时间至多为N*t_lookup+2*log(L_queue)。

因此，为了完全隐藏这个准备时间，需满足：

所以，当报文的最小长度L_min≥(N*t_lookup+2*log(L_queue)-Δt)*B，或者Δt的最小值

时，N个端口的交换机便可以完全隐藏多端口并行访问调度表的时延。

综上所述，本发明实施例通过将各个报文按照报文的调度发送时间从前到后的顺序进行排序，组成时间队列，保证了无论报文的入队顺序如何，都能确定地按照时间有序的方式进行发送，提高了缓存队列的利用率。调度表无需按照时间有序的方式进行组织，从而避免了宏周期内重复表项的问题，提高了调度表存储的可扩展性。解决了当前TAS对调度表存储及访问控制存在可扩展性、缓存利用率低的问题。通过约束最小报文长度或者约束从报文被完整存储到定时发送的最小时间间隔，可以完全隐藏多端口并行访问调度表的时延。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于时间队列的时态感知流量整形器，其特征在于，在时态感知流量整形器中管理调度表，在该调度表中关联存储数据流标识、发送窗口和相对发送时间，具体包括：

将进入时态感知流量整形器的报文存储在报文池中，通过报文的数据流标识查询调度表获取对应的发送窗口、相对发送时间信息，计算出报文的绝对发送时间；

将报文的数据流标识、发送窗口、绝对发送时间、优先级和在报文池中的存储地址构成报文的摘要信息，将相同优先级的各个报文的摘要信息按照绝对发送时间从前到后的顺序进行排序，组成时间队列；

在时间队列中的报文的发送时间到达后，时态感知流量整形器根据报文的摘要信息中的存储地址从报文池提取该报文，根据报文的摘要信息中的优先级信息打开对应优先级的时间队列的门控开关，将该报文发送出去；

调度表无需按照时间有序的方式进行组织，包括：

当时态感知流量整形器接收报文时，将报文存储在报文池中，从报文中提取出报文的数据流标识id，以数据流标识id为索引查询调度表，获得调度表的对应表项中存储的发送窗口w_i、相对发送时间o_i和数据流的周期period；

计算出报文的绝对发送时间为：o_i+k*period，其中

t是当前时间，

时态感知流量整形器通过约束最小报文长度或者约束从报文被完整存储到定时发送的最小时间间隔，隐藏多端口并行访问调度表的时延，包括：

设报文的长度为L，网络的线速为B，报文从第1比特被接收到完整的存储在报文池需要的时间为

设报文从被存储下来到定时发送的最小时间间隔为Δt，则报文从第1比特被接收到开始发送需要的最少时间为：

设以报文标识id为索引查询调度表所需的时间为t_lookup，时态感知流量整形器的交换机共N个端口，多端口并行访问调度表，最坏情况需要的时间为N*t_lookup；设时间队列的最大长度为L_queue，时间队列调整成堆最坏情况需要的时间为2*log(L_queue)，在多端口并行访问情况下，报文从查表到定时发送需要的准备时间至多为

N*t_lookup+2*log(L_queue)；

为了隐藏多端口并行访问调度表的时延，需满足：

当报文的最小长度L_min≥(N*t_lookup+2*log(L_queue)-Δt)*B，或者Δt的最小值

时，则N个端口的交换机能够隐藏多端口并行访问调度表的时延，当该报文的发送窗口时间耗尽或者该报文发送完毕，关闭该报文的优先级的时间队列的门控开关，打开其它需要发送的报文的优先级的时间队列对应的门控开关。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间队列的时态感知流量整形器，其特征在于，在时态感知流量整形器中管理调度表，在该调度表中关联存储数据流标识、发送窗口和相对发送时间，包括：

在时态感知流量整形器中管理调度表，调度表的表项包括发送窗口w_i、相对发送时间o_i、数据流标识f_i.id和数据流周期f_i.pPriod，发送窗口表示w_i窗口持续的时间，相对发送时间o_i表示窗口开始时间，为相对于时间零点第一个周期内的发送时间。

3.根据权利要求2所述的一种基于时间队列的时态感知流量整形器，其特征在于，将报文的数据流标识、发送窗口、绝对发送时间、优先级和在报文池中的存储地址构成报文的摘要信息，将相同优先级的各个报文的摘要信息按照绝对发送时间从前到后的顺序进行排序，组成时间队列，包括：

时态感知流量整形器将报文的数据流标识、发送窗口、绝对发送时间、优先级和在报文池中的存储地址构成报文的摘要信息，将相同优先级的各个报文的摘要信息归纳在一起，将相同优先级的各个报文的摘要信息按照绝对发送时间从前到后的顺序进行排序，组成时间队列，每个时间队列对应一个优先级，在时态感知流量整形器中存储各个优先级对应的时间队列，时态感知流量整形器随时监控各个时间队列中的报文的绝对发送时间是否到达。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于时间队列的时态感知流量整形器，其特征在于，时态感知流量整形器对各个时间队列的门控开关状态进行以下约束：

1)在一个时刻，有且仅有一个时间队列的门控开关处于打开状态；

2)仅当所有时间队列的门控开关处于关闭状态时，非调度报文对应队列的门控开关才打开，发送非调度报文。

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