CN112714023B - 一种tsn带宽预留系统、带宽预留值计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种TSN带宽预留系统、带宽预留值计算方法及装置，该系统主要包含TSN‑SDN控制器用于发现网络拓扑、接收设备发送的预留请求、计算数据流的转发路径和预留带宽值、下发路由表配置和预留表配置，TSN交换机根据控制器下发的配置项转发数据流、根据配置使用不同的带宽转发对应数据流；该计算方法主要包括首先确定网络拓扑等相关参数、然后找出流量所有可用的转发路径、再根据路径和流量的时延要求计算每一跳需要预留的带宽值、最后校验对应时隙是否有足够的带宽值可以预留。该系统和方法能够有效地保障目标流量的传输时延、减小传输抖动，能够在自动驾驶以及其他工业互联网场景中得到很好地应用。

Description

一种TSN带宽预留系统、带宽预留值计算方法及装置

技术领域

本发明属于网络通信技术、车载网络以及新型工业互联网领域，具体涉及到一种TSN(Time Sensitive Networking，时延敏感网络)场景下，周期性具体到时隙的带宽预留系统。

背景技术

TSN(Time Sensitive Networking，时间敏感网络)指在IEEE802.1标准框架下，基于特定应用需求制定的一组“子标准”，旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间确定性。TSN位于数据链路层，从底层架构中改变了以太网的不确定性，触发了以太网本身的一次自我迭代。

带宽预留技术在接入网中很好地应用，其成功解决了接入网的网络可靠性、用户体验度、网络资源的有效分配等难题。目前存在两种分配方式：（1）静态分配，机械式分配带宽，一旦分配后不再变动，此时的带宽利用率低，不能满足多数场景。（2）动态分配，多采用请求/授权机制，克服了静态分配的缺陷，但不能保证传输的时延稳定。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明旨在提供一种TSN带宽预留系统，以及具体带宽值和时隙的计算方法，该系统一种面向车载TSN以及工业互联网的网络资源预留方案，采用控制器统一调度的模式，统一分配链路资源，满足关键流数据对时延和抖动的要求。

为了实现以上效果，该方案主要包括三个部分：

一是TSN带宽预留系统，所述带宽预留系统包含TSN设备、TSN-SDN控制器和TSN交换机；其中，

所述TSN设备用于发送带宽预留请求、收发流量数据、将数据封装为TSN协议，并且将带宽预留请求相关参数发送至TSN-SDN控制器；

所述TSN-SDN控制器用于发现网络拓扑、接收来自所述TSN设备的带宽预留请求、调度计算数据流的转发路径和预留带宽值，并将计算后路由表配置和预留表配置信息下发至TSN交换机设备；

所述TSN交换机根据所述TSN-SDN控制器下发的配置项转发数据流，转发可根据源目的mac地址或者TCP/IP相关流量特性，根据预留表配置使用不同的带宽转发对应数据流。

进一步的，所述TSN-SDN控制器根据设定的要求计算预留带宽值，所述预留带宽值在指定时隙生效；所述TSN-SDN控制器按照时隙针对传输路径中的数据流发出端口生成对应的带宽预留表。

更进一步的，所述TSN交换机加载路由配置表和预留配置表转发数据流量，根据预留配置表的循环周期遍历执行配置项，在不同的时隙，针对不同的流量特征，使用对应的带宽值传输流量。

二是TSN-SDN控制器，所述TSN-SDN控制器根据设定的要求计算预留带宽值，所述预留带宽值在指定时隙生效；所述TSN-SDN控制器按照时隙，针对传输路径中的数据流发出端口生成对应的带宽预留表。

进一步的，所述TSN-SDN控制器时隙生效的标准为当前链路所有预留带宽值中，与该预留时隙有时间交集并且同一传输方向的预留值之和加上当前预留值小于当前链路的带宽值。

进一步的，所述带宽预留表内容为设备信息、端口信息、时隙、流量特征、带宽预留值、循环周期中的一种或多种；

所述TSN-SDN控制器查询与其相连接设备以及与该设备相连的其它设备的设备信息，组成完整的网络拓扑结构，所述设备信息包括连接信息和链接端口的带宽信息。

进一步的，所述流量特征包括源目的mac地址、五元组信息、四元组信息中的一种或多种。

更进一步的，所述TSN-SDN控制器通过以下方式预留带宽值以及占用时隙：

首先确定网络拓扑等相关参数，然后找出流量所有可用的转发路径，再根据路径和流量的时延要求计算每一跳需要预留的带宽值，再确定对应预留带宽值需要占用的时隙，最后校验对应时隙是否有足够的带宽值可以预留。

所述时延要求为数据流从发出之后开始计时，到达目的设备的所用的耗时；

所述时隙由当前链路时延要求和流量出发时间决定，即时隙区间为[流量发出时间, 流量发出时间+当前链路时延要求]，其中当前链路时延要求由总流量时延要求分配到当前链路的时延决定，采用的分配方法为平均分配或者比例分配，传输路径中第一跳的流量发出时间由配置参数决定，传输路径中其它跳流量发出时间为前一跳传输结束时间；当前链路带宽预留值=流量大小/当前链路时延要求。

三是基于上述设备，本申请提供的一种TSN-SDN控制器数据处理方法，所述数据处理方法包括以下步骤：

步骤一，从配置信息中提取流量信息并对流量按照优先级排序、从控制器中加载拓扑信息、计算超周期；

步骤二，找出每一条可用路径，并按照最短路径优先排列集合；计算预留带宽，循环处理超周期/当前流周期次数，即处理整个超周期内的数据流预留情况，从第二跳开始计算每一跳预留带宽值，预留带宽值=流量大小/(剩余要求时延/(路由总跳数-1))，传输时隙为[开始时间，开始时间+剩余要求时延/(路由总跳数-1)]，再根据时隙和预留值校验本跳链路当前时隙是否有足够剩余带宽可以预留，都满足则认为预留成功；

如果预留成功则将预留信息写预留表配置项，将路径写入路由转发表，然后重复步骤二对下一条流量预留；

步骤三，生成对应的路由表和预留表之后，TSN-SDN控制器将两个配置表下发到TSN交换机，交换机按照配置项加载执行。

有益效果

本发明的各实施例的技术方案的优点包括以下一项或者多项：

在TSN场景中，TSN-SDN控制器至关重要，规划流量传输路径，计算链路不同时隙被占用的的带宽值，判断流量所要占用的时隙是否有足够的带宽可以预留。通过以上发明方案能够保障关键流在指定要求时延内到达目的地址，实现了TSN的低时延低抖动，同时也提高了带宽利用率，在发送完数据后回收已分配带宽；在保障数据流传输按照要求时延传输、时延稳定的基础之上实现带宽的高效利用；能够有效地用于车载TSN网络、工业互联网等场景。

附图说明

图1是本发明方案中提到的设备之间的简易连接结构示意图；

图2是本发明方案中提到的设备的内部功能结构示意图；

图3是本发明方案中带宽预留值和时隙的计算流程图；

图4是本发明实施例1用到的网络拓扑图。

具体实施方式

为了更好的说明和展现本发明的目的及计算方法，结合附图以及实施用例对本发明方案进一步阐述。

一种TSN带宽预留系统，以及具体带宽值和时隙的计算方法，其特征在于提供一种面向车载TSN以及工业互联网的网络资源预留方案，采用控制器统一调度的模式，统一分配链路资源，满足关键流数据对时延和抖动的要求。该方案主要包括两个部分：

实施例1

一种TSN带宽预留系统，所述带宽预留系统包含TSN设备、TSN-SDN控制器和TSN交换机；其中，

所述TSN设备用于发送带宽预留请求、收发流量数据、将数据封装为TSN协议，并且将带宽预留请求相关参数发送至控制器；

所述TSN-SDN控制器用于发现网络拓扑、接收来自所述TSN设备的带宽预留请求、调度计算数据流的转发路径和预留带宽值、并将计算后路由表配置和预留表配置等下发至交换机设备；

所述TSN交换机根据所述TSN-SDN控制器下发的配置项转发数据流，转发可根据源目的mac地址或者TCP/IP相关流量特性、根据预留表配置使用不同的带宽转发对应数据流。

进一步的，所述TSN-SDN控制器根据设定的要求计算预留带宽值，所述预留带宽值在指定时隙生效；所述TSN-SDN控制器按照时隙，针对传输路径中的数据流发出端口生成对应的带宽预留表。

进一步的，所述TSN交换机加载路由配置表和预留配置表转发数据流量，根据预留配置表的循环周期遍历执行配置项，在不同的时隙，针对不同的流量特征，使用对应的带宽值传输流量。

如图1所示，本发明方案系统包含了三种设备类型，其中终端设备1、2和接收终端为TSN设备，其余为TSN交换机和TSN-SDN控制器。终端设备1、2负责收发数据、将数据封装为TSN协议；接收终端设备负责解析协议数据；TSN-SDN控制器用于发现网络拓扑、接收预留请求、计算数据流的转发路径和预留带宽值、下发路由表配置和预留表配置；TSN交换机根据控制器下发的配置项转发数据流、根据配置使用不同的带宽转发对应数据流。

实施例2

上述系统中的TSN-SDN控制器，根据设定的要求计算预留带宽值，所述预留带宽值在指定时隙生效；所述TSN-SDN控制器按照时隙，针对传输路径中的数据流发出端口生成对应的带宽预留表。

进一步的，所述TSN-SDN控制器时隙生效的标准为当前链路所有预留带宽值中，与该预留时隙有时间交集并且同一传输方向的预留值之和加上当前预留值小于当前链路的带宽值。

更进一步的，所述带宽预留表内容为设备信息、端口信息、时隙、流量特征、带宽预留值、循环周期中的一种或多种；所述TSN-SDN控制器查询与其相连接设备以及与该设备相连的其它设备的设备信息，组成完整的网络拓扑结构，所述设备信息包括连接信息和链接端口的带宽信息。本实施例中，所述流量特征包括源目的mac地址、五元组信息、四元组信息中的一种或多种。

所述TSN-SDN控制器通过以下方式计算预留带宽值以及占用时隙：主要包括首先确定网络拓扑等相关参数，然后找出流量所有可用的转发路径，再根据路径和流量的时延要求计算每一跳需要预留的带宽值，再确定对应预留带宽值需要占用的时隙，最后校验对应时隙是否有足够的带宽值可以预留。

进一步的，所述时延要求为数据流从发出之后开始计时，到达目的设备的所用的耗时；所述时隙由当前链路时延要求和流量出发时间决定，即时隙区间为[流量发出时间,流量发出时间+当前链路时延要求] ，其中当前链路时延要求由总流量时延要求分配到当前链路的时延决定，采用的分配方法为平均分配或者比例分配，传输路径中第一跳的流量发出时间由配置参数决定，传输路径中其它跳流量发出时间=前一跳时隙区间的上界； 当前链路带宽预留值=流量大小/当前链路时延要求。

实施例3

本实施例为基于上行数TSN-SDN控制器的数据处理方法，控制器在接收到配置信息后，经过带宽预留值和时隙计算生成路由表和预留表，主要步骤为：

1)从配置信息中提取流量信息并对流量按照优先级排序、从控制器中加载拓扑信息、计算超周期（所有流周期的最小公倍数）；

2)循环处理计算每一条流，如果无需要处理的数据流则进行下一步：

a)结合网络拓扑，找出每一条可用路径，并按照最短路径优先排列集合；

b)选定路径队列集合中的一个，开始计算预留带宽，如果无剩余路径可选择则预留失败，返回步骤2；

c)循环处理超周期/当前流周期次数，即需要处理整个超周期内的数据流预留情况，都满足才可认为预留成功，当循环次数已满执行步骤g；

d)首先确定第一跳的传输时延和传输时隙，默认第一跳占用全部带宽，即传输时延=流量大小/带宽，传输时隙为[流发出时间，流发出时间+传输时延]，总要求时延减去传输时延，其中可以认定下一跳的开始发送时间为上一跳流发出时间+传输时延；

e)从第二跳开始计算每一跳预留带宽值，预留带宽值=流量大小/(剩余要求时延/(路由总跳数-1))，传输时隙为[开始时间，开始时间+剩余要求时延/(路由总跳数-1)]，再根据时隙和预留值校验本跳链路当前时隙是否有足够剩余带宽可以预留；

f)当计算完所有路径后返回步骤c，处理下一周期；

g)如果预留成功则将预留信息写预留表配置项，将路径写入路由转发表，然后重复步骤2对下一条流量预留，如果失败则返回b步骤；

h）生成对应的路由表和预留表之后，控制器将两个配置表下发到TSN交换机，交换机按照配置项加载执行。

如图3所示，为了更好地说明本发明的计算方法，图4给出了3个数据流量模型，device1流量的主要参数为：周期1毫秒、流量周期内开始发送时间0毫秒、流量大小500B、流量优先级最高、目的地址为device4、时延要求50微妙，device2流量的主要参数为：周期310微妙、流量周期内开始发送时间0毫秒、流量大小1200B、流量优先级次高、目的地址为device4、时延要求120微妙，device3流量的主要参数为：周期40毫秒、流量周期内开始发送时间0毫秒、流量大小5MB、流量优先级最低、目的地址为device4、时延要求5毫秒，device1与switch1链路带宽100MB，device2与switch1链路带宽100MB，device3与switch1链路带宽10GB，switch2与switch1链路带宽40GB，device4与switch1链路带宽40GB。

将以上参数配置到TSN-SDN控制器中，计算出预留表和路由表：

步骤1：对三条流量按照优先级排序、加载拓扑信息(包括链路带宽)、计算超周期为1240毫秒；

步骤2：循环计算处理排序后的每一条流（首先处理device1设备的流量）：步骤2.1：找出发出设备到目的设备的所有可用路径，并按照最短路径排序；步骤2.2：选取2.1的结果集第一个开始计算(即device1->switch1->switch2->device4)，如果集合全部处理完则返回步骤2；步骤2.3：计算循环次数(超周期/当前流周期=1240毫秒/1毫秒=1240)，设定初始循环次数计数count=0，当count大于等于1240时返回步骤2.7处理下一步；步骤2.4：首先计算第一跳时延，即传输时延transtime₁=500/100M，传输时隙为[0+count*1ms, 0+count*1ms+ transtime₁]，剩余要求时延requiretime=120us- transtime₁，下一跳的的发出时间starttranstime₂=0+ transtime₁；步骤2.5：从第二跳开始计算每一跳预留带宽值，预留带宽值reserverate=500/(requiretime/(3-1))，传输时隙为[starttranstime₂，starttranstime₂+ requiretime /(3-1)]，再根据时隙和预留值校验本跳链路当前时隙有足够剩余带宽可以预留, starttranstime₃= starttranstime₂+ requiretime /(3-1)。以此类推，计算并校验完剩余的每一跳预留值；步骤2.6：当计算并校验完每一跳预留值，重复2.3步骤，count+1进行下一周期预留值计算；步骤2.7：预留成功将预留信息写预留表配置项，将路径写入路由转发表，然后重复步骤2对下一条流量预留。

步骤3：控制器1生成对应的路由表和预留表之后，将两个配置表下发到交换机switch1和switch2，交换机按照配置项加载执行。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种TSN带宽预留系统， 其特征在于，所述带宽预留系统包含TSN设备、TSN-SDN控制器和TSN交换机；其中，

所述TSN设备用于发送带宽预留请求、收发流量数据、将数据封装为TSN协议，并且将带宽预留请求相关参数发送至TSN-SDN控制器；

所述TSN-SDN控制器用于发现网络拓扑、接收来自所述TSN设备的带宽预留请求、调度计算数据流的转发路径和预留带宽值，并将计算后路由表配置和预留表配置信息下发至TSN交换机设备；

所述TSN交换机根据所述TSN-SDN控制器下发的配置项转发数据流，转发可根据源目的mac地址或者TCP/IP相关流量特性，根据预留表配置使用不同的带宽转发对应数据流。

2.根据权利要求1所述的一种TSN带宽预留系统，其特征在于，所述TSN-SDN控制器根据设定的要求计算预留带宽值，所述预留带宽值在指定时隙生效；所述TSN-SDN控制器按照时隙针对传输路径中的数据流发出端口生成对应的带宽预留表。

3.根据权利要求1所述的一种TSN带宽预留系统，其特征在于，所述TSN交换机加载路由配置表和预留配置表转发数据流量，根据预留配置表的循环周期遍历执行配置项，在不同的时隙，针对不同的流量特征，使用对应的带宽值传输流量。

4.一种TSN-SDN控制器，其特征在于，所述TSN-SDN控制器根据设定的要求计算预留带宽值，所述预留带宽值在指定时隙生效；所述TSN-SDN控制器按照时隙，针对传输路径中的数据流发出端口生成对应的带宽预留表。

5.根据权利要求4所述的一种TSN-SDN控制器，其特征在于，所述TSN-SDN控制器时隙生效的标准为当前链路所有预留带宽值中，与该指定时隙有时间交集并且同一传输方向的预留值之和加上当前预留值小于当前链路的带宽值。

6.根据权利要求4所述的一种TSN-SDN控制器，其特征在于，所述带宽预留表内容为设备信息、端口信息、时隙、流量特征、带宽预留值、循环周期中的一种或多种；

所述TSN-SDN控制器查询与其相连接设备以及与该设备相连的其它设备的设备信息，组成完整的网络拓扑结构，所述设备信息包括连接信息和链接端口的带宽信息。

7.根据权利要求6所述的一种TSN-SDN控制器，其特征在于，所述流量特征包括源目的mac地址、五元组信息、四元组信息中的一种或多种。

8.根据权利要求4至7任一项所述的一种TSN-SDN控制器，其特征在于，所述TSN-SDN控制器通过以下方式预留带宽值以及占用时隙：

首先确定网络拓扑相关参数，然后找出流量所有可用的转发路径，再根据路径和流量的时延要求计算每一跳需要预留的带宽值，再确定对应预留带宽值需要占用的时隙，最后校验对应时隙是否有足够的带宽值可以预留。

9.根据权利要求8所述的一种TSN-SDN控制器，其特征在于，所述时延要求为数据流从发出之后开始计时，到达目的设备的所用的耗时；

所述时隙由当前链路时延要求和流量出发时间决定，即时隙区间为[流量发出时间,流量发出时间+当前链路时延要求]，其中当前链路时延要求由总流量时延要求分配到当前链路的时延决定，采用的分配方法为平均分配或者比例分配，传输路径中第一跳的流量发出时间由配置参数决定，传输路径中其它跳流量发出时间为前一跳传输结束时间；

当前链路带宽预留值=流量大小/当前链路时延要求。

10.一种TSN-SDN控制器数据处理方法，其特征在于，所述数据处理方法包括以下步骤：

步骤一，从配置信息中提取流量信息并对流量按照优先级排序、从控制器中加载拓扑信息、计算超周期；

步骤二，找出每一条可用路径，并按照最短路径优先排列集合；计算预留带宽，循环处理超周期/当前流周期次数，即处理整个超周期内的数据流预留情况，从第二跳开始计算每一跳预留带宽值，预留带宽值=流量大小/(剩余要求时延/(路由总跳数-1))，传输时隙为[开始时间，开始时间+剩余要求时延/(路由总跳数-1)]，再根据时隙和预留值校验本跳链路当前时隙是否有足够剩余带宽可以预留，都满足则认为预留成功；

如果预留成功则将预留信息写预留表配置项，将路径写入路由转发表，然后重复步骤二对下一条流量预留；

步骤三，生成对应的路由表和预留表之后，TSN-SDN控制器将两个配置表下发到TSN交换机，交换机按照配置项加载执行。

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