CN112737979A - 一种时间敏感网络尽力而为流调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于网络通信技术领域，公开了一种时间敏感网络尽力而为流调度方法，该方法包括：获取当前时间敏感网络数据；从缓存中选择使尽力而为流带宽利用率最大化的一组帧；获取尽力而为流调度结果；对尽力而为流进行调度。本发明针对Qbv协议中在每个带宽周期都使尽力而为流时隙的带宽利用率达到最大化，提高了尽力而为流的带宽资源利用率。随着带宽周期的累积，在整体服务上很大程度的提高了带宽资源的利用率。

Description

一种时间敏感网络尽力而为流调度方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，尤其涉及一种时间敏感网络尽力而为流调度方法。

背景技术

目前：随着网络通信技术的不断发展，新的信息技术不断涌现出来，比如像音视频技术等对实时性有要求的业务不断增多，而标准以太网只提供尽力而为的服务，无法满足这些对时延和抖动要求比较高的实时性业务。因此时间敏感网络(Time SensitiveNetworking，TSN)应运而生，时间敏感网络是对IEEE802.1的一组修订，旨在将实时功能引入基于以太网的网络中，时间敏感网络具有高精度的时间同步、有界的时延和零抖动、多种业务共存、高可靠性和兼容性等优势被广泛的应用在工业自动化、车载网络和远程遥控等领域。迄今为止，TSN的标准仍在开发中，对TSN中的各个子协议进行研究以及各个协议之间的协同工作，研究TSN各个协议技术保障实时通信的本质，对以后将TSN更广泛更好的应用于各个领域具有深刻的实践意义。

时间敏感网络的技术核心就是流量调度和整形算法，这也是学术界深入研究的热点。大多数调度算法的研究都集中在如何保障时间敏感流的确定性时延上，如时间感知整形器(Time-aware Shaper，TAS)，该调度算法旨在将以太网络上的通信分为固定长度，重复时间周期。在这些周期内，按照时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的思想可以配置不同的时间片，这些时间片可以分配给八个以太网优先级中的一个或几个。通过这样做，可以将时间关键型业务与非关键性业务流量分离，并严格按照周期和时隙进行发送，保证了时间敏感流的有限延迟和抖动。TAS考虑两种主要的流类型，即高优先级调度流(Scheduled Traffic，ST)和低优先级尽力而为流(Best Effort Traffic，BE)，ST在ST队列中缓冲，BE在BE队列中缓冲。TAS通过流量类别实现帧优先级隔离。TAS确保ST延迟是有界的，并保护ST不受任何交叉流量的影响干涉。在每一个时间周期内，ST流和BE流在相应时间片内发送。

当BE流在对应带宽内未能完成发送时，会占用下一周期ST流的带宽，则无法保障ST流的时延，影响了高优先级流的服务质量。因此在2015年TSN任务组在增强Qbv协议中提出了保护带机制，该标准协议的名称为“IEEE Std802.1QbvTM-2015.IEEE Standard forLocal and metropolitan area networks-Bridges and Bridge Networks Amendment25:Enhancement for Scheduled Traffic”，保护带机制的原理是在尽力而为流时间片结束前放置一个保护带，即在保护带内不允许传输新的帧，但是可以继续传输正在传输的帧，因此保护带的大小应设置为传输以太网中最大帧的大小的时间。引入保护带虽然保障了高优先级业务的确定性可靠传输，但是也造成了严重的带宽资源浪费的问题。TSN任务组提出了一个长度感知调度机制为了部分缓解由于保护带造成的带宽浪费。此长度感知调度机制的原理是当使用存储和转发传输时，需要在保护带时隙内传输以太网帧时，调度程序将检查要发送帧的长度，如果帧可以完全在保护带内完成发送，而又不侵占下一个周期时间敏感流时间片时，那么尽管在保护带时隙内，调度程序仍然可以发送该帧，以减小保护带造成的带宽资源的浪费。这种长度感知调度机制虽然缓解了带宽资源的浪费，但是仍然存在较为严重的带宽资源浪费的问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有Qbv协议中的保护带机制以及长度感知调度机制存在带宽资源浪费的问题，每个周期保护带都会造成带宽资源的浪费，随着周期时间的累积，造成的带宽资源浪费的问题是不容小觑的。当缓存中BE帧比较多时，会存在造成大量BE帧滞留在缓存中的情况，严重时会造成缓存的溢出，继而数据的丢失。

解决以上问题及缺陷的意义为：现有的尽力而为流调度方法是按照FIFO的原则进行的，大多数的研究只关注于高优先级流的传输调度，保障高优先级流的可靠传输，而忽略了尽力而为流的调度，因此本发明主要针对保护带机制引起的带宽浪费的问题进行分析，提高尽力而为流时隙带宽资源的利用率，提高尽力而为流整体的服务质量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种时间敏感网络尽力而为流调度方法。

本发明是这样实现的，一种时间敏感网络尽力而为流调度方法，所述时间敏感网络尽力而为流调度方法包括：

获取当前时间敏感网络数据；

从缓存中选择使尽力而为流带宽利用率最大化的一组帧；

获取尽力而为流调度结果；

对尽力而为流进行调度。

进一步，设数据集F＝{f₁,f₂,…,f_i,…,f_n|1≤i≤n}表示通过时间敏感网络交换机缓存中的尽力而为流，其对应的帧长为C＝{c₁,c₂,…,c_i,…,c_n|1≤i≤n}，其中f_i表示传入交换机的第i个尽力而为流，c_i表示第i个尽力而为流f_i对应的帧长；

进一步，时间感知整形器将以太网络上的通信分为固定长度、重复时间周期，主要针对高优先级计划流和尽力而为流进行调度，每一周期高优先级计划流时隙对高优先级计划流进行调度，尽力而为流时隙对尽力而为流时隙进行调度，获取到当前时间敏感网络带宽周期为CT，尽力而为流时隙为D，以及时间敏感网络中链路的传输速度为u。

进一步，在每一周期的高优先级计划流时隙按照时间敏感网络中的时间感知整形器对高优先级的调度机制进行调度；在每一周期的尽力而为流时隙，采取从缓存中选择使尽力而为流带宽利用率最大化的一组帧：

(1)建立使尽力而为流时隙带宽利用率最大化的数学模型η：

其中x_i为决策变量，x_i＝1表示第i个尽力而为流f_i被选中，x_i＝0表示第i个尽力而为流f_i未被选中；

(2)采用0-1背包问题的解决算法求解使尽力而为流时隙带宽利用率最大化的数学模型η，得到使尽力而为流时隙带宽利用率最大化的一组帧

进一步，获取尽力而为流调度结果，完成对尽力而为流调度：对使尽力而为流时隙带宽利用率最大化的这组帧

按照序号i的大小，由小到大进行发送，完成对尽力而为流的调度。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明实质是对尽力而为流进行了时序重排，通过对缓存中的尽力而为流选取使带宽利用率最大的一组帧，然后将选中的帧组合按照先后顺序进行发送。对于缓存中BE帧数量比较大时，即尽力而为业务量比较大的时候，每个带宽周期都提高了BE时隙的带宽利用率，随着带宽周期的累积，整体提高了带宽资源的利用率，避免了缓存数据帧的滞留以及溢出丢失。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的时间敏感网络尽力而为流调度方法流程图。

图2是本发明实施例提供的Qbv协议的示意图。

图3是本发明实施例提供的仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种时间敏感网络尽力而为流调度方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的时间敏感网络尽力而为流调度方法包括以下步骤：

S101：获取当前时间敏感网络数据；

S102：从缓存中选择使尽力而为流带宽利用率最大化的一组帧；

S103：获取尽力而为流调度结果；

S104：对尽力而为流进行调度。

获取当前时间敏感网络交换机缓存中的尽力而为流F＝{f₁,f₂,…,f_i,…,f_n|1≤i≤n}以及其对应的帧长为C＝{c₁,c₂,…,c_i,…,c_n|1≤i≤n}，其中f_i表示传入交换机的第i个尽力而为流，c_i表示第i个尽力而为流f_i对应的帧长；

如图2，时间感知整形器将以太网络上的通信分为固定长度、重复时间周期，时间敏感网络主要针对高优先级计划流和尽力而为流进行调度，在每一周期，时间片1传输高优先级计划流，时间片2传输尽力而为流，即每一周期时间片1对高优先级计划流进行调度，时间片2对尽力而为流时隙进行调度。获取到当前时间敏感网络带宽周期为CT，时间片2的带宽为D，以及时间敏感网络中链路的传输速度为u。

时间感知整形器是依赖于全局时间同步，在开始时获取当前时间敏感网络的带宽周期与时间片1以及时间片2的带宽大小之后，在每一周期的时间片1按照时间敏感网络中的时间感知整形器对高优先级的调度机制进行相应调度；在每一周期的时间片2，采取本发明提供的尽力而为流调度方法对尽力而为流进行调度。

获取尽力而为流调度结果以及对尽力而为流进行调度包括以下具体步骤：

步骤1)针对时间片2的带宽D，以及当前周期交换机缓存中的尽力而为流，建立使时间片2带宽利用率最大化的数学模型η：

其中x_i为决策变量，x_i＝1表示第i个尽力而为流f_i被选中，x_i＝0表示第i个尽力而为流f_i未被选中。

步骤2)采用0-1背包问题的解决算法求解使时间片2带宽利用率最大化的数学模型η，得到使时间片2带宽利用率最大化的一组帧

步骤3)将这组帧

按照序号i的大小，由小到大在时间片2的带宽上进行发送，完成对尽力而为流的调度。

本发明提供的时间敏感网络尽力而为流调度方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1是本发明提供的时间敏感网络尽力而为流调度方法仅仅是一个具体实施例而已。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图2所示，Qbv协议将以太网传输的的通信分为固定长度，重复时间周期，每一周期，时间片1传输高优先级计划流，时间片2传输尽力而为流。Qbv协议中的尽力而为流的调度方法是按照FIFO原则进行传输，每一周期最后传输帧的大小是随机不确定的，这样造成了每一周期都会有带宽浪费的情况，因此本发明打破原有协议中按序进行传输的方式，本发明对尽力而为流的传输顺序进行了重新编排，目的是提高带宽资源的利用率。具体实现是：从缓存中选择能占用尽力而为流时隙最大的一组帧，然后将选择的这组帧进行按序号由小到大进行发送，按照序号由小到大进行发送是为了保障数据传输的公平性。

下面结合仿真实验对本发明的技术效果作详细的描述。

1.仿真实验条件：

本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel Pentium CPU，主频为3.30GHz，内存8GB。

本发明的仿真实验的软件平台为：Windows7操作系统和MATLAB。

本实验对尽力而为流的调度进行验证带宽的利用率，将尽力而为流时隙也就是图2中的时间片2的带宽设D＝50us，链路的传输速度为u＝1Gbps，缓存中随机生成不同数量的尽力而为帧，且所有的BE帧的帧长在84byte至1542byte范围内，满足以太网的帧长范围。

2.仿真结果：在上述实验条件下，主要针对三种调度机制进行对比尽力而为流时隙的带宽利用率结果，一种是时间敏感网络Qbv协议中带有以太网最大帧传输带宽大小的保护带机制的FIFO原则调度，一种是TSN任务组为缓解保护带机制造成的带宽浪费提出的长度感知调度机制，还有一种是本发明提出的尽力而为流时序重排调度方法。图3是针对缓存中存储不同BE帧个数时，采用这三种调度方法对尽力而为流进行调度计算当前周期的带宽利用率，进行实验1000次，得出平均值的仿真图。可以发现，当缓存中BE帧个数比较少时，三种调度方法带宽的利用率是相同的，因为一个周期就可以将所有的业务发送完毕。随着业务量的增多，也即是缓存中BE帧个数的增多，带宽的利用率也在增加。对于时序重排调度方法，当业务量大于11之后，带宽的利用率几乎达到了100％，进入稳定的阶段。对于长度感知调度，当业务量大于11之后，带宽的利用率在92％左右波动。对于以最大帧长为保护带FIFO原则的传输方法，当业务量大于11之后，带宽的利用率在84％左右波动。从图中可以看出针对业务量很大的时候，时序重排调度方法相较于另外两种方法可以很大程度的提高带宽利用率，使带宽的利用率达到最大化。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本发明领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种时间敏感网络尽力而为流调度方法，其特征在于，所述时间敏感网络尽力而为流调度方法具体包括：

获取当前时间敏感网络数据；

从缓存中选择使尽力而为流带宽利用率最大化的一组帧；

获取尽力而为流调度结果；

对尽力而为流进行调度。

2.如权利要求1所述的时间敏感网络尽力而为流调度方法，其特征在于，设数据集F＝{f₁,f₂,…,f_i,…,f_n|1≤i≤n}表示通过时间敏感网络交换机缓存中的尽力而为流，其对应的帧长为C＝{c₁,c₂,…,c_i,…,c_n|1≤i≤n}，其中f_i表示传入交换机的第i个尽力而为流，c_i表示第i个尽力而为流f_i对应的帧长；

时间感知整形器将以太网络上的通信分为固定长度、重复时间周期，主要针对高优先级计划流和尽力而为流进行调度，每一周期高优先级计划流时隙对高优先级计划流进行调度，尽力而为流时隙对尽力而为流时隙进行调度，获取到当前时间敏感网络带宽周期为CT，尽力而为流时隙为D，以及时间敏感网络中链路的传输速度为u。

3.如权利要求2所述的时间敏感网络尽力而为流调度方法，其特征在于，在每一周期的高优先级计划流时隙按照时间敏感网络中的时间感知整形器对高优先级的调度机制进行调度；在每一周期的尽力而为流时隙，采取从缓存中选择使尽力而为流带宽利用率最大化的一组帧：

(1)建立使尽力而为流时隙带宽利用率最大化的数学模型η：

其中x_i为决策变量，x_i＝1表示第i个尽力而为流f_i被选中，x_i＝0表示第i个尽力而为流f_i未被选中；

(2)采用0-1背包问题的解决算法求解使尽力而为流时隙带宽利用率最大化的数学模型η，得到使尽力而为流时隙带宽利用率最大化的一组帧

获取尽力而为流调度结果及对尽力而为流进行调度：对使尽力而为流时隙带宽利用率最大化的这组帧

按照序号i的大小，由小到大进行发送，完成对尽力而为流的调度。

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