CN112821977B - 一种异步低延时时间敏感数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种异步低延时时间敏感数据处理方法，数据的处理方式兼容之前的时间同步的处理机制，可以依据实际的应用场景选择是时间同步配置还是一部配置，提高了时间敏感网络的兼容性；通过在数据处理机制中的双通道数据处理方式，对非时间敏感的数据直接按照QoS机制进行传输，提高带宽的利用率，解决了时间同步触发数据传输式的带宽资源浪费问题；端口参数表格的数据和变量将会被所有与接受端口关联的异步整形器共享。从而实现整个网络的数据传输路径和调度配置。有利于实现大规模网络化设备的组网。

Description

一种异步低延时时间敏感数据处理方法

技术领域

本发明涉及工业控制系统的时间敏感网络技术领域，特别涉及一种异步低延时时间敏感数据处理方法。

背景技术

本发明主要是针对工业控制系统的低延时数据的异步整形处理的技术和方法，适用于高可靠性时间敏感网络域，提高数据传输的准确性和实时性以及网络的健壮性。

对于当今工业化技术的发展，对设备的效率、低延时高可靠的通信网络和确定性数据传输提出了更高的要求。随着IIoT的发展和大规模化设备的数据涌入，网络的流量和带宽问题变得越来越突出。工业自动化网络始终存在着数据高实时传输的要求，但是随着现场层接入的不同类型的设备越来越多，可用网络带宽和不同流量类型共存成为工厂骨干网络上的一个重要问题。当时间敏感型流量和普通型流量共享相同的网络基础设施时，标准以太网就无法提供可靠的实时保证。

为了解决工业化网络发展的技术瓶颈，目前正在使用的时间敏感网络旨在通过容错机制以及时间关键型流量和背景流量的共存方法，提高标准以太网的可靠性。

在大规模化网络中，每跳时延可分为链路传播时延、交换机处理时延、出端口排队时延三部分，而端到端时延为逐跳时延求和。链路时延和处理时延基本为固定值，所以减少时延必须要减少排队时延，先通过优先级属性配置将时间敏感流和尽力而为流分开传输，再从时间上（划分时隙）或空间上（规划路由）将不同优先级的时间敏感流隔开。

在时间敏感网络领域中，不同类型的整形器在实施流量调度方面表现良好，但是该调度方法对网络域具有严格的时间同步要求，特别是对时钟同步精度要求很高的跨越时间敏感域，但是这种跨域的方式增加了网络的复杂性，同时对时间敏感网络域的可靠性也提出了较高的要求。如果有任何同步的时钟对齐发生偏差，或者时钟同步信息的信号帧发生倾斜或漂移，时钟的不准确和丢失同步时钟帧会导致最佳主时钟将不准确的主时钟信息同步到其他下游域中的设备。

随着工业化网络大规模的设备接入，时钟同步的复杂性也在增加，网络链路上得时钟同步偏差也越来越大。为了解决大规模化网络的时钟同步复杂性以及可靠性问题，该方法提供了一套兼容性的流量调度方法而不需要严格的时间同步。又进一步优化那些对于时间同步非严苛任务的带宽利用。

SDU: service data unit业务数据单元，是指该装置处理的时间敏感数据帧。

CBS: 承诺突发尺寸Committed Burst Size，CBS； 承诺突发尺寸突发尺寸，令牌桶的容量，即每次突发所允许的最大的流量尺寸。设置的突发尺寸必须大于最大报文长度。是指在网络端口遇到突发情况时，允许最大网络流量突发的大小，由用户根据控制的信息流进行定义。

承诺信息速率CIR: 承诺信息速率，Committed Information Rate, CIR；每秒端口队列可允许通过的数据速率，由用户根据控制的信息流进行定义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异步低延时时间敏感数据处理方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种异步低延时时间敏感数据处理方法，包括以下步骤： S1、端口接收到以太网数据帧，判断是否具有时间敏感属性； S2、若数据帧不具备时间敏感属性，根据数据帧的帧头信息进行数据分类计数处理，在端口处进行排队转发； S3、若数据帧具有时间敏感属性，为根据数据帧字段的stream_handle、priority规范、流量门控的ID值和序列ID值在端口处匹配需要转发的具有时间敏感属性的数据帧的参数，并支持后续的队列和传输选择决策； S4、过滤后的数据帧将会进行最大业务数据单元SDU大小识别，数据帧的业务数据单元SDU大小超过了相关流过滤器的最大业务数据单元SDU大小参数，该帧将被丢弃；反之，则进入下一步； S5、经过步骤S4的数据帧按照数据帧门控的ID进入对应的streamGate，同时检查门的开关状态；若门的状态为开，则数据进入下一级的过滤和监管处理，若门的状态为关，则数据停止处理； S6、数据帧按照序列ID进行过滤，按照用户对端口的承诺突发尺寸CBS和承诺信息速率CIR的定义值进行规划流量的调度，调度参数组ID主要用于后续的排队决策； S7、按照本地时钟基准以及组调度参数表中根据调度参数组ID查询的最大驻留时间，若队列指定的资格时间早于或在当前时间，则该队列的数据帧是符合传输条件的；反之，对于不满足传输条件的数据帧丢弃；S8、数据帧经过上述流过滤之后进入下一级数据排队传输，按照具备时间敏感属性的数据帧的原始优先级进行传输； S9、整形后的数据将会在规划时间内进入出口处排队转发，在出口处的转发机制和时间同步机制保持相同。

作为优选，所述步骤S2和步骤S3中的帧头信息包括目的MAC、源MAC和VLAN ID。

作为优选，所述步骤S5中数据帧门控将数据帧的优先级映射到一个内部优先级值，所述内部优先级值用于异步数据帧的队列映射，同时保留帧的原始优先级用于传输和后续的排队策略。

作为优选，所述步骤S6中还包括一个用来处理数据帧的流量计数功能的流量计，倘若数据帧的流量超过所述流量计的流量限制，数据帧会被丢弃或标记为drop eligible。

本发明的有益效果：

1、数据的处理方式兼容之前的时间同步的处理机制，可以依据实际的应用场景选择是时间同步配置还是一部配置，提高了时间敏感网络的兼容性；

2、通过在数据处理机制中的双通道数据处理方式，对非时间敏感的数据直接按照QoS机制进行传输，提高带宽的利用率，解决了时间同步触发数据传输式的带宽资源浪费问题；

3、通过建立端口驻留的时间表，来摆脱设备对时间同步的需求，仅依靠设备的本地时钟就可实现数据的低延时排队传输，有效提高网络的可靠性。在时间敏感流量同步整形的模块上通过建立一种新的调度表格，采用规划数据的最大驻足时间来控制门的开关，根据不同数据的传输时间需求进行规划调度表格，流量到达端口时触发调度机制，依靠本地的时钟进行计数，到达事件触发刻度时传输数据。采用该方法可以兼容同步时钟机制，两种方法可以混用，同时为传统的以太网数据提供单独的处理机制，简化端口处理时间，当网络带宽空闲时，就可以直接传输数据；

4、端口参数表格的数据和变量将会被所有与接受端口关联的异步整形器共享。从而实现整个网络的数据传输路径和调度配置。有利于实现大规模网络化设备的组网；

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种异步低延时时间敏感数据处理方法的流程图；

图2是本发明一种异步低延时时间敏感数据处理方法的具体实施参数示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

为了解决大规模工业化网络的低延时以及高可靠的需求，解决传统的时间敏感网络系统中的时钟同步导致的时钟复杂性以及可靠性问题，通过提出一种新型的方法，该方法提供了一种异步低延时时间敏感数据处理方法，系统采用本地时钟作为量度，而不需要严格的时间同步作为基准，在该方法中流量的调度主要采用的是基于令牌桶的方法进行的。

该方法主要采用的是速率控制服务规则，是一种非工作保存类的分组服务规程，包括速率控制静态优先级和速率控制的最早期限优先。该服务规则分组调度主要由两部分组成：速率控制器实现速率控制策略，调度器根据一些调度策略实现分组调度，例如静态优先级、先到先服务或最早到期日期。通过分离速率控制器和调度器，速率控制服务规则有效地将每个流的带宽与其延迟界限解耦，为单个流分配规定量的带宽与延迟界限无关。速率控制服务可以支持低延迟和低带宽流。

传统的时间敏感流量的整形主要是基于时间为基准的触发方式，网络中的每台设备首先与最佳的主时钟进行校准，在对应的时间刻度触发流量控制模块。在时间敏感流量同步整形的模块上通过建立一种新的调度表格，采用规划数据的最大驻足时间来控制门的开关，根据不同数据的传输时间需求进行规划调度表格，流量到达端口时触发调度机制，依靠本地的时钟进行计数，到达事件触发刻度时传输数据。采用该方法可以兼容同步时钟机制，两种方法可以混用，同时为传统的以太网数据提供单独的处理机制，简化端口处理时间，当网络带宽空闲时，就可以直接传输数据。

在异步低延时数据处理方法中，用户为时间敏感的流量合理规划调度传输时间，而不需要将设备的时钟同步到全局最佳时钟。相比较传统的同步时间的机制根据时间表控制门控的开关，在新的时间敏感数据方法中为每一个桥设备提供一个异步整形器表，异步整形器中表中的数据和变量更新到MaxShaperInstances中，并独立于异步整形器表。端口参数表格的数据和变量将会被所有与接受端口关联的异步整形器共享。从而实现整个网络的数据传输路径和调度配置。

每个异步整形器将合适时间分配给关联帧，在不满足端口的过滤条件下丢弃帧。底层操作由异步整形器通过关联的状态机执行操作，该状态机主要是根据令牌桶算法构建的整形实例。这个状态机相关状态变量主要基于TokenRatesize参数、TokenBurstsize参数、MaxResidenceTime参数、帧到达时间和帧长度来更新桶空时间和组时间分配变量。

如果一个异步整形器的丢弃一个数据帧，相关联端口的丢弃帧计数将会增加。对于支持异步整形的桥设备，如果没有TAS和PSFP,异步整形器的流量控制门将会永久的打开，并且只采用内部的优先级（IPV）分配、传统的队列仲裁和管理，所有接收到的数据帧再被允许进入队列前需要经过异步整形器，异步整形器引导根据异步整形器状态变量、传输分配需求和当前设备的QoS机制引导一些流量到紧急传输队列，在经过异步整形，使用严格优先级序列保证数据在出口队列，对于ST和BE队列，通过在端口处采用多路复用器保证通道的共享，为了防止BE队列出现饥饿状态，所有的队列均是FIFO队列。

参阅图1和图2，端口接收到以太网数据帧时，首先会识别数据帧是否具有时间敏感的需求，主要是判断数据帧的优先级字段，对于不具备时间敏感需求的数据帧将会按照QoS机制，根据数据帧的帧头信息进行数据处理，在端口处进行排队转发，此时在网络空闲时候就可以发送数据，保证带宽的充分利用；对于时间敏感的数据帧，首先按照帧头的信息按照时间同步的过滤机制一样进行数据帧的过滤，时间敏感流的帧字节将会根据数据帧字段的stream_handle、priority规范、流量门控的ID值和序列ID值在端口处匹配需要转发的时间敏感帧的参数；

经过匹配队列的数据帧将会检查流过滤队列支持的最大业务数据单元SDU值，最大业务数据单元SDU参数定义了流过滤器所接受的最大业务数据单元SDU大小，设定值为0时禁用与流过滤器相关联的帧的最大业务数据单元SDU大小过滤；如果数据帧的业务数据单元SDU大小超过了相关流过滤器的最大业务数据单元SDU大小参数，该帧将被丢弃；最大业务数据单元SDU值主要用于控制桥设备处理的最大数据帧的大小，降低设备的处理时间开销；

经过上述流程过滤之后的数据帧按照流门控的ID进入对应的stream Gate，同时检查门的开关状态，若门的状态为开，则数据进入下一级的过滤和监管处理，若门的状态为关，则数据停止处理，在使用异步数据处理时，门的状态为开，流门控可以丢弃接收时间与给定时间计划相抵触的帧。流门控也可以将帧的优先级映射到一个内部优先级值(IPV)，这个内部优先级值用于后续的排队决策，同时保留帧的原始优先级用于传输；

随后流量将会按照序列ID进行过滤，按照用户对端口的承诺突发尺寸CBS和承诺信息速率CIR的定义值进行规划流量的调度，调度参数组ID主要用于后续的排队决策，其中流量计是流过滤器指定了一个用来处理帧的流量计数功能。如果超过流量计的流量限制，帧可以被丢弃或标记为drop eligible；流量计主要用于防止端口出现异常突发流量造成的堵塞，可以规整流量到原始传输状态；

流过滤器指定调度程序，将用于处理帧。传输选择算法为调度使用的帧计算合格时间。如果超过了最大资格时间，帧可以被丢弃；

对于支持异步数据传输选择的给定队列，如果队列中包含一个或多个符合传输条件的帧，则算法判断该帧是否可用；

在组调度参数表格中用户根据实际应用场景自定义队列数据的停留时间，如果队列指定的资格时间早于或在当前时间，则该队列的数据帧是符合传输条件的。当前时间由传输选择时钟决定，它是一个实现特定本地系统时钟功能的时钟。本地系统时间时钟被用作指定设备内部实现特定定时属性的功能。所有达到停留时间的帧都被选择以指定的资格时间升序传输；

数据经过上述流过滤之后进入下一级数据排队传输，按照时间敏感数据帧的原始优先级进行传输；

经过整形后的数据将会在规划时间内进入出口处排队转发，在出口处的转发机制和时间同步机制保持相同。

CIR（Committed Information Rate）：承诺信息速率，表示端口允许的信息流平均速率；CBS（Committed Burst Size）：承诺突发尺寸，用来定义在部分流量超过承诺信息速率CIR之前的最大突发流量。承诺突发尺寸必须不小于报文的最大长度。

在数据调度的方法中，组调度参数表与时钟同步门控表的主要不同点是依据组调度参数表的调度参数组ID以及最大的停留时间来调度数据的传输，数据的调度主要依赖设备本地的调度器时钟，该调度器时钟是一个特定于本地系统时钟功能的实现。用于确定帧的到达时间。桥接组件可以使用一个或多个调度器时钟实例。在多个调度器时钟实例的情况下，与同一个接收端口相关联的所有调度器实例共享同一个调度器时钟实例(从一个特定的接收端口接收到的所有帧的到达时间都由同一个调度器时钟实例决定)。对于支持异步传输选择的给定队列，如果队列中包含一个或多个符合传输条件的帧，则算法判断该帧是否可用。如果指定的资格时间早于或在当前时间，则帧是符合传输条件的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种异步低延时时间敏感数据处理方法，包括以下步骤： S1、端口接收到以太网数据帧，判断是否具有时间敏感属性； S2、若数据帧不具备时间敏感属性，根据数据帧的帧头信息进行数据分类计数处理，在端口处进行排队转发； S3、若数据帧具有时间敏感属性，根据数据帧字段的stream_handle、priority规范、流量门控的ID值和序列ID值在端口处匹配需要转发的具有时间敏感属性的数据帧的参数，并支持后续的队列和传输选择决策； S4、过滤后的数据帧将会进行最大业务数据单元SDU大小识别，数据帧的业务数据单元SDU大小超过了相关流过滤器的最大业务数据单元SDU大小参数，该帧将被丢弃；反之，则进入下一步； S5、经过步骤S4的数据帧按照数据帧门控的ID进入对应的stream Gate，同时检查门的开关状态；若门的状态为开，则数据进入下一级的过滤和监管处理，若门的状态为关，则数据停止处理； S6、数据帧按照序列ID进行过滤，按照用户对端口的承诺突发尺寸CBS和承诺信息速率CIR的定义值进行规划流量的调度，调度参数组ID主要用于后续的排队决策； S7、按照本地时钟基准以及组调度参数表中根据调度参数组ID查询的最大驻留时间，若队列指定的资格时间早于或在当前时间，则该队列的数据帧是符合传输条件的；反之，对于不满足传输条件的数据帧丢弃；S8、数据帧经过上述流过滤之后进入下一级数据排队传输，按照具备时间敏感属性的数据帧的原始优先级进行传输； S9、整形后的数据将会在规划时间内进入出口处排队转发，在出口处的转发机制和时间同步机制保持相同。

2.如权利要求1所述的一种异步低延时时间敏感数据处理方法，其特征在于：所述步骤S2和步骤S3中的帧头信息包括目的MAC、源MAC和VLAN ID。

3.如权利要求1所述的一种异步低延时时间敏感数据处理方法，其特征在于：所述步骤S5中数据帧门控将数据帧的优先级映射到一个内部优先级值，所述内部优先级值用于异步数据帧的队列映射，同时保留帧的原始优先级用于传输和后续的排队策略。

4.如权利要求1所述的一种异步低延时时间敏感数据处理方法，其特征在于：所述步骤S6中还包括一个用来处理数据帧的流量计数功能的流量计，倘若数据帧的流量超过所述流量计的流量限制，数据帧会被丢弃或标记为drop eligible。

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