CN112887226B - 有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有线无线融合的卫星时间敏感网络通信技术领域，具体涉及有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法；所述方法包括将卫星内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中；根据无线TDMA帧的目的MAC地址和QoS字段存储到缓存队列中；对TSN流中的数据包打上入队时间戳后入队进行入队管理；按照时间戳反馈机制将非TSN流的数据包进行入队管理；出队调度时判断当前时隙是否属于本卫星节点，若是则采用动态时延控制调度算法调度各类数据包。本发明通过时间戳反馈机制能够保障网络不拥塞，通过动态时延控制调度算法调度数据包能够确定性保障TSN流在网络中传输，公平地调度其它类型数据包，可提升网络的整体吞吐量。
Description
技术领域
本发明涉及有线无线融合的卫星时间敏感网络通信技术领域，具体涉及基于TDMA的队列管理调度方法。
背景技术
卫星通信技术经几十年的发展，在诸多领域为人类带来了便捷，特别是低轨小卫星因其具有设备复杂度相对较低、应急能力快、灵活性高、研制周期短等优点让它在近年越来越受到重视。但是随着空间任务日趋复杂化，多个试验任务之间的协作加强，星内、星间航天信息系统通信性能要求日益严格。一方面，要求航天器星内信息系统的高带宽、高可靠性和高实时性；另一方面，航天器之间通过星间链路组网，星间链路网也应具备低时延、高可靠性以及资源利用率高的特点。当多个数据传输量较大的任务同时占用网络资源时，就会造成网络延时、网络拥塞，降低数据转发效率，如何保证星内、星间链路网的实时性和确定性是提升网络通信性能的关键。
现实需求推动着有关标准协议产生，TSN(Time-Sensitive Network)，即时延敏感网络应运而生。其最早由IEEE 802.1任务组在2012年提出，以构建一个统一的、标准化的二层网络协议，使其应用在任何采用以太网技术的环境中，为实时数据传输提供保障。TSN具有以下目标：1)确保交换网络的报文时延得到保障；2)时间敏感数据流和非时间敏感数据流可以共网传输，并且非时间敏感数据流的传输不会对时间敏感数据流的传输时延造成影响。由此可见，TSN既能够为时间敏感业务提供可靠的服务质量(Quality of Service，QoS)保证，同时也能够支持非时敏业务在网络中的传输。因此，现有TSN标准可以很好地利用在星内网络中。
无线TSN技术研究处于初始化阶段，尚未形成标准。目前有研究对现有IEEE802.11协议进行改进，使无线网络具有可靠性和实时性能。因此可以将无线TSN技术引入星间网络中。
综上所述，引入TSN技术来提升星内、星间通信的时延确定性十分必要。然而当星内有线侧有多条流汇聚到卫星输出端口时，会在输出端口出现排队现象，这样当星内的业务传输到星外时，会因传输数据量较大的业务而导致网络拥塞，从而无法满足空间时敏业务的时延要求，那么如何在卫星输出端口进行队列调度保障各类业务时延成为研究重点。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于星内有线星间无线融合的TSN队列管理调度方法，首先将星内的有线侧TSN帧转换为星间的TDMA无线帧；按照TDMA无线帧中QoS值的字段，划分出TSN列表和非TSN列表；为非TSN流设计的时间戳反馈机制流程，并根据规则入队，采用动态时延控制调度算法调度各类数据包出队，保证TSN流在网络中传输，并且公平地调度其他类型的数据包。
为达上述目的，本发明提供如下技术方案：
将卫星内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中；
根据无线TDMA帧的目的MAC地址和QoS字段将所述无线TDMA帧存储到对应缓存队列中；
在缓存队列占用的总存储空间满足全局限制阈值下，按照时间戳反馈机制将非TSN流的数据包进行入队管理，为TSN流的数据包打上入队时间戳后进行入队管理；
出队调度时判断当前时隙是否属于本卫星节点，若是，则采用动态时延控制调度算法调度各类数据包。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明通过时间戳反馈机制管理非TSN流能够保障卫星时间敏感网络不发生拥塞，通过动态时延控制调度算法调度数据包能够避免TSN数据包在相同流的队列后面排队，只需要等待列表中的其他队列数据包出队，且能够抢占非TSN流时隙资源，从而能够确定性保障TSN流在网络中传输，而且公平地调度非TSN数据包，从而提升网络的整体吞吐量。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明队列管理调度方法优选实施例示意图；
图2是本发明实施例中队列管理调度方法流程图；
图3是本发明实施例采用的卫星编队网络场景示意图；
图4是本发明采用的超帧结构示意图；
图5是本发明TSN帧到无线TDMA帧映射示意图；
图6是本发明采用入队管理流程示意图；
图7是本发明非TSN流设计时间戳反馈机制示意图；
图8是本发明动态时延控制调度算法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明队列管理调度方法优选实施例示意图；如图1所示，所述队列管理调度示意图中，当数据包从有线侧到达TSN网关无线输出端口后，首先进行入队管理，入队管理完成后形成多个线程STA1,STA2,...,STAn，为每个线程分配优先级并形成缓存队列；入队完成后采用动态时延控制调度算法调度的方式调度各类TDMA无线帧。
图2是本发明实施例中队列管理调度方法流程图，如图2所示，所述队列管理调度方法具体包括：
101、将卫星内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中；
在说明如何将卫星内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中之前，先说明本发明实施例中的网络场景。
图3是本发明实施例采用的卫星编队网络场景示意图，如图3所示，卫星以星群形式去执行某种飞行任务，比如环境监测、地震监测等。为了保障时敏业务传输时延，选择一颗卫星充当TSN控制器，用于获取网络中各节点的全局状态信息并进行决策的下发，该TSN控制器中包括多个TSN交换机，每个交换机中可以连接北斗接收机、温度传感器、遥测传感器、视频监控器、遥感照相机、数据存储系统、星载计算机、TSN网关等。卫星之间以TDMA的方式组网，一跳可达，构成星间TSN网络，TSN控制器主要负责卫星网络拓扑发现、需求收集以及时隙表计算下发，并作为主控节点。卫星内部各子系统之间以有线以太网方式连接，并且通过TSN交换机与相应控制系统进行通信。星内有线TSN架构主要包括数据发送节点(TSNTalker)、数据接收节点(TSN Listener)和TSN交换机(TSN Switch)，TSN网关应有无线发射和接收功能，负责将星内数据转发到星间以及接收星间传输到星内的数据。
图4是本发明实施例中所采用的超帧结构示意图，如图4所示，本发明中将信道资源以超帧为周期进行划分，每个超帧都是由时隙协商和数据传输两个部分组成，在时隙协商阶段，各成员卫星内部所有需要执行无线通信任务的终端向TSN控制器上报自身业务需求，然后在数据传输阶段，卫星在各自时隙传输数据。
假设网络中总共包含N个TSN设备，W个卫星，每颗卫星内部终端数目为
每个TSN终端的业务量为
每个终端的权重为
超帧TDMA阶段有H个时隙，那么每颗卫星分配到的时隙比例为，
αi+...+αN＝1
k∈[1,Si],j∈[1,N]
其中，αi表示分配给TSN终端di的权重并且αi,...αN∈[0,1]，由于在某些应用中，某些设备产生的业务流比其他设备更重要，需要获得更低的时延，因此需要分配更多的时隙。
在上述时隙分配的设计下，在本发明实施例中，数据包从有线侧数据经过TSN交换机到达TSN网关无线输出端口时，首先将有线TSN帧优先级映射到无线TDMA帧。
具体的，卫星内部有线侧数据经过TSN交换机到达TSN网关接收端口时，将有线TSN帧转换为802.11无线帧，将VLAN标签中的pcp优先级字段映射到无线TDMA帧的QoS字段，并且将自定义的数据包最大存活依次映射到无线TDMA帧中。
图5是本发明实施例中所提供的TSN帧到无线TDMA帧映射示意图；如图5所示，其中有线TSN帧为一个带有VLAN标签的以太网帧，TDMA帧为自定义的802.11帧，将TSN帧中的VLAN标签(VLAN Tag)pcp字段映射到无线帧的Qos字段，并且将自定义的数据包最大存活依次映射到无线TDMA帧中。
其中，所述以太网帧的格式可以参考现有的802.2或者802.3协议，所述自定义的802.11帧包括采用802.11头部、序号、数据长度QoS字段、最大存活时间，负载以及32位的CRC校验。
102、根据无线TDMA帧的目的MAC地址和QoS字段将所述无线TDMA帧存储到对应缓存队列中；
在本发明实施例中，根据数据包无线TDMA帧中的目的地址判断出所述数据包的所属卫星节点，并根据无线TDMA帧中QoS字段将所述无线TDMA帧存放在相应的缓存队列中。
具体的，首先根据无线TDMA帧中的目的地址判断所述数据包所属的目的卫星，QoS字段占3位，故每个所属目的卫星有8个队列，然后根据QoS值存放到相应的缓存队列中，假设QoS值为010(二进制)时，则可以对应第3个队列。
103、在缓存队列占用的总存储空间满足全局限制阈值下，按照时间戳反馈机制将非TSN流的数据包进行入队管理，为TSN流的数据包打上入队时间戳后进行入队管理；
图6为本发明实施例中的入队管理流程图，如图6所示，所述入队管理的总体流程包括首先判断有线侧是否有数据到来，如果有数据到来，则利用帧转换模块将有线TSN帧转换为无线TDMA帧；判断缓存队列占用的总存储空间(total)与全局限制阈值(globallimit)的大小，若大于所述全局限制阈值，检测非TSN列表中最长缓存队列，从所述最长缓存队列中丢弃头部数据包后结束流程，否则根据TDMA帧中的目的MAC地址字段判断出该TDMA帧所属的卫星节点，根据QoS字段判断当前的数据流是否为TSN流，若为TSN流，则获取内核TSF时钟，直接为其打上入队时间戳后放入匹配队列，否则直接放入匹配队列，这里的匹配队列是这些缓存队列所形成的队列。
在一些实施例中，为了便于区别TSN流，本发明设置出两个循环列表，即TSN列表和非TSN列表，把无线TDMA帧中QoS值为7和6的缓存队列放在TSN列表，把其余的缓存队列也就是QoS值为0～5的缓存队列放在非TSN列表。
其中，所述缓存队列占用的总存储空间CM的具体计算公式为：
其中，Qm代表需要传输的数据流，Qi表示不同优先级数据缓存队列长度，N为TSN网关输出端口所有队列的数目。
在本发明实施例中，数据包入队时，首先需要检查各缓存队列占用的总存储空间CM是否已经超过全局限制阈值Congest，如果没有超过设定的全局限制阈值，则正式开始入队列操作；如果超过设定的全局限制阈值，则需要对非TSN列表中最长的缓存队列进行数据包的丢弃，为后续到达的数据包提供存储空间，具体丢包的方式是从头部丢弃一个数据包，然后正式开始入队操作。本发明实施例中不对TSN列表中的缓存队列进行检测，可保障TSN流的可靠性。
对于时间戳反馈机制，图7是本发明实施例中非TSN流设计时间戳反馈机制流程图，如图7所示，所述流程具体包括：
队列管理模块设计出周期性定时器，在周期T内统计当前队列数据发送量dq_pks；
计算方法可以采用dq_pks+＝dq_size，也就是dq_pks＝dq_pks+dq_size，dq_pks表示当前缓存队列数据发送量；dq_size表示当前缓存队列发送的每个数据包大小。
所述周期性定时器溢出后，计算当前出队列速率now_dq_rate，具体计算公式为now_dq_rate＝dq_pks/T。并且，为了有效地消除网络突发流量所引起的出队列速率的急速变化，本发明在此引入低通滤波器加权的方法，计算出队列速率dq_rate，即：
dq_rate＝(1-α)×dq_rate+α×now_dq_rate
其中，α表示低通滤波器权重。
计算出当前队列时延dq_del，具体计算公式为：
dq_del＝qlength/dq_rate
入队管理模块提取出缓存队列中所有数据包的最大存活字段，求取出缓存队列中数据包的平均存活时间；
计算方法包括：
其中，L为队列长度，ti为数据包存活时间。
判断数据包平均存活时间与无线链路传播时延之差与当前队列时延队列的大小，若小于或等于当前队列时延，则从队列头部丢弃数据包，具体表示为：
其中，
为无线链路传播时延；若满足，则从队列头部丢弃数据包。
104、出队调度时判断当前时隙是否属于本卫星节点，若是，则采用动态时延控制调度算法调度各类数据包。
本发明采用了动态时延控制调度算法调度各类数据包，首先为了公平调度每个队列中的数据，为每个队列设置一个字节阈值F，每次出队将从队列中至多取F个字节。假设某个卫星内部产生TSN流的终端为d1,d2,...dN,每个发送周期可以对应一个TSN流的终端；其路由跳数为1,2,…,h，带宽为R，交换机内部处理时延恒定为Dproc，TSN流终端di在每个周期Ti产生的业务量为Bi s，则周期内业务量的传输时延
有线的传播时延为
那么di在周期Ti内数据量发送时延
为：
为了确定性调度TSN流，每条TSN流s的发送周期Ti应满足：
其中F为初始化队列字节阈值，即每次轮询从缓存队列中取的字节数，
为TSN流s在每个发送周期Ti的数据量，N为当前TSN网关输出端口队列数目，M为TSN列表中队列数目，V为无线传输速率。
为了保障TSN流不会在相同流的队列后面排队，只会在TSN列表后面排队，字节阈值F应当满足如下条件，
由于TSN流是按循环顺序调度的，因此TSN列表中的队列可以等效为FIFO队列，假设TSN流到达概率服从泊松分布，服务时间服从指数分布，那么此系统可以表示为M/D/1队列模型，其中业务到达率λ、服务率μ、利用率ρ的值分别为，
由此，可计算出其在一般情况下排队时延Dnomal为，
在上述分析下，本发明的动态时延控制调度算法采用优先轮询TSN列表的方式，通过约束TSN流的发送周期和动态循环检测TSN数据包的逗留时延，以动态控制的方式让TSN流稳定地在网络中传输，轮询完成TSN列表后，基于全局限制阈值的控制下，轮询非TSN列表，公平地调度非TSN流，从而提升整个网络吞吐量。
本发明中采用动态时延控制调度算法调度各类数据包的基本过程可以包括如下：
步骤1：TSN网关在每个时隙读取自身的身份标识，判断当前时隙是否属于本卫星节点；
其中，TSN网关在每个时隙的起始时刻读取自身的时隙表中本时隙号对应的身份标识，判断当前时隙是否属于本卫星节点。
步骤2：若通过身份标识确定当前时隙属于本卫星节点，对TSN列表进行轮询，循环检测TSN帧逗留时延D；
步骤3：若D>Dnomal，则判断当前正在传输的是否为有线非TSN帧，若是，则令TSN帧抢占非TSN帧资源调度当前数据包，若否，则等待所述有线TSN帧调度结束，再调度当前数据包；
在一些实施例中，为了保障TSN帧传输时延，抢占非TSN帧资源，将正在传输的非TSN列表中的数据包拆分为64字节，然后TSN流抢占剩余字节资源，从而保障TSN流能够优先调度出去。
步骤4：若D≤Dnomal，则从TSN列表头部轮询队列出栈操作，每次取数据包的数据量不超过队列字节阈值F；Dnomal表示正常情况的排队时延。
步骤5：当出队完成后，从更新后的循环列表中删除该出队的队列；
上述分析中的约束条件可知TSN流数据包不存在队列内部排队，故该队列此时一定为空，所以可以直接从新的循环列表删除此队列。
步骤6：当TSN列表为空时，则开始从非TSN列表进行轮询调度，从非TSN列表头部开始轮询队列，首先判断队列的F值是否为负值，若为负值，则重新赋予一个F值，然后跳过该队列，对下一个队列进行出队操作；
步骤7：如果队列的F值为正值，则直接出队列数据包，并从F中减去调度出数据包的字节量，更新该队列剩余数据包的F，并将该队列移动到非TSN列表的尾部，从而完成一次轮询调度返回步骤1。
图8给出了本发明实施例中采用动态时延控制调度算法调度数据包的流程示意图；如图8所示，调度流程包括：
首先判断当前时隙是否属于当前卫星节点，若属于当前卫星节点，则开始轮询列表，判断TSN列表是否为空，若不为空，则开始轮询TSN列表队列，并选定队列出队，判断TSN帧逗留时延是否大于正常情况的排队时延，若大于正常的排队时延，则继续判断当前正在传输的是否为非TSN帧，若为非TSN帧，则抢占非TSN帧的资源后采用TDMA调度数据包，否则等待TSN帧调度结束后再调度数据包，调度完成后从TSN列表中删除该队列，完成本次轮询。
另一方面，当TSN列表为空时，则可以开始轮询非TSN列表队列；判断当前的队列字节阈值是否大于或者等于0，若小于0，则赋予一个新的队列字节阈值等待下次轮询并完成此次轮询过程；若大于或者等于0则从非TNS列表中选对队列出列，采用TDMA调度数据包，并按照数据包的长度更新当前的队列字节阈值；判断当前队列是否为空，若为空，则从TSN列表中删除该队列，否则等待下次轮询完成本次轮询。
本发明主要分为队列入队管理和队列出队调度；本发明通过时间戳反馈机制的入队管理操作能够保障网络不拥塞，通过动态时延控制调度算法的出队调度操作调度数据包能够确定性保障TSN流在网络中传输，公平地调度其它类型数据包，可提升网络的整体吞吐量。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，所述方法包括将卫星内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中；根据无线TDMA帧的目的MAC地址和QoS字段将所述无线TDMA帧存储到对应缓存队列中；在缓存队列占用的总存储空间满足全局限制阈值下，按照时间戳反馈机制将非TSN流的数据包进行入队管理，为TSN流的数据包打上入队时间戳后进行入队管理，也即队列管理模块设计出周期性定时器，在周期T内统计当前队列数据发送量；所述周期性定时器溢出后，采用低通滤波器加权的方法计算当前出队列速率；入队管理模块提取出非TSN列表中所有数据包的最大存活字段，求取出队列中数据包的平均存活时间；判断数据包平均存活时间与无线链路传播时延之差与当前队列时延队列的大小，若小于或等于当前队列时延，则从队列头部丢弃数据包，若不成立，则按照出队规则调度数据包；出队调度时判断当前时隙是否属于本卫星节点，若是，则采用动态时延控制调度算法调度各类数据包，包括如下：
步骤1：TSN网关在每个时隙读取自身的身份标识，判断当前时隙是否属于本卫星节点；
步骤2：若通过身份标识确定当前时隙属于本卫星节点，对TSN列表进行轮询，循环检测TSN帧逗留时延D；
步骤3：若D>Dnomal，则判断当前正在传输的是否为有线非TSN帧，若是，则令TSN帧抢占非TSN帧资源调度当前数据包，若否，则等待所述有线TSN帧调度结束，再调度当前数据包；
步骤4：若D≤Dnomal，则从TSN列表头部轮询队列出栈操作，每次取数据包的数据量不超过队列字节阈值F；
步骤5：当出队完成后，从更新后的循环列表中删除该出队的队列；
步骤6：当TSN列表为空时，则开始从非TSN列表进行轮询调度，从非TSN列表头部开始轮询队列，首先判断队列的F值是否为负值，若为负值，则重新赋予一个F值，然后跳过该队列，对下一个队列进行出队操作；
步骤7：如果队列的F值为正值，则直接出队列数据包，并从F中减去调度出数据包的字节量，更新该队列剩余数据包的F，并将该队列移动到非TSN列表的尾部，从而完成一次轮询调度返回步骤1；
其中，Dnomal表示正常情况的排队时延。
2.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，所述将卫星内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中包括卫星内部有线侧数据经过TSN交换机到达TSN网关接收端口时，将有线TSN帧转换为802.11无线帧，将VLAN标签中的pcp优先级字段映射到无线TDMA帧的QoS字段，并且将自定义的数据包最大存活依次映射到无线TDMA帧中。
3.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，所述根据无线TDMA帧的目的MAC地址和QoS字段将所述无线TDMA帧存储到对应缓存队列中包括根据无线TDMA帧中的目的地址判断所述数据包所属的目的卫星，根据QoS字段占用的位数确定每个所属的卫星的队列数量；根据QoS值的大小存放到相应的缓存队列中。
4.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，判断所述在缓存队列占用的总存储空间满足全局限制阈值下之前还包括入队管理模块判断当前数据包是否为TSN流，若为TSN流，则获取内核TSF时钟，为数据包打上入队时间戳后入队；若为非TSN流，则直接入队。
5.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，所述按照时间戳反馈机制将非TSN流的数据包进行入队管理之前包括按照无线TDMA帧中QoS值设置出循环列表，包括TSN列表和非TSN列表；将无线TDMA帧中QoS值为特定值的缓存队列放在TSN列表中，将其他缓存队列放在非TSN列表中；检查各个缓存队列占用的总存储空间是否超过全局限制阈值，若没有超过，则对TSN列表和非TSN列表中的缓存队列进行入队操作；若超过所述全局限制阈值；则对非TSN列表中最长的缓存队列进行数据包的丢弃，然后再对TSN列表和非TSN列表中的缓存队列进行入队操作。
6.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，所述队列字节阈值F满足
其中，
为TSN流s在每个发送周期Ti的数据量。
7.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，所述正常情况的排队时延的计算公式表示为：
其中，M为TSN列表中队列数目；
表示TSN流s在每个发送周期Ti的数据量；Ti表示每条TSN流的发送周期；V为无线传输速率；
表示TSN终端di在周期Ti内数据量发送时延。
8.根据权利要求7所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，所述每条TSN流的发送周期与TSN终端di在周期Ti内数据量发送时延的关系包括：
其中，
表示TSN流s在每个发送周期Ti的数据量。
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