CN113055303B - 一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，属于计算机网络领域，包括以下步骤：通过周期约束条件确定门控调度周期；通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间；通过开关门约束条件确定每条流的开门时间，生成门控调度表并更新；通过门事件约束条件，对满足条件的门事件进行合并，优化门事件数量，提升带宽利用率。本发明能很好地解决多种周期类型流量在同一TSN网络中的调度问题，能够大幅减少调度过程中的门事件数量，提升带宽的利用率。

Description

一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法

技术领域

本发明属于计算机网络领域，涉及一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法。

背景技术

传统的以太网为“尽力而为”网络，连接机制和通信协议都非常简单，广泛应用于网络连接中。自十九世纪七十年代以太网诞生以来，其网速不断提高，但却缺乏对服务质量(Quality of Service,QoS)的保证。为了满足实时通信的需求，现场总线通信(IEEE1394)、过程现场网络(Process Field Network,Profinet)、以太网控制自动化技术(EtherControl Automation Technology,EtherCAT)等技术不断发展。然而这些网络通信技术只是在以太网的基础上针对特定的任务功能进行开发，虽然这些协议能够满足工业控制网络中的实时性和确定性需求，在执行特定任务时拥有很好的性能。但如果与标准以太网结合使用，由于网络带宽通常是由多个设备共享，每一个设备在发送流量时都是尽可能多的发送数据帧，这样不同设备发送的流量在时间上就会产生重叠，即流量碰撞。为了促使这两种网络的融合，时间敏感网络(Time Sensitive Networking,TSN)应运而生。

时间敏感网络作为一种底层网络协议，通过将网络中的数据类型进行划分和分类调度，完美地集成了工业以太网和传统以太网的优点，具备良好的互操作性和开放性，提供了有限的网络延迟和带宽保证。因此，为了保证良好的网络性能，针对时间网络中流量调度算法的研究必不可少。目前时间敏感网络相关标准中对流量调度算法的研究主要集中在对网桥内部流量进行调度，缺乏一种端到端的全局调度方案。

同时工业控制信号多数为周期信号，在循环周期内的指定时间发送。因此在单应用的简单网络架构中，基本IEEE 802.1Qbv的门控调度周期只需与应用的信号发送周期一致，根据控制流量的报文数量和帧字节长度划分适当的时隙即可满足控制要求。但面对控制网络较为复杂，多周期应用的控制场景时，传统的周期划分及调度方法不再适用。若周期划分不当，则无法在每个周期的固定时隙内为其划分时间片，流量在传输过程中势必会造成很大的延迟及流量碰撞。同时IEEE 802.1Qbv中的门控调度队列只定义了8个优先级，当应用类型及数量较多时队列难以分配，而且调度过程中频繁的开关门事件会消耗过多的系统资源，造成带宽浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于时间敏感网络中多种周期应用的门控调度方法，用于多周期应用在时间敏感(TSN)网络中的流量调度，同时提升带宽的利用率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，包括以下步骤：

通过周期约束条件确定门控调度周期；

通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间；

通过开关门约束条件确定每条流的开门时间，生成门控调度表并更新；

通过门事件约束条件，对满足条件的门事件进行合并，优化门事件数量，提升带宽利用率。

进一步，所述通过周期约束条件确定门控调度周期，即对于多种周期类型的实时流量，定义每条流f_i的发送周期为p_i，调度周期H为所有应用周期的最小公倍数：

H＝LCM(p₁,p₂...p_n)

式中，LCM()为最小公倍数求值函数。

进一步，所述通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间，具体包括：

t_i-t_j≥D_(j,s-1)+d_j ^trans+d_j ^proc-D_(i,s)

其中D_(i,s)表示流f_i经过交换机s的网络延迟，d_i ^trans表示流f_i的链路传输延迟，d_k ^proc表示交换机k对数据包的处理延迟，d_(i,k) ^send表示流f_i从交换机k中开始发送到离开交换机的发送延迟；t_i表示流f_i从源设备开始发送数据的时刻，t_j表示流f_j从源设备开始发送数据的时刻，D_(j,s-1)表示流f_j经过交换机s-1的网络延迟，d_j ^trans表示流f_j的链路传输延迟，d_j ^proc表示交换机j对数据包的处理延迟。

进一步，所述通过开关门约束条件确定每条流的开门时间，具体包括：

每一个调度周期内的任一开门时刻由以下约束表示：

k为整数

每一个调度周期内的任一关门时刻由以下约束表示：

k为整数

对应于每一个调度周期内的所有开关门时刻用以下集合表示：

k为整数}

式中，p_i表示流f_i的发送周期，d_i ^send表示流f_i的发送延迟；k表示对应调度周期内的传输时隙，每一个k值表示一个传输时隙。

进一步，所述对满足条件的门事件进行合并，具体包括以下步骤：

在一个调度周期H中，每一条流f_i发送的数据帧个数为

对应每一个数据帧的传输都会有一组开关门操作；一个门事件由一组开关门组成，对于每一个开关门操作，都都一个动作时间θ，对于在同一调度周期内传输的两条流量f_i和f_j，对应的传输时隙分别为：

对于任意的门事件，若存在任意

使得：

T_(j,s,l) ^open-T_(i,s,k) ^close≤2θ

则对两个门事件进行合并，合并前的原传输时隙为：

{(T_(i,s,k) ^open,T_(i,s,k) ^close)(T_(j,s,l) ^open,T_(j,s,l) ^close)}

合并门事件后，传输时隙为：

{(T_(i,s,k) ^open,T_(j,s,l) ^close)}

定义提升的带宽利用率为U，则：

式中，U表示提升的带宽利用率。

本发明的有益效果在于：本发明能很好地解决多种周期类型流量在同一TSN网络中的调度问题，能够大幅减少调度过程中的门事件数量，提升带宽的利用率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为TSN网络模型示意图；

图2为TSN网络延迟示意图；

图3为流量延迟计算示意图；

图4为流量传输约束示意图；

图5为交换机开关门时刻示意图；

图6为调度周期内流f_i所有传输时隙开关门时刻示意图；

图7为开关门示意图；

图8为门事件合并前示意图；

图9为门事件合并后示意图；

图10为算法流程示意图；

图11为调度示例图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

请参阅图1～图11，本方案提出了一种适用于时间敏感网络中多种周期应用的门控调度方法，用于多周期应用在TSN网络中的流量调度，同时提升带宽的利用率。

为了更好的定义TSN分组调度的问题，引入作业车间的调度问题进行分析。对于车间的调度作业可以给出如下描述：给定一组机器和一组作业，每组作业的任务周期不尽相同，其中每一组作业通过一系列的机器操作来完成，而且必须按照给定顺序在机器上逐一执行。每个操作只能由某一台机器执行，并且每个操作需要定义一个执行时间。作业车间的调度是一个具备约束限制的可优化问题，其目的是调度相应机器操作使得某一时刻任何机器上处理的操作任务个数不超过一个。同时所有的作业完成时间共同维护一个时间表，时间表定义了每一个作业完成最后一个操作后的最大完成时间，时间越小表明完成整组作业所花费的时间越少。为了减少作业的完成时间，定义每一台机器在接受到作业任务后需马上执行，即每组作业的操作处理之间不能有时间间隔，将此定义为“不等待”属性。在此约束条件之下就可以根据每个作业的开始时间来进行任务调度。

因此将作业车间调度问题映射为时间敏感网络中的多周期任务调度问题，其核心思想就是将TSN交换机映射为执行操作作业的机器。对于每一条TSN调度流量而言，交换机中的每一个开关门动作即对应着一次转发操作，每个数据帧应该立即转发而不是在交换机中产生多余的排队延迟，这与车间调度作业的“不等待”属性相对应。网络模型如图1所示。

对应于作业任务，将时间敏感网络中的流量定义为F＝{f_i,i∈N}，每一个机器的作业操作对应TSN交换机的转发操作，在TSN网络中，报文的网络延迟包括发送延迟、传输延迟、处理延迟和排队延迟。对于每条流f_i，定义d_(i,s) ^send表示流f_i从交换机s中开始发送到离开交换机的发送延迟，该延迟主要与报文长度有关；d_i ^trans表示链路的传输延迟，主要与传输链路长度有关；d_j ^proc表示交换机j对数据包的处理延迟，交换机多为存储转发模型，处理延迟与交换机性能有关；d_i ^queue表示数据包在交换机中的排队等待延迟。为了简化模型设计，其中d^trans取固定值，延迟示意图如图2所示。

周期约束：

对于多种周期类型的实时流量，定义每条流f_i的发送周期为p_i，调度周期H为所有应用周期的最小公倍数：

H＝LCM(p₁,p₂...p_n) (1)

式中，LCM()——最小公倍数求值函数。

延迟约束：

由于TSN网络具备“不等待”属性，排队延迟d^queue定义为0。因此，对于经过第s个交换机流f_i的网络延迟可以由图3表示。

对应图3可以得出以下约束条件：

式中，s*d_i ^trans——累积的链路传输延迟

——经过前s个交换机累积的处理延迟和交换机发送延迟之和.

定义所有数据包从源发送设备上开始传输的时间为O＝{t₁,t₂...t_n}，因此对于在TSN交换机s中同一出端口的两条流量f_i和f_j不能产生碰撞，其中流f_i先于f_j发送，如图4所示。

根据图4可以得出如下约束条件：

t_i-t_j≥D_(j,s-1)+d_j ^trans+d_j ^proc-D_(i,s) (3)

式中，t_i～t_j——分别表示流f_i和f_j从源设备开始发送数据的时刻；

D_(j,s-1)+d_j ^trans+d_j ^proc——数据包在前一个端口开始传输到进入下一个交换机，经交换机处理后进入出队列等待发送的时间。

以上约束条件可以理解为流f_j数据包的第一个比特在通过交换机s的传输端口之前流f_i数据包的最后一个比特已经在端口传输完毕。

开关门约束：

对于每一个交换机s,在一个调度周期H内流f_i经过s的开门时刻T_(i,s) ^open如图5所示。

根据图5可以得出f_i在一个调度周期内的最早开门时刻T_(i,s) ^open如下：

T_(i,s) ^open＝t_i+(D_(i,s)-d_i ^send) (4)

关门时刻T_(i,s) ^close：

T_(i,s) ^close＝t_i+D_(i,s) (5)

因此，对于一个调度周期H内流f_i在交换机s中最后一个传输时隙的开门时刻可以定义为：

关门时刻：

式中，p_i——流f_i的发送周期

则在一个调度周期内流f_i所有传输时隙的开关门时刻如图6所示。

由图6可知，每一个调度周期内的任一开门时刻可以由以下约束表示：

关门时刻：

因此，对应于每一个调度周期内的所有开关门时刻可以用以下集合表示：

式中，k——对应调度周期内的传输时隙，每一个k值表示一个传输时隙。

门事件约束：

在一个调度周期H中，每一条流f_i发送的数据帧个数为

对应每一个数据帧的传输都会有一组开关门操作。定义一个门事件由一组开关门组成，对于每一个开关门操作，都会都一个动作时间θ，如图7所示。

因此，为了降低系统的资源消耗，提升带宽的利用率，可以对连续传输的多个时隙进行合并，减少门事件数量。对于在同一调度周期内传输的两条流量f_i和f_j，由开关门约束中可知，对应的传输时隙分别为：

对于任意的门事件，若存在任意

使得：

T_(j,s,l) ^open-T_(i,s,k) ^close≤2θ (13)

则可以对两个门事件进行合并，合并前如图8所示。

由图8可知，原传输时隙为：

{(T_(i,s,k) ^open,T_(i,s,k) ^close)(T_(j,s,l) ^open,T_(j,s,l) ^close)} (14)

合并后门事件示意如图9，优化了T_(i,s,k) ^close和T_(j,s,l) ^open两个门操作，提升了带宽的利用率。

合并门事件后，传输时隙为：

{(T_(i,s,k) ^open,T_(j,s,l) ^close)} (15)

定义提升的带宽利用率为U，则：

式中，U——提升的带宽利用率。

如图10所示，根据上述所定义的约束条件，基于多种周期应用的统一调度，算法设计流程如下：

步骤1：对应周期约束条件(1)，确定门控调度周期；

H＝LCM(p₁,p₂...p_n) (1)

步骤2：对应延迟约束条件(2)(3)，确定流量开始发送的时间；

t_i-t_j≥D_(j,s-1)+d_j ^trans+d_j ^proc-D_(i,s) (3)

步骤3：对应开关门约束条件(8)(9)(10)，确定一个调度周期H内流f_i在交换机s中所有传输时隙的开关门时刻，生成门控调度表，其中一个k值对应一个传输时隙；

步骤4：对应门事件约束条件(13)(14)(15)(16)，对满足条件的门事件进行合并，优化门事件数量，提升带宽利用率。

图11为一个调度示例，其中3个应用程序分别为App₁～(p＝4,c＝1)、App₂～(p＝8,c＝2)、App₃～(p＝16,c＝3),其中p表示应用周期，c表示数据帧传输时间。对于第一个网桥设备而言只需要按照算法生成的如下调度表进行门的开关操作即可，其中0表示该时间片的传输门关闭，1表示时间片的传输门开启。对于后续网桥而言，还需考虑到网桥间的传输延迟。生成的时隙调度表，调度周期为16。

Index(i)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
																	Ts	1	1	1	0	1	1	1	1	1	1	1	0	1	0	0	0

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

通过周期约束条件确定门控调度周期；

通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间；所述通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间，具体包括：

t_i-t_j≥D_(j,s-1)+d_j ^trans+d_j ^proc-D_(i,s)

其中D_(i,s)表示流f_i经过交换机s的网络延迟，d_i ^trans表示流f_i的链路传输延迟，d_k ^proc表示交换机k对数据包的处理延迟，d_(i,k) ^send表示流f_i从交换机k中开始发送到离开交换机的发送延迟；t_i表示流f_i从源设备开始发送数据的时刻，t_j表示流f_j从源设备开始发送数据的时刻，D_(j,s-1)表示流f_j经过交换机s-1的网络延迟，d_j ^trans表示流f_j的链路传输延迟，d_j ^proc表示交换机j对数据包的处理延迟；

通过开关门约束条件确定每条流的开门时间，生成门控调度表并更新；所述通过开关门约束条件确定每条流的开门时间，具体包括：

每一个调度周期内的任一开门时刻由以下约束表示：

k为整数

每一个调度周期内的任一关门时刻由以下约束表示：

k为整数

对应于每一个调度周期内的所有开关门时刻用以下集合表示：

式中，p_i表示流f_i的发送周期，d_i ^send表示流f_i的发送延迟；k表示对应调度周期内的传输时隙，每一个k值表示一个传输时隙；

通过门事件约束条件，对满足条件的门事件进行合并，优化门事件数量，提升带宽利用率。

2.根据权利要求1所述的适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，其特征在于：所述通过周期约束条件确定门控调度周期，即对于多种周期类型的实时流量，定义每条流f_i的发送周期为p_i，调度周期H为所有应用周期的最小公倍数：

H＝LCM(p₁,p₂...p_n)

式中，LCM()为最小公倍数求值函数。

3.根据权利要求1所述的适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，其特征在于：所述对满足条件的门事件进行合并，具体包括以下步骤：

在一个调度周期H中，每一条流f_i发送的数据帧个数为

对应每一个数据帧的传输都会有一组开关门操作；一个门事件由一组开关门组成，对于每一个开关门操作，都都一个动作时间θ，对于在同一调度周期内传输的两条流量f_i和f_j，对应的传输时隙分别为：

对于任意的门事件，若存在任意

使得：

T_(j,s,l) ^open-T_(i,s,k) ^close≤2θ

则对两个门事件进行合并，合并前的原传输时隙为：

{(T_(i,s,k) ^open,T_(i,s,k) ^close)(T_(j,s,l) ^open,T_(j,s,l) ^close)}

合并门事件后，传输时隙为：

{(T_(i,s,k) ^open,T_(j,s,l) ^close)}

定义提升的带宽利用率为U，则：

式中，U表示提升的带宽利用率。

Images