CN113300798B - 一种异步终端的传输确定性接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种异步终端的传输确定性接入方法，包含两个机制，一是异步转同步机制，二是时延适配机制，具体包括第一台交换机接收到报文后驻留到最近的发送时间点再发送出去，报文在同步域内根据TSN的时间触发传输机制传输到边缘交换机，边缘交换机将报文再保持一段时间后再发送到接收终端，该延时发送的时间等于数据流的发送周期与所述报文驻留时间的差值，以消除端到端时延的不确定因素。本发明提供的方法，解决了异步终端的数据流在TSN网络中传输时引起的一个调度周期的时延抖动问题，使不参与时间同步的异步终端获得确定性的端到端时延。
Description
技术领域
本发明涉及计算机网络的确定性实时传输技术领域，尤其涉及一种异步终端的传输确定性接入方法。
背景技术
时间敏感网络(Time-Sensitive Networking，简称TSN)由IEEE 802.1TSN Group在2012年提出并标准化，业已成为工业互联网基础设施转型升级的重要研究方向，被学术界和工业界广泛接受。TSN引入时间触发的传输机制(Time-triggered Transmission)调度数据流从发送终端到接收终端沿路由路径上每台设备中的发送时间点，如图1所示，数据流fi在每台设备(包括交换机和终端)中都有发送时间点，比如fi在发送终端v0中的发送时间点为
端到端的时延可以表示为最后一级交换机的发送时间点
减去发送终端的发送时间
再加上最后一级交换机到接收终端的链路时延
即：
数据流传输的确定性依赖于发送时间点的准确性即时间同步的精度。因此，TSN的确定性传输要求全网建立时间同步。
但是在实际应用中，网络设备的提供商(即TSN交换机制造厂商)与终端设备的提供商通常不是同一家；而且同一个应用如列车通信网络、汽车车载网络等，终端设备的提供商繁多，尽管TSN已经标准化了时间同步协议802.1AS，但是由于成本、系统改造等问题，很多终端设备并不支持802.1AS，这些终端设备接入TSN呈现出异步性即终端设备的异步接入。由于它们没有参与时间同步，无法按照同步的精确发送时间点来发送数据流，导致数据流到达第一台交换机时可能错过它的发送时间点，这时需要等待直到下一个发送时间点才能发送，从而引起多达一个调度周期的时延抖动，严重损坏了TSN传输的确定性，这也成为制约TSN在工业界应用推广的关键因素之一。
发明内容
本发明的实施例提供了一种异步终端的传输确定性接入方法，用于解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种异步终端的传输确定性接入方法，包括：
S1同步域的第一台交换机收到发送终端发出的数据流的报文，并记录报文到达时间；
S2同步域的第一台交换机驻留该报文至最近的发送时间点，记录报文发送时间；同步域的第一台交换机通过报文发送时间减去报文到达时间获得报文在第一台交换机的驻留时间，并在报文中写入该报文在第一台交换机的驻留时间，然后发出具有报文在第一台交换机的驻留时间的报文；
S3同步域根据TSN的时间触发传输机制在同步域内进行报文确定性传输，直至报文到达同步域的边缘交换机；
S4同步域的边缘交换机向接收终端进行报文延时发送，该延时发送的时间等于数据流的发送周期与报文驻留时间的差值。
优选地，步骤S1包括：
S11同步域的第一台交换机v1接收到数据流fi的第s个报文；
S12同步域的第一台交换机v1通过设置时间戳记录报文到达时间tarrival。
优选地，步骤S2包括：
S21同步域的第一台交换机v1驻留该第s个报文至最近的发送时间点；
S22同步域的第一台交换机v1通过设置时间戳记录报文发送时间tsent；
S23同步域的第一台交换机v1基于报文到达时间tarrival和报文发送时间tsent通过公式
fi.ts,wait＝tsent-tarrival (1)
计算获得报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait，并向第s个报文写入报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait；
S24同步域的第一台交换机v1发送具有报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait的第s个报文。
优选地，步骤S4包括：
S41同步域的边缘交换机vn-1接收到第s个报文并获得报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait；
S42同步域的边缘交换机vn-1根据公式
fi.ts,hold＝fi.period-fi.ts,wait (2)
计算获得报文在边缘交换机的报文再延时时间fi.ts,hold；式中，fi.period为数据流fi的报文的发送周期；
S43同步域的边缘交换机vn-1根据报文在边缘交换机的发送时间点，在发送时间点到达之后报文再延时时间fi.ts,hold所对应的时间点向接收终端发送第s个报文。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供的一种异步终端的传输确定性接入方法，包含两个机制，一是异步转同步机制，二是时延适配机制，具体包括第一台交换机接收到报文后驻留到最近的发送时间点再发送出去，报文在同步域内根据TSN的时间触发传输机制传输到边缘交换机，边缘交换机将报文再保持一段时间后再发送到接收终端，该延时发送的时间等于数据流的发送周期与所述报文驻留时间的差值，以消除端到端时延的不确定因素。本发明提供的方法，解决了异步终端的数据流在TSN网络中传输时引起的一个调度周期的时延抖动问题，使不参与时间同步的异步终端获得确定性的端到端时延。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为时间触发传输机制的示意图；
图2为本发明提供的一种异步终端的传输确定性接入方法的处理流程图；
图3为本发明提供的一种异步终端的传输确定性接入方法中确定性接入原理图；
图4为本发明提供的一种异步终端的传输确定性接入方法的实施方式示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
参见图2，本发明提供一种异步终端的传输确定性接入方法，包括如下步骤：
S1同步域的第一台交换机收到发送终端发出的数据流的报文，并记录报文到达时间；
S2同步域的第一台交换机驻留该报文至最近的发送时间点，记录报文发送时间；同步域的第一台交换机通过报文发送时间减去报文到达时间获得报文在第一台交换机的驻留时间，并在报文中写入该报文在第一台交换机的驻留时间，然后发出具有报文在第一台交换机的驻留时间的报文；
S3同步域根据TSN的时间触发传输机制在同步域内进行报文确定性传输，直至报文到达同步域的边缘交换机；
S4同步域的边缘交换机向接收终端进行报文延时发送，该延时发送的时间等于数据流的发送周期与所述报文驻留时间的差值。
本发明提供的方法，为了解决针对终端设备的异步接入问题，具有两个机制，一是异步转同步机制，二是时延适配机制，具体过程如下。
a.异步转同步机制：如图3所示，由于终端的异步接入，当数据流fi的第s个报文到达第一台交换机(也是直接链接发送终端的交换机)时记为tarrival,并不一定正好是交换机调度的发送时间点，于是该报文驻留在交换机中直到最近的发送时间点到达才被交换机发送出去，它在交换机中的驻留时间记为fi.ts,wait；由于交换机与TSN的同步域建立了时间同步，因此，报文在被交换机发送出去之后，在整个同步域内的传输都是确定性的。报文在交换机中驻留直到交换机最近的发送时间点才发出，实际上完成了异步转同步的过程。
例如在一些优选实施例中，步骤S1具体包括：
S11同步域的第一台交换机v1接收到数据流fi的第s个报文；
S12同步域的第一台交换机v1通过设置时间戳记录报文到达时间tarrival。
进一步的，步骤S2具体包括：
S21同步域的第一台交换机v1驻留该第s个报文至最近的发送时间点；
S22同步域的第一台交换机v1通过设置时间戳记录报文发送时间tsent；
S23同步域的第一台交换机v1基于报文到达时间tarrival和报文发送时间tsent通过公式
fi.ts,wait＝tsent-tarrival (1)
计算获得报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait，并向第s个报文写入报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait；
S24同步域的第一台交换机v1发送具有报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait的第s个报文。
b.时延适配机制：如图4所示，当报文传输到边缘交换机(也是直接链接接收终端的交换机)时，由于报文在第一台交换机中驻留了时间fi.ts,wait，如果边缘交换机仍在调度的时间点发送报文，则将引起fi.ts,wait的时延抖动；为了消除这个抖动获得确定性的端到端时延，引入时延适配机制，即边缘交换机在调度的时间点并不立刻发送报文，而是再保持一段时间(记为fi.ts,hold)后发送，使得fi.ts,hold满足以下等式，即：
fi.ts,wait+fi.ts,hold＝fi.period。
更进一步的，在一些优选实施例中，步骤S4包括：
S41同步域的边缘交换机vn-1接收到第s个报文并获得报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait；
S42同步域的边缘交换机vn-1根据公式
fi.ts,hold＝fi.period-fi.ts,wait (2)
计算获得报文在边缘交换机的报文再延时时间fi.ts,hold；式中，fi.period为数据流fi的报文的发送周期；
S43同步域的边缘交换机vn-1根据报文在边缘交换机的发送时间点，在发送时间点到达之后报文再延时时间fi.ts,hold所对应的时间点向接收终端发送第s个报文。
综合上述过程，决定数据流fi的第s个报文的端到到端时延
的因素，包括从发送终端发出到第一台交换机的链路时延
报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait、第一台交换机到边缘交换机的传输时延
报文在边缘交换机的报文延时时间fi.ts,hold和从边缘交换机发出到接收终端的链路时延
于是
表示为以下形式：
由上述过程中的公式(2)可知报文在边缘交换机的报文延时时间fi.ts,hold+fi.ts,wait＝fi.period，进一步可以获得：
式中的fi.period为数据流fi的报文的发送周期，它是由应用需求指定的，是一个常量。本发明提供的方法，通过使fi.ts,hold＝fi.period-fi.ts,wait，这样就使得fi.ts,wait+fi.ts,hold总是等于fi.period，又因为fi.period是根据应用的业务需求指定的常量，所以就将决定数据流fi的第s个报文的端到到端时延
的因素都转化为确定量，即异步终端接入的不确定性变成了确定性的端到端时延。
综上所述，本发明提供的一种异步终端的传输确定性接入方法，包含两个机制，一是异步转同步机制，二是时延适配机制，具体包括第一台交换机接收到报文后驻留到最近的发送时间点再发送出去，报文在同步域内根据TSN的时间触发传输机制传输到边缘交换机，边缘交换机将报文再保持一段时间后再发送到接收终端，该延时发送的时间等于数据流的发送周期与所述报文驻留时间的差值，以消除端到端时延的不确定因素。本发明提供的方法，解决了异步终端的数据流在TSN网络中传输时引起的一个调度周期的时延抖动问题，使不参与时间同步的异步终端获得确定性的端到端时延。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种异步终端的传输确定性接入方法，其特征在于，包括：
S1同步域的第一台交换机收到发送终端发出的数据流的报文，并记录报文到达时间；具体包括：
S11同步域的第一台交换机v1接收到数据流fi的第s个报文；
S12同步域的第一台交换机v1通过设置时间戳记录报文到达时间tarrival；
S2同步域的第一台交换机驻留该报文至最近的发送时间点，记录报文发送时间；同步域的第一台交换机通过所述报文发送时间减去所述报文到达时间获得报文在第一台交换机中的驻留时间，并在所述报文中写入该报文在第一台交换机的驻留时间，然后发出具有所述报文在第一台交换机的驻留时间的报文；具体包括：
S21同步域的第一台交换机v1驻留该第s个报文至最近的发送时间点；
S22同步域的第一台交换机v1通过设置时间戳记录报文发送时间tsent；
S23同步域的第一台交换机v1基于所述报文到达时间tarrival和报文发送时间tsent通过公式
fi.ts,wait＝tsent-tarrival (1)
计算获得报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait，并向所述第s个报文写入所述报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait；
S24同步域的第一台交换机v1发送具有所述报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait的第s个报文；
S3同步域根据TSN的时间触发传输机制在同步域内进行报文确定性传输，直至所述报文到达同步域的边缘交换机；
S4同步域的边缘交换机向接收终端进行报文延时发送，该延时发送的时间等于数据流的发送周期与报文驻留时间的差值；具体包括：
S41同步域的边缘交换机vn-1接收到第s个报文并获得报文在第一台交换机的驻留时间fi.ts,wait；
S42同步域的边缘交换机vn-1根据公式
fi.ts,hold＝fi.period-fi.ts,wait (2)
计算获得报文在边缘交换机的报文再延时时间fi.ts,hold；式中，fi.period为数据流fi的报文的发送周期；
S43同步域的边缘交换机vn-1根据报文在边缘交换机中的发送时间点，在发送时间点到达后报文再延时时间fi.ts,hold所对应的时间点向接收终端发送第s个报文。
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