CN113630335A - 一种交换以太网数据流控制策略优化选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施例公开了一种交换以太网数据流控制策略优化选择方法，包括以下步骤：S10：对在交换以太网中传输的数据流采用速率约束控制策略；S30：若交换以太网中有相同优先级的数据流传输时，采用先进先出数据流控制策略；S50：若交换以太网中有不同优先级数据流传输时，采用严格优先级数据流控制策略；S70：若需要为低优先级数据流提供相对公平的发送机会，避免其持续等待造成“饥饿”现象，采用基于信用量的整形器控制策略；S90：若交换以太网中某个数据流类型具有严格实时性传输需求时，采用时分多址策略。

Description

一种交换以太网数据流控制策略优化选择方法

技术领域

本发明涉及安全关键性系统通信网络优化设计领域。更具体地，涉及一种交换以太网数据流控制策略优化选择方法。

背景技术

交换以太网具有高带宽和低成本等优势，广泛的应用基础使其具有丰富的商用货架产品技术支持，目前将其改造成为实时控制网络需求倍增。由于交换以太网使用尽力传(Best-Effort)通信策略，传输质量无保障，在安全关键性系统中进行应用时，需要增加相应的实时性保障机制，提供确定性的数据传输服务，保障数据流端到端延迟具有最坏上界。网络演算方法可用于计算数据流的端到端延迟最坏上界：利用到达曲线约束网络节点的输入数据流，利用服务曲线表征网络节点的最小服务能力，到达曲线和服务曲线之间的最大水平距离为此节点的延迟上界，而端到端延迟上界即为数据流所经路径上所有节点的延迟上界之和。

交换以太网由节点和全双工物理链路互连组成，其中，节点包括端系统和交换机，端系统又包括源端系统(简称源端)和目的端系统(简称目的端)。根据IEEE802.1Q标准，每个节点的输出端口支持最多8个优先级队列，数据流类型与优先级分配映射关系：队列0具有最低优先级，映射背景数据流类型；队列1映射尽力传数据流类型；队列2映射极尽力传数据流类型；队列3映射关键性应用数据流类型；队列4映射延迟和抖动低于100ms的视频数据流类型；队列5映射延迟和抖动低于10ms的音频数据流类型；队列6映射互联网络控制数据流类型；队列7具有最高优先级，映射网络控制数据流类型。采用数据流控制策略是交换以太网具备实时性的基础。目前存在多种数据流控制策略，例如速率约束策略、严格优先级(Strict Priority Queuing，SPQ)策略、基于信用量的整形(Credit Based Shaper，CBS)策略以及时分多址策略等。

通常交换以太网根据特殊的定时应用需求定制改造，采用固定的数据流控制策略，且一般限制定义2到3个优先级数据流类型，这就导致具有不同定时需求的多类数据流需要映射为同一优先级，难以保障多优先级类型数据流的具体实时性传输需求。例如：时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet，TTEthernet)定义了3个优先级数据流类型，它在交换以太网的基础上采用时分多址策略，基于时间触发机制，网络中的所有活动基于系统的时钟同步，能保障数据流的确定性传输，但数据流的发送时刻需要依赖离线调度表，且离线调度表设计复杂。除时间触发机制外的另一类改造网络基于事件触发机制，网络开销小，但无法避免数据流争用物理链路引发的延迟干扰，例如航空电子全双工交换以太网(Avionics Full-Duplex Switched Ethernet，AFDX)，它定义了2个优先级数据流类型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交换以太网数据流控制策略优化选择方法，该方法可满足交换以太网中具有不同定时需求的数据流的传输要求，无需限制2个或3个优先级数据流类型，可按需支持最多8个优先级数据流类型，达到网络最优化设计与匹配，实现资源利用最大化，避免浪费。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明公开了一种交换以太网数据流控制策略优化选择方法，包括以下步骤：

S10：对在交换以太网中传输的数据流采用速率约束控制策略；

S30：若交换以太网中有相同优先级的数据流传输时，采用先进先出数据流控制策略；

S50：若交换以太网中有不同优先级数据流传输时，采用严格优先级数据流控制策略；

S70：若需要为低优先级数据流提供相对公平的发送机会，避免其持续等待造成“饥饿”现象，采用基于信用量的整形器控制策略；

S90：若交换以太网中某个数据流类型具有严格实时性传输需求时，采用时分多址策略。

在一个具体实施例中，所述速率约束控制策略包括：规定前后两个数据帧之间的最小时间间隔；

当两个数据帧到达的时间间隔小于所述最小时间间隔时，必须等到到达最小时间间隔时间段，后到达的数据帧才能获得发送；

当两个数据帧之间的时间间隔大于所述最小时间间隔时，则按照数据帧的实际到达的时间进行发送；

每条数据流的使用逻辑带宽为：

其中，l_max为数据流最大帧长，C为交换以太网网络带宽。

在一个具体实施例中，所述先进先出数据流控制策略包括：

先到达交换以太网节点端口的数据流先获得传输，后到达交换以太网节点端口的数据流后获得传输。

在一个具体实施例中，所述严格优先级数据流控制策略包括：

根据到达交换以太网同一节点端口的不同优先级的数据流，其中，

具有高优先级的数据流先获得传输，待高优先级队列中的数据流传输完成后，低优先级数据流获得传输。

在一个具体实施例中，所述基于信用量的整形器控制策略包括：

利用两个参数：空闲斜率和发送斜率实现对数据流的控制，空闲斜率和发送斜率满足以下公式：

idSl_X+sdSl_X＝75％×C

sdSl_X＝idSl_X-C

其中，idSl_X为空闲斜率，sdSl_X为发送斜率，X为不同优先级数据流类型，C为交换以太网网络带宽；

当X缓存队列中有数据帧等待发送，但有低优先级数据帧正在阻塞链路或高优先级数据帧竞争发送时，则X缓存队列对应的信用量按照idSl_X速率增加；当当前队列信用量为负，且链路空闲，则数据帧允许发送；

在X缓存队列中数据帧传输过程中，对应的信用量按照sdSl_X速率减少；当缓存队列中没有继续待发送的数据帧，且当前对应的信用量为负，则信用量按照idSl_X速率增加到0；否则，当缓存队列中没有继续待发送的数据帧，且当前对应的信用量为正，则信用量立刻被置为0。

在一个具体实施例中，所述时分多址策略包括：

S901：当数据流类型具有严格的定时需求，且网络拓扑和交换以太网网络中传输的数据流数目较固定时，则采用基于数据帧方式的时间触发控制策略；

S902：若网络拓扑或交换以太网网络中传输的数据流数目不固定时，则采用基于数据流形式的时间感知整形器控制策略。

在一个具体实施例中，所述基于数据帧方式的时间触发控制策略包括：

按照可满足性模理论算法设计时间触发数据帧的离线调度表，规定交换以太网端系统和交换机的收发时刻，保证端系统交换机收发时刻互不冲突；

当时间触发数据帧与其它类型的数据帧在传输中相遇时，要采取相应的避让策略；

当其它类型数据帧的到达时刻早于时间触发数据帧预先定义的发送时刻时，采用如下避让策略：

S9011：当时间触发数据帧能容忍传输延迟上的稍许变化，则采用洗牌模式控制策略，具体操作如下：

数据帧按照到达时间的先后次序进行传输；

S9012：当时间触发数据帧具有严格的实时要求但不关注交换以太网网络带宽利用率时，则采用及时阻断模式控制策略，具体操作如下：

其它类型数据帧到达输出端口时，利用调度器计算当前时间与时间触发数据帧到达端口之间的差值，如时间差值不足以完成其它类型数据帧的完整传输，则推迟其它类型数据帧的发送，直到时间触发数据帧传输完毕，其它类型数据帧再获得传输；

S9013：当时间触发数据帧具有非常严格的实时性要求并考虑充分利用网络带宽时，则采用抢占模式控制策略，具体操作如下：

时间触发数据帧到来后，将抢占正在传输的其它类型数据帧，待时间触发数据帧传输完毕后，其它类型数据帧重新获得传输。

在一个具体实施例中，基于数据流形式的时间感知整形器控制策略包括：

采用“门”控制策略，确保在某些固定的时间窗口仅有一个数据流类型或一组数据流类型能获得传输，相当于为这种数据流类型专门建立一个保护窗口；

一个门开关对应一个队列，每个门有两种状态：开和关，只有当队列门为开时，相应的数据帧才能进行转发；

门驱动器按照门控列表使得这些门在调度时间内处于开状态，非调度时间内为关状态；

当其它类型的数据帧与被保护的数据帧相遇时，要采取相应的避让策略，具体操作如下：

S9021：当被保护数据流允许适当的延迟、抖动且不关注网络带宽利用率时，则采用非抢占控制策略，具体操作如下：

被保护的数据帧不能抢占其它类型的数据帧，被保护数据帧队列的门打开时，其它类队列的门需要关闭，并且在关闭前引入一个保护带，以此避免其它数据帧对被保护的数据帧造成传输干扰；

S9022：当被保护数据流具有严格的实时性要求并充分考虑带宽利用率时，则采用抢占控制策略，具体操作如下：

被保护的数据帧抢占正在传输的其它类型数据帧，待被保护的数据帧发送完成后其它类型数据帧再恢复传输。

在一个具体实施例中，空闲斜率为端口预留带宽，由系统工程师设计，不小于数据流的使用逻辑带宽。

本发明的有益效果如下：

本发明提出了一种交换以太网数据流控制策略优化选择方法，该方法可满足交换以太网中具有不同定时需求的数据流的传输要求，无需限制2个或3个优先级数据流类型，可按需支持最多8个优先级数据流类型，达到网络最优化设计与匹配，实现资源利用最大化，避免浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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示出本发明一个实施例进行数据流控制策略优化选择的流程图。

图2示出本发明一个实施例网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明可在交换以太网中保障不同数据流类型的定时需求，网络以完成时钟同步为前提，一种交换以太网数据流控制策略优化选择方法，如图1所示，包括以下步骤：

S10：对在交换以太网中传输的数据流采用速率约束控制策略；

为了保证数据流在交换以太网中传输的完整性，避免出现丢包情况，首先对数据流采用速率约束控制策略，控制数据流的突发，平滑数据流注入网络的速度，具体操作为：

规定前后两个数据帧之间的最小时间间隔T；

当两个数据帧到达的时间间隔小于所述最小时间间隔T时，必须等到到达最小时间间隔时间段，后到达的数据帧才能获得发送；

当两个数据帧之间的时间间隔大于所述最小时间间隔时T，则按照数据帧的实际到达的时间进行发送；

每条数据流的使用逻辑带宽为：

其中，l_max为数据流最大帧长，自己设计，不超过1518bytes；C为交换以太网网络带宽。

S30：若交换以太网中有相同优先级的数据流传输时，采用先进先出数据流控制策略，具体操作为：

先到达交换以太网节点端口的数据流先获得传输，后到达交换以太网节点端口的数据流后获得传输。

S50：若交换以太网中有不同优先级数据流传输时，采用严格优先级数据流控制策略，具体操作为：

根据到达交换以太网同一节点端口的不同优先级的数据流，其中，

具有高优先级的数据流先获得传输，待高优先级队列中的数据流传输完成后，低优先级数据流获得传输。

S70：若需要为低优先级数据流提供相对公平的发送机会，避免其持续等待造成“饥饿”现象，则增加一个额外的基于信用量的整形器控制策略，具体操作为：

利用两个参数：空闲斜率和发送斜率实现对数据流的控制，空闲斜率和发送斜率满足以下公式：

idSl_X+sdSl_X＝75％×C

sdSl_X＝idSl_X-C

其中，idSl_X为空闲斜率，sdSl_X为发送斜率，X为不同优先级数据流类型，C为交换以太网网络带宽；

当X缓存队列中有数据帧等待发送，但有低优先级数据帧正在阻塞链路或高优先级数据帧竞争发送时，则X缓存队列对应的信用量按照idSl_X速率增加；当当前队列信用量为负，且链路空闲即高优先级缓存队列中没有待发送的数据帧，且链路上没有低优先级数据帧的阻塞，则数据帧允许发送；

在X缓存队列中数据帧传输过程中，对应的信用量按照sdSl_X速率减少；当缓存队列中没有继续待发送的数据帧，且当前对应的信用量为负，则信用量按照idSl_X速率增加到0；否则，当缓存队列中没有继续待发送的数据帧，且当前对应的信用量为正，则信用量立刻被置为0。

S90：若交换以太网中某个数据流类型具有严格实时性传输需求时，采用时分多址策略，包括：

S901：当数据流类型具有严格的定时需求，且网络拓扑和交换以太网网络中传输的数据流数目较固定时，则采用基于数据帧方式的时间触发控制策略；

S902：若网络拓扑或交换以太网网络中传输的数据流数目不固定时，则采用基于数据流形式的时间感知整形器控制策略。

在一个具体实施例中，所述基于数据帧方式的时间触发控制策略包括：

按照可满足性模理论算法设计时间触发数据帧的离线调度表，规定交换以太网端系统和交换机的收发时刻，保证端系统交换机收发时刻互不冲突；

当时间触发数据帧与其它类型的数据帧在传输中相遇时，要采取相应的避让策略；

当其它类型数据帧的到达时刻早于时间触发数据帧预先定义的发送时刻时，采用如下避让策略：

S9011：当时间触发数据帧能容忍传输延迟上的稍许变化，则采用洗牌模式控制策略，具体操作如下：

数据帧按照到达时间的先后次序进行传输；

S9012：当时间触发数据帧具有严格的实时要求但不关注交换以太网网络带宽利用率时，则采用及时阻断模式控制策略，具体操作如下：

其它类型数据帧到达交换以太网输出端口时，利用交换以太网中时间触发调度器计算当前时间与时间触发数据帧到达端口之间的差值，如时间差值不足以完成其它类型数据帧的完整传输，则推迟其它类型数据帧的发送，直到时间触发数据帧传输完毕，其它类型数据帧再获得传输；

S9013：当时间触发数据帧具有非常严格的实时性要求并考虑充分利用网络带宽时，则采用抢占模式控制策略，具体操作如下：

时间触发数据帧到来后，将抢占正在传输的其它类型数据帧，待时间触发数据帧传输完毕后，其它类型数据帧重新获得传输。

在一个具体实施例中，基于数据流形式的时间感知整形器控制策略包括：

采用“门”控制策略，确保在某些固定的时间窗口仅有一个数据流类型或一组数据流类型能获得传输，相当于为这种数据流类型专门建立一个保护窗口；

一个门开关对应一个队列，每个门有两种状态：开和关，只有当队列门为开时，相应的数据帧才能进行转发；

门驱动器按照门控列表使得这些门在调度时间内处于开状态，非调度时间内为关状态；所述门控列表由系统工程师离线设计。

当其它类型的数据帧与被保护的数据帧相遇时，要采取相应的避让策略，具体操作如下：

S9021：当被保护数据流允许适当的延迟、抖动且不关注网络带宽利用率时，则采用非抢占控制策略，具体操作如下：

被保护的数据帧不能抢占其它类型的数据帧，被保护数据帧队列的门打开时，其它类队列的门需要关闭，并且在关闭前引入一个保护带，保护带的最大长度为一个最大帧的传输时间，以此避免其它数据帧对被保护的数据帧造成传输干扰。

S9022：当被保护数据流具有严格的实时性要求并充分考虑带宽利用率时，则采用抢占控制策略，具体操作如下：

被保护的数据帧抢占正在传输的其它类型数据帧，待被保护的数据帧发送完成后其它类型数据帧再恢复传输。由于被保护的数据帧可以随时抢占其他数据帧的发送，在被保护数据帧队列的门打开时，其它类队列的门无需关闭。

在一个具体实施例中，保护带长度设置为128bytes。

在一个具体实施例中，空闲斜率为端口预留带宽，由系统工程师设计，不小于数据流的使用逻辑带宽。

为使得本发明更加清楚，下边结合一个更具体的实施例进行说明：

本实施例基于matlab(版本号7.13)平台，使用rtctool工具包，按照网络演算方法计算按需设计的数据流控制策略优化选择方法约束的数据流端到端延迟上界。

网络拓扑如图2所示，8个端系统和2个交换机通过物理链路进行互连，网络带宽为100Mb/s，交换机固定技术延迟为16μs。每条数据流的最大帧长l_max为500bytes，2个数据帧之间的最小时间间隔T为4ms。

场景1：数据流v1在交换以太网中传输，只有一个优先级，则采用先进先出FIFO控制策略，得到的端到端延迟结果如表1所示。

表1 FIFO控制策略下的端到端延迟

场景2：在场景1的基础上，数据流v2在交换以太网中传输，与数据流v1在交换机S1输出端口竞争输出，v2的优先级高于v1的优先级，则采用严格优先级SPQ控制策略，得到的端到端延迟结果如表2所示。

表2 FIFO和SPQ控制策略下的端到端延迟

场景3：在场景2的基础上，数据流v3在交换以太网中进行传输，与数据流v2在交换机S2数据端口竞争输出，v3的优先级低于v2的优先级，但需要保障数据流v3具有相对公平的传输机会，则采用SPQ和CBS组合控制策略，端系统e5输出端口v3的空闲斜率为75Mb/s，交换机S2输出端口v2的空闲斜率设为40Mb/s，v3的空闲斜率设为35Mb/s，得到的端到端延迟结果如表3所示。

表3增加CBS控制策略后的端到端延迟

场景4：在场景3的基础上，数据流v4在交换以太网中进行传输，与数据流v3在交换机S2端口竞争输出，v4具有严格确定性传输需求，且充分考虑带宽利用率，故v4中的数据帧采用时间触发控制策略，离线调度表的设计采用可满足性模理论SMT方法，与数据流v3采用抢占模式控制策略。得到的端到端延迟结果如表4所示。

表4时间触发控制策略下的端到端延迟

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种交换以太网数据流控制策略优化选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：对在交换以太网中传输的数据流采用速率约束控制策略；

S30：若交换以太网中有相同优先级的数据流传输时，采用先进先出数据流控制策略；

S50：若交换以太网中有不同优先级数据流传输时，采用严格优先级数据流控制策略；

S70：若需要为低优先级数据流提供相对公平的发送机会，避免其持续等待造成“饥饿”现象，采用基于信用量的整形器控制策略；

S90：若交换以太网中某个数据流类型具有严格实时性传输需求时，采用时分多址策略。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速率约束控制策略包括：

规定前后两个数据帧之间的最小时间间隔；

当两个数据帧到达的时间间隔小于所述最小时间间隔时，必须等到到达最小时间间隔时间段，后到达的数据帧才能获得发送；

当两个数据帧之间的时间间隔大于所述最小时间间隔时，则按照数据帧的实际到达的时间进行发送；

每条数据流的使用逻辑带宽为：

其中，l_max为数据流最大帧长，C为交换以太网网络带宽。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述先进先出数据流控制策略包括：

先到达交换以太网节点端口的数据流先获得传输，后到达交换以太网节点端口的数据流后获得传输。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述严格优先级数据流控制策略包括：

根据到达交换以太网同一节点端口的不同优先级的数据流，其中，

具有高优先级的数据流先获得传输，待高优先级队列中的数据流传输完成后，低优先级数据流获得传输。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于信用量的整形器控制策略包括：

利用两个参数：空闲斜率和发送斜率实现对数据流的控制，空闲斜率和发送斜率满足以下公式：

idSl_X+sdSl_X＝75％×C

sdSl_X＝idSl_X-C

其中，idSl_X为空闲斜率，sdSl_X为发送斜率，C为交换以太网网络带宽，X为不同优先级数据流类型；

当X缓存队列中有数据帧等待发送，但有低优先级数据帧正在阻塞链路或高优先级数据帧竞争发送时，则X缓存队列对应的信用量按照idSl_X速率增加；当当前队列信用量为负，且链路空闲，则数据帧允许发送；

在X缓存队列中的数据帧传输过程中，对应的信用量按照sdSl_X速率减少；当缓存队列中没有继续待发送的数据帧，且当前对应的信用量为负，则信用量按照idSl_X速率增加到0；否则，当缓存队列中没有继续待发送的数据帧，且当前对应的信用量为正，则信用量立刻被置为0。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时分多址策略包括：

S901：当数据流类型具有严格的定时需求，且网络拓扑和交换以太网网络中传输的数据流数目较固定时，则采用基于数据帧方式的时间触发控制策略；

S902：若网络拓扑或交换以太网网络中传输的数据流数目不固定时，则采用基于数据流形式的时间感知整形器控制策略。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于数据帧方式的时间触发控制策略包括：

按照可满足性模理论算法设计时间触发数据帧的离线调度表，规定交换以太网端系统和交换机的收发时刻，保证端系统交换机收发时刻互不冲突；

当时间触发数据帧与其它类型的数据帧在传输中相遇时，要采取相应的避让策略；

当其它类型数据帧的到达时刻早于时间触发数据帧预先定义的发送时刻时，采用如下避让策略：

S9011：当时间触发数据帧能容忍传输延迟上的稍许变化，则采用洗牌模式控制策略，具体操作如下：

数据帧按照到达时间的先后次序进行传输；

S9012：当时间触发数据帧具有严格的实时要求但不关注交换以太网网络带宽利用率时，则采用及时阻断模式控制策略，具体操作如下：

其它类型数据帧到达输出端口时，利用调度器计算当前时间与时间触发数据帧到达端口之间的差值，如时间差值不足以完成其它类型数据帧的完整传输，则推迟其它类型数据帧的发送，直到时间触发数据帧传输完毕，其它类型数据帧再获得传输；

S9013：当时间触发数据帧具有非常严格的实时性要求并考虑充分利用网络带宽时，则采用抢占模式控制策略，具体操作如下：

时间触发数据帧到来后，将抢占正在传输的其它类型数据帧，待时间触发数据帧传输完毕后，其它类型数据帧重新获得传输。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于数据流形式的时间感知整形器控制策略包括：

采用“门”控制策略，确保在某些固定的时间窗口仅有一个数据流类型或一组数据流类型能获得传输，相当于为这种数据流类型专门建立一个保护窗口；

一个门开关对应一个队列，每个门有两种状态：开和关，只有当队列门为开时，相应的数据帧才能进行转发；

门驱动器按照门控列表使得这些门在调度时间内处于开状态，非调度时间内为关状态；

当其它类型的数据帧与被保护的数据帧相遇时，要采取相应的避让策略，具体操作如下：

S9021：当被保护数据流允许适当的延迟、抖动且不关注网络带宽利用率时，则采用非抢占控制策略，具体操作如下：

被保护的数据帧不能抢占其它类型的数据帧，被保护数据帧队列的门打开时，其它类队列的门需要关闭，并且在关闭前引入一个保护带，以此避免其它数据帧对被保护的数据帧造成传输干扰；

S9022：当被保护数据流具有严格的实时性要求并充分考虑带宽利用率时，则采用抢占控制策略，具体操作如下：

被保护的数据帧抢占正在传输的其它类型数据帧，待被保护的数据帧发送完成后其它类型数据帧再恢复传输。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，空闲斜率为端口预留带宽，由系统工程师设计，不小于数据流的使用逻辑带宽。

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