CN113678414A - 用于tsn网络上的增强可调度性和吞吐量的交换设备、控制设备和对应方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于交换机在时间敏感网络中作为中间节点操作的设备和方法，其中，根据交换机存储的配置，如果在某一时刻待传输的是正确帧，则交换机在该时刻传输该帧。根据配置如果在该时刻待发送的不是正确帧，则交换机在该时刻不传输该帧。本公开还涉及一种用于调度从讲话者节点向收听者节点的数据分组的传输并且向网络中的交换机的子集的每个交换机发送配置的设备和方法，该配置包括关于流的信息和何时从交换机输出该流的时序。

Description

用于TSN网络上的增强可调度性和吞吐量的交换设备、控制设 备和对应方法

技术领域

本公开涉及一种用于调度经由一个或多个中间节点从源到目的地的数据传输的方法和设备，以及一种用于在网络中作为中间节点操作的方法和设备。

背景技术

工业通信和控制网络是用于监测和控制工业环境中的物理设备的互连设备的系统。

(数字)工业通信系统的发展经历了三代，即现场总线技术、基于以太网的解决方案和IEEE 802.1时间敏感网络(TSN)，这是在工业通信和控制网络中促进基于以太网的解决方案的互操作性的开放标准。IEEE 802.1TSN标准的一个主要特征是时分复用(TDM)方法来控制门的打开和关闭，从而提供在同一链路上处理实时和非实时流量的可能性。

配置门(即，时间感知队列)的调度以实现预定的端到端(E2E)网络延迟不是一个简单的问题。最常用的配置TSN网络的方法(最新)是将计算集中在单个实体，即CNC(集中网络控制器)中。一旦计算完成，CNC就使用远程管理在每个交换机(也称为网桥、节点、中间节点或网桥节点)中配置TSN特征(例如，调度流量和循环排队和转发)。数据流经由交换机从对讲机端站或源传输到侦听器端站或目的地，链接到对讲机端站的第一个交换机表示为边缘设备(节点)，并且其他交换机表示为核心设备(节点)。

TSN CNC配置方法以如下方式工作：

步骤1：端站向集中用户配置(CUC)模块注册加入流。CUC向集中网络配置(CNC)模块通知加入流的相关参数(网络周期时间、延迟、抖动要求，例如最大抖动等)。

步骤2：CNC利用某些方案来计算配置参数(例如，用于所调度的流量的门控制列表或门打开列表，指定在网络周期内的哪个时刻哪个门打开)。

步骤3：CNC使用远程管理来发现物理拓扑和检索桥接能力，并且将计算出的参数分发到每个以太网交换机。由于在TSN网络中实施的全局时间同步协议，端站可以根据步骤2中的计算开始发送数据报。

选择计算用于交换机的配置以及对应交换机能力的方案对整个TSN网络的性能有影响。

发明内容

本发明的实施例提供了用于在TSN中有效地对时间关键数据流量进行路由以使得交换机被有效地使用的装置和方法。具体地，一些实施例可以促进减少网络的拥塞。

前述和其他目的通过独立权利要求的主题来实现。从从属权利要求、说明书和附图，进一步的实施形式是显而易见的。

根据第一方面，提供了一种用于在时间敏感网络TSN中作为中间节点操作的交换设备，包括：存储单元，该存储单元存储配置，该配置针对流指示与流有关的帧待被输出的时序；以及处理电路，该处理电路用于接收与流有关的帧，根据配置在当前时刻帧待被传输的情况下，在当前时刻传输帧，否则，在当前时刻不传输帧。例如，处理电路可以用于：基于配置检查是否在当前时刻传输帧，并且仅在这种情况下传输帧。帧可以是流的周期性发生示例。根据此方面的交换设备可以改进TSN中的确定性和容错性，因为可以在从一个网络节点到另一网络节点的每个传输中检查每个帧的时序。此外，在不需要在调度中使用帧隔离约束FIC的情况下，根据此方面的交换设备使得TSN能够容忍帧丢失。

根据第二方面，提供了根据第一方面的交换设备，该交换设备还包括一个或多个输入端口和一个或多个输出端口以及一个或多个队列，其中，处理电路还用于：根据配置，将正由一个或多个输入端口接收的帧存储到一个或多个队列中，并且经由一个或多个输出端口传输帧。根据此方面的交换设备可以提高可以如何调度网络使得及时传输所有帧的可能性的数量。此外，可以增加每时刻可以传输的帧的数量。

根据第三方面，提供一种根据第一或第二方面的交换设备，还包括输入，该输入用于从中央网络配置CNC设备接收待被存储在存储单元中的配置。该输入可以是单独的输入端口或也用于接收从源节点到目的地节点的流的输入端口。处理电路可以用于将所接收的配置存储到存储单元。

从CNC接收配置便于TSN适应各种场景，诸如，添加或去除网络节点，例如交换节点、源节点、目的地节点或流。这种动态配置甚至可以在网络操作期间实现，从而使得能够从可能的故障中恢复。

根据第四方面，提供根据第一、第二或第三方面中任一方面的交换设备，该交换设备接收在配置中未指示时序的帧；并且根据配置，在配置中没有指定的帧待被传输的时刻传输帧。以这种方式，TSN的资源可以被有效地利用。

根据第五方面，提供了一种用于调度经由时间敏感网络TSN中的一个或多个中间节点从源到目的地的流的传输的控制设备，一个或多个中间节点包括中间节点的子集，其中，设备包括：处理电路，该处理电路用于：针对子集的每个中间节点计算配置，该配置针对流指示与流有关的帧从中间节点待被输出的时序；并且将配置输出到子集的一个或多个中间节点。时序可以例如在一个或多个先前帧的持续时间方面隐式地被指示。此种控制设备有助于增加TSN的确定性行为，这可以有助于整个网络的安全和可预测的操作。

根据第六方面，提供了一种根据第五方面的控制设备，其中，配置是针对多个流计算的并且该配置被选择使得使用最少数量的队列。以这种方式，可以优化队列的数量，这有利于网络节点的有效实现和资源的使用。

根据第七方面，提供根据第六方面的控制设备，其中，配置被选择使得如果多个帧被调度以除多个帧被调度成由中间节点待接收的顺序之外的顺序被传输，则不将多个帧存储到中间节点中的同一队列，并且否则，配置能够被选择使得将多个帧存储到同一队列。这种约束可以针对网络节点中的调度提供有效的解决方案，例如，不需要FIC保持。

根据第八方面，提供根据第五到第七方面中任一项的控制设备，其中，处理电路还用于：接收包括源地址和目的地地址以及流的时序的流信息，并且基于所接收的流信息计算配置。

根据第九方面，提供了根据第一至第四方面中任一方面的交换设备或第五至第八方面中任一方面的控制设备，其中，配置包括通过流的源地址和目的地地址或者通过流标识符的值来标识流的流信息。

根据第十方面，提供了根据第一至第四方面中任一方面的交换设备或第五至第九方面中任一方面的控制设备，其中，该配置包括帧被存储在哪个队列中的信息和/或指定帧通过哪个输出端口待被传输的信息。

第十一方面，提供一种第一至第四方面任一方面的交换设备或第五至第十方面任一项的控制设备，帧是MAC帧报头中包括流的源地址和目的地地址的MAC帧。这使得能够利用和增强一些现有网络架构。

根据第十二方面，提供了根据第一至第四方面中任一方面的交换设备或第五至第十一方面中任一方面的控制设备，其中，流是从TSN的一端站到另一端站的周期性数据传输。

根据本发明的一方面，提供了一种在时间敏感网络TSN中作为中间节点操作的方法。该方法包括：存储配置，该配置针对流指示与流有关的帧待被输出的时序；以及接收与流有关的帧。根据配置在当前时刻帧待被传输的情况下，在当前时刻传输帧，并且否则，在当前时刻不传输帧。

该方法还可以包括将由一个或多个输入端口所接收的帧存储到一个或多个队列中并且根据配置经由一个或多个输出端口传输帧的步骤。

根据实施例，该方法还可以包括接收配置并且存储配置的步骤。例如，配置可以从中央网络配置CNC设备接收，存储在交换设备中，并且由交换设备在其进一步操作中应用。

在示例性实现方式中，方法还包括：接收在配置中未指示时序的帧；以及根据配置，在配置中没有指定的帧待被传输的时刻传输帧。

根据一方面，提供了一种用于调度经由时间敏感网络TSN中的一个或多个中间节点从源到目的地的流的传输的方法，一个或多个中间节点包括中间节点的子集。该方法包括：针对子集的每个中间节点计算配置，该配置针对流指示与流有关的帧从中间节点待被输出的时序；以及将配置输出到子集的一个或多个中间节点。

此外，该方法可以包括计算多个流的配置并且选择使得使用最少数量的队列。配置被选择使得如果多个帧被调度以除多个帧被调度由中间节点待接收的顺序之外的顺序被传输，则不将多个帧存储到中间节点中的同一队列，并且否则，配置能够被选择使得将多个帧存储到同一队列。

在一些实施例中，该方法还可以包括接收包括源地址和目的地地址以及用于流的时序的流信息，并且基于所接收的流信息来计算配置。

用于在网络中操作中间节点的方法和/或用于调度流传输的方法可以采用配置，该配置包括通过流的源地址和目的地地址或通过流标识符的值来标识流的流信息。

例如，在一些实现方式中，配置包括帧被存储在哪个队列中的信息和/或指定帧通过哪个输出端口待被传输的信息。

在一些实现方式中，帧是MAC帧报头中的流的源地址和目的地址的MAC帧。本文中，流标识从TSN的一端站到另一端站的周期性数据传输。

以上提及的任何方法可以被实现为软件代码，该软件代码包括实现以上提及的方法步骤的代码指令。软件可以存储在计算机可读介质中。该介质可以是处理器存储器、任何存储介质等。该软件可以用在诸如以上提及的控制设备或交换机的设备中。

在附图和以下说明书中阐述了一个或多个实施例的细节。其他特征、目的和优点从说明书、附图和权利要求中是显而易见的。

附图说明

参考附图更详细地描述本发明的以下实施例，其中：

图1A是示出具有集中管理/配置模型的TSN的示例的概览的框图。

图1B是示出具有使用NETCONF来配置交换机的集中管理的TSN的示例的概览的框图。

图2是示出帧的丢失如何可以导致TSN的后续节点中的非确定性行为和抖动的示例的框图。

图3是示出如何通过在发送帧之前审核每个帧的时序来避免由于帧丢失引起的非确定性行为的示例的框图。

图4是示出定时门的操作的示例的框图。在左侧，当门打开时，两个帧被接收并且两者被传输。在右侧，一个帧丢失，并且门在适当时刻传输第二帧之前等待。

图5是示出用于TSN的交换机的门打开列表或配置的示例的列表。

图6是示出在TSN中使用的交换机的示例的方案的框图。

在下文中，如果没有另外明确说明，相同的参考符号指代相同的或至少功能上等效的特征。

具体实施方式

在以下描述中，参考附图，附图形成本公开的一部分，并且通过说明的方式示出了本发明的实施例的特定方面或可以使用本发明的实施例的特定方面。应当理解，本发明的实施例可以用于其他方面，并且包括图中未描绘的结构或逻辑变化。因此，以下详细描述不应被视为限制性的，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。

例如，应当理解，结合所描述的方法的公开内容还可以适用于被配置为执行方法的对应设备或系统，并且反之亦然。例如，如果描述一个或多个特定方法步骤，则相应的设备可以包括一个或多个单元(例如，功能单元)用于执行所描述的一个或多个方法步骤(例如，一个单元执行一个或多个步骤，或多个单元各自执行多个步骤中的一个或多个)，即使这样的一个或多个单元未在附图中明确描述或示出。另一方面，例如，如果基于一个或多个单元描述特定设备(例如，功能单元)，相应的方法可以包括执行一个或多个单元的功能的一个步骤(例如，执行一个或多个单元的功能的一个步骤，或每个执行多个单元中的一个或多个的功能的多个步骤)，即使这样的一个或多个步骤未在附图中明确描述或示出。进一步，应当理解，除非另有具体说明，否则本文所描述的各种示例性实施例和/或方面的特征可以彼此组合。

时间敏感网络(TSN)典型地用于要求高可靠性和安全性以及低延迟的工业应用(诸如，生产设备和汽车)。图1A示出TSN 100的示例性概述。讲话者节点120和收听者节点140使用TSN进行通信。在该示例中，仅示出一个收听者节点和一个讲话者节点。然而，通常，可以存在多个讲话者节点和收听者节点。

网络中的信息通过由管理节点配置的中间节点传输。中间节点是交换机130、131、132。交换机是一种网络设备，通过使用分组交换来接收、处理数据，并且将数据转发到目的地或收听者设备来将网络上的设备连接起来。交换机可以以不同方式互连。这可以导致从讲话者节点到收听者节点的信息传输的不同可能路径。本实例中的管理节点包括集中用户配置(CUC)115和集中网络配置(CNC)110。如上所描述，CNC执行网络节点的配置。定时配置可以应用于TSN的所有节点或仅应用于交换机。在后一种情况下，连接到讲话者节点的第一交换机(在本示例中为130)必须充当同步门。在该示例中，CUC 115与潜在的讲话者节点和收听者节点进行通信。当讲话者或收听者节点通知CUC需要通过TSN发送数据传输或流时，CUC向集中网络配置(CNC)模块通知加入流的相关参数(网络周期时间、延迟、抖动要求等)。

通常需要周期性地发送与从特定讲话者到特定收听者的流有关的信息。流的每个周期性出现的示例是帧。流可以定义从具有有关要求的讲话者节点到收听者节点发生的周期性数据传输。然后，网络搜索解决方案以保证与向CNC或CUC注册的所有流有关的所有帧的递送及时性。这可以通过CNC来完成。这种解决方案可以被称为针对网络并且特别是针对相应网络实体的配置或调度。当决定用于整个网络的调度时，可以创建用于每个交换机的配置。所有交换机配置一起可以被称为网络的配置。

通常，TSN流量是根据这样的配置来调度的，该配置在与存储在节点中的队列中的流相关的帧待被传输以及它们待被传输到哪个节点时始终针对每个流预定义。在TSN中可以使用不同的方案来将流量映射到队列。例如，流量可以被优先级排序，并且来自每个流量类别的分组可以被映射到相应的队列。

然而，除了向CNC 110或CUC 115注册的流量(调度流量)之外，未调度流量可以通过同一网络传输。通常，调度流量在网络中具有最高优先级，未调度流量只能使用被调度流量未使用的资源。在许多情况下，存在许多不同的可能的路径组合来传输与注册流有关的所有帧，同时满足这些流的所有要求。然而，路径(或可用解决方案)的这些组合可以在不同程度上使用网络资源，将不同程度的网络资源留给未调度流量。即，对于不同的解决方案或网络配置，用于缓冲帧的交换机中的队列数量可能不同。如果调度流量使用较少的队列，则未调度流量可以使用更多的队列。

调度方法可以以集中模式设计，其中，CNC 110是计算配置参数的实体。图1A示出根据本公开的实施例的TSN的总体操作。此处的集中控制被示出为单独的集中用户配置115(CUC)和CNC 110。在该示例中，与TSN的潜在讲话者120和收听者140端站的通信以及潜在地与用户的交互由CUC 115处理。TSN的所有中间节点的配置和与TSN的所有中间节点的通信由CNC 110处理。然而，CUC 115和CNC 110还可以集成在单个设备中。

图1A示出包括用于调度数据分组经由一个或多个中间节点130、131、132从讲话者节点120到收听者节点140的传输的设备110的网络。利用这样的网络，可以实现保证的有界抖动和端到端的E2E延时。

网络中的调度通信通过流的概念来执行。流是从一端站(也标记为讲话者或源)120到另一端站140(也标记为收听者或目的地)的周期性数据传输(帧)。网络可以被建模为图，其中，节点表示交换机和端站(诸如，相机、PLC、传感器、致动器等)，并且边表示节点之间的物理连接(例如，以太网链路)。

例如，在每个调度传输实例处，从调度源120向调度目的地140发送帧。帧可能需要经过若干交换机130、131、132。交换机用于将帧传递到相应配置的输出，并且因此传递到配置的连续节点(例如，另一交换机或目的地节点)。在交换机中，通常存在缓冲器以便补偿潜在的抖动或者使得能够以不同的顺序接收和传输帧。帧可以在入口或出口缓存器处缓存。缓存的帧形成队列。队列通常是先进先出(FIFO)队列，意味着队列中最早的帧是首先输出的。

在汽车和工业领域的实时通信中，确定性行为和保证有界抖动和端到端延迟是期望的。例如用于关键数据流量的确定性可以使用时刻触发调度来实现。

确定性意味着期望帧的位置在网络内的任何时刻是确定性的。

为了实现尽可能接近确定性调度的通信，期望甚至在故障、延迟、丢失分组或其他干扰的情况下，仍然定义网络的行为。为了改进确定性行为，根据一些实施例，每个流的时序被视为调度的一部分。这意味着交换行为和/或CNC计算，将在下面举例说明。

在图1A所示的TSN 100的实例中，设备110包括处理电路，该处理电路用于考虑每个流和每个帧(需要以及时性保证传输)来确定时刻触发调度，针对每个流包含通过TSN的完整路径，即，帧将从中间节点130、131、132中的每一个传输到哪个连续节点的确定时间。尤其是当调度多个流时，该任务并非微不足道。此种调度可以是门打开列表或门控制列表的形式，并且也被称为TSN的节点的配置。

交换机的网络应该能够按照调度执行传输任务。一个帧的传输的问题会干扰在传统TSN中的其他帧的传输。帧可能在其路径上的传输期间丢失或由于基于时间的入口监管(例如，IEEE 802.1Qci)而丢失。这种情况的示例如图2所示。交换机(例如，201、202、203)之间的箭头应理解为时间轴。即，首先传输每个箭头的最左边的帧。当帧213丢失时，可以调度另一帧210_B而不是调度用于传输的帧。即，帧210_B被发送的时间可以早于其预期被发送的时间。在这样的情况下(当帧丢失时)，需要确保没有其他帧早于调度被发送，因为这可能导致后续切换中的其他帧的延迟，并且因此导致非确定性和抖动。在图2的下部分中，帧213丢失。然后，当交换机201打开门根据调度传输帧(在这种情况下，此时应发送帧213)时，它替代地将帧210_B传输至交换机202。结果，交换机202首先接收帧210_B，然后从另一交换机接收帧211_B。例如，如果帧210_B比丢失帧213长，则这导致帧211_B向交换机203的传输的延迟。

在第24届实时网络和系统国际会议记录中，ACM，2016，第183–192页，(在下文中称为[1])，S.S.Cracinas，R.S.Oliver，M.Chmelík和W.Steiner在“IEEE 802.1Qbv时间敏感网络中的调度实时通信”中描述了使TSN对帧丢失鲁棒的可能路径。作者提出一种基于线性整数运算的SMT模型，该模型针对每个帧找到精确的传输偏移，其目的是最小化所使用的队列的数量。本文提出的帧隔离约束(FIC)强制在来自不同流的另一帧可以存储在同一队列中之前必须从队列分派帧。即，同一时刻一个队列中从未存储不同流的帧。因此，当流仅包含一个帧时，从不使用队列中的第二位置。该方法往往需要用于时刻触发流量的更多队列。因此，网络的吞吐量下降。

为了改善网络的确定性行为并且避免必须实施不利的FIC来处理帧丢失或其他中断，根据一个实施例，提供了一种交换设备，用于在时间敏感网络TSN中作为中间节点操作。交换设备可以是图1A中的TSN 100中的交换机130、131、132中的任意一个。这种交换机包括存储单元，该存储单元存储针对流指示与流有关的帧待被输出的时序的配置。存储装置可以是任何种类的存储器，诸如，易失性存储器。然而，本公开不限于任何特定类型的存储装置。配置可以确定与流有关的每个帧何时被传输以及传输到TSN的哪个节点。此外，交换机还包括处理电路，该处理电路用于接收与流有关的帧，并且在根据配置在当前时刻帧待被传输的情况下，在当前时刻传输帧，否则，在当前时刻不传输帧。例如，处理电路可以用于基于存储的配置检查是否在当前时刻传输帧，并且仅在肯定的情况下传输帧。

为了将所接收的帧指派给与配置中所指定的流有关的帧，交换设备可以读出帧的源和目的地，并且将其与配置中所指定的源和目的地进行比较。源和目的地可以在帧报头中被标识。替代地，每个流可以具有分配的ID，并且每个帧可以携带该ID。在流ID与特定源和目的地相关联的网络架构中，流ID可以在帧报头或主体而不是源和目的地中用信号发送。然而，本公开不限于这样的架构。原则上，除了源和目的地之外，还可以在帧中携带流ID。源和目的地可以任何方式在帧中指示。可以是交换机标识的节点的标识符，也可以是直接的节点地址。例如，帧可以是介质接入控制(MAC)帧。在这种情况下，源和目的地可以被指示为相应的源节点和目的地节点的MAC地址。

此外，由于与同一流有关的帧可能具有某些类似的特征，因此交换设备也可能基于这些特征来标识帧。交换设备可以使用神经网络来标识帧或任何其他标识帧的方式，例如，基于条件。

处理电路可以是任何硬件和/或软件，包括专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或任何种类的计时(即，同步)信号处理电路中的一个或多个。

通过部署仅在某个流的配置的定时上传输帧的一个或多个交换机，网络100的确定性行为得到改善。对于帧传输中的任何潜在干扰都是如此。

具体地，根据本实施例的具有交换机的网络在不需要实现FIC的情况下针对单个帧的丢失或大抖动具有更强的鲁棒性。这可能意味着当单个帧被网络丢失或丢弃时，这不影响其他帧或流的传输的及时性。

在图3和图4中进一步例示用于多个流(帧)的操作。这样的操作可以例如由图1所示的一个或多个交换机130、131和132来实现。交换机130、131或132(以及到连续节点的链路)保持空闲，直到帧210_C被调度待被发送的正确时间。帧213的丢失不会导致210_C比调度更早地发送，并且因此，及时性保证得以维持，并且在计划时间发送帧210_C和211_C。

这种方法使得有可能放弃在[1]中提出的调度约束。下面将详细讨论关于在门打开事件期间施加空闲的新的调度约束和机制的细节。所提出的解决方案提供更多可调度的实例、更高的网络吞吐量以及潜在的标准化价值。

如果使用根据本实施例的交换机，则可以避免帧隔离约束(FIC)。在该实施例中，交换机(例如，130、131和/或132)检查它们是否将要根据它们各自的预定或预配置的调度发送正确帧。如果存在不根据调度待发送的帧，则交换机将是空闲的，而不是发送不同于预期的帧。

例如，这可以通过在网络处理器(NP)中包括附加查找表来实现，从而允许(缓冲的)帧和计算的调度(即，门打开示例)之间的更精细的粒度检查。查找表可以存储流或帧的标识以及指示何时传输帧的时序。

图2和图3中的示例示出了在一个门打开示例期间通过调度器计算的正确传输顺序缓冲在相同队列中的两个帧213(来自流1的帧)和210、210_B或210_C(来自流2的帧)。利用用于交换机设备的现有TSN兼容芯片组(产生如图2所示的数据流)，来自相关队列的帧将在门打开窗口期间被调度(例如，被传输到下一节点)，而不管它是否是待发送的正确帧。利用本公开中所示的附加检查操作，交换机将检查在特定时刻点正确帧是否被缓存并且从队列中调度(图3)。如果假定待调度的帧(比如213)在某个时刻点丢失并且该帧不是缓存器中的HOL(线头)分组，则交换机将不调度队列中的HOL帧(在该实例中为210、210_B或210_C)(其保持空闲)，直到针对210计算的正确传输时间接近(图3，该图的下部分)。其及时性也在图4中详细阐述。这里，示出一个队列。如果帧213丢失，则传输帧210_C的门保持空闲直到正确的传输时刻。

图6中将根据实施例的用于在TSN 100中作为中间节点操作的示例性交换设备(对应于图1中的设备130、131、132)示为交换设备600。交换设备600包括存储单元，其中，该交换设备在存储单元中存储确定与每个流(未示出)有关的帧的时序的配置。该配置可以确定与流有关的每个帧何时待传输以及传输到TSN的哪个节点，或者换句话说，传输到哪个出口端口(例如，690)。

交换设备600在其入口端口610中从TSN的另一节点接收帧，并且存储该帧。交换功能620将帧引导至相应的出口端口。流量分类器625可以将帧分发到出口端口690的相关队列631至63N。该分发可以基于分类标准，如报头的优先级代码点。在另一实施例中，流量分类器可以基于从CNC接收的配置来选择帧待被发送到哪个队列。为此，配置可以包含确定帧待存储到哪个出口队列的附加信息。

每个队列具有定时门641至64N。在根据本公开的交换机的不同示例中，交换机可以具有由硬件或软件设计给定的每个端口的预定数量的出口队列(例如，8个)以及任何预定数量的入口和出口端口。在图6中所示的示例性交换设备中，标识每一出口队列中的每一线头帧。

在某一时刻打开门之前，交换机使用从CNC接收的配置来确定线头帧(意味着在FIFO队列中第一待输出的帧)是否是被调度在某一时刻待发送的帧。如果线头帧不是某一时刻待发送的正确帧，则某一时刻不打开门并且没有帧从该队列被传输。然而，可以传输来自具有较低优先级的另一队列的帧。

在交换设备600打开存储帧的队列的门以在队列的报头传输帧之前，它可以检查队列报头帧是否是某一时刻待发送的正确帧。在配置中指定的时刻到来之前，不传输每个帧。

在另一实施例中，如上所描述，交换设备还可以处理未确定性地调度的数据流量。换句话说，如果使用门控制机制，则它可以规定通过被分配给其他数据的任何优先级。在这样的情况下，调度流量可能总是具有优于非调度流量的关于传输的优先级。非调度流量可能彼此干扰，但不干扰调度流。在交换机的一些实现中，一些队列可能不可用于调度流量但是可用于未调度流量。

在一个实施例中，交换设备从集中网络配置CNC接收配置。处理电路可以用于将所接收的配置存储到存储单元。

图1B示出CNC 110_B和TSN 100_B的交换机(例如，131_B)的实例，其使用用于由CNC重新配置交换机的网络配置协议(NETCONF)。NETCONF是IETF开发和标准化的网络管理协议。NETCONF提供机制以安装、操纵和删除网络设备的配置。

根据实施例的用于TSN的交换机的配置与其他TSN的配置的不同之处在于其包含了附加条目。这些条目使交换机能够标识帧并且分配每个帧待发送的时刻。此外，如上所描述，不需要帧隔离约束作为定义由TSN可以选择哪些TSN的配置的约束中的一个。因此，CNC从不受FIC约束的配置集合中选择最佳配置，并且CNC创建使交换机能够检查帧时序的配置。

对于具有待被调度的特定流集合的特定TSN，针对时刻触发调度通常存在多个解决方案以满足所有流的要求。如上所描述，在一些实施例中，可能存在不需要通过相同网络传输的确定性调度的次要通信。这是从用于时刻触发调度的多个解决方案中选择使用中间节点的最小容量的解决方案的一个原因。然而，注意，网络不必允许除确定性调度的通信之外的通信。本公开适用于这两种情形中的任一者。

在一些实施例中，选择使用由确定性调度的流量使用的最少数量的队列的解决方案。这可能是对于非调度流量的高吞吐量关键的交换机中使用的队列的最小数量，或者所有交换机中使用队列的累积总和最小的解决方案。然而，代替所使用的队列的累积和，CNC可以例如最小化每个交换机所使用的队列的平方数或队列的均方根数或队列数的任何其他函数或度量的总和。每个交换机的队列的最小和最大数量可能存在一些附加约束。

根据实施例，用于调度经由TSN中的一个或多个中间节点从源到目的地的流的传输的控制设备或中央网络配置(CNC)包括处理电路，该处理电路用于确定(例如，计算)有助于传输的每个中间节点用于指示流的时序的配置，在该时序中，与流相关的帧将从中间节点输出。配置可以进一步指示出口端口、门ID和用于抢占的指示符。时序可以例如在一个或多个先前帧的持续时间方面隐式地被指示。

处理电路可以是任何数据处理硬件或硬件和软件的组合。硬件可以包含例如一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器、或其他处理模块。在一个实施例中，处理电路包括一个或多个处理器以及包含程序代码的存储器，该程序代码可以由一个或多个处理器读取和执行以执行在本文所描述的操作。

图5示出包含从CNC传输到TSN中的节点的配置或门打开列表的信息的示例列表。这里示出的列表的左侧包含也可以在一些常规TSN中使用的条目。在此实例中，列503指定帧发送到的端口(接口)。在列505中，指定在表的相应行中指示的门打开示例。在列507中，在相应行中指定门开口的抢占(对应于优先级)。列509指示门打开事件的时序。在此实例中，每个门打开的时序(持续时间)以纳秒给出。在此实例中，每行上方的门打开事件的所有持续时间确定在一个网络周期内的相应门打开的时序。列511指示将根据相应行被打开的门。具体地，门4待被打开100微秒，然后门8待被打开100微秒等。在循环结束时，门1号待被打开500微秒。

在图5的右侧示出根据上述实施例便于使用TSN的信息。列512包含用于标识哪个帧将在相应的打开示例中待被传输的信息。在此实例中，给出了流ID。例如，门4针对具有标识符f1的流打开100微秒。然后，门8对于具有标识符f3等的流打开100微秒。

注意，一个门打开不一定意味着单个帧的传输。可选地，可以指定用于流的附加传输时间513，并且在存储在与表的相应行中指定的门有关的队列中的潜在地与不同流有关的若干帧将在同一门打开实例中传输的情况下，可以添加包含流ID 514和相应传输时间515的更多条目。尽管在此图片中列出了最多两个流ID(f5和f7)和对应的传输时间(600和800)，但是可以存在任意数量的具有对应的传输时间的流ID。

在其他实施例中，图5所示的配置表可以更小。代替用描述条目(504、506、508、510)和对应值(503、505、507、509、511)来指定表的每个条目，定义固定次序和值的存在可能是足够的。换句话说，如果预先在CNC与交换设备之间约定格式，则可以完全省略列的指定符。

通常，图5中示出的配置的格式仅是示例性的。门打开列表(配置)可以由定义通过网络管理协议发送的数据的YANG模型来构建。换句话说，YANG模型指定携带例如从CNC提供给交换机的配置的控制数据的结构元素。一些示例性结构元件是输出端口、优先级等。如上所描述，定义一个或多个流ID和对应时序的YANG模型中的附加结构元素导致配置中的对应元素。注意，新的条目可以被添加到在TSN中使用的不同建立的YANG模型。待使用的特定格式可以取决于网络的实际部署、大小和约束。例如，抢占/优先级可能不是必要的。可以添加一些进一步的参数。门打开列表也可以以不同的方式被编码，其中包括指定流的传输顺序以及它们在计算的门打开示例期间的传输时间的两个附加列。附加条目与常规门打开列表兼容。在无需门打开列表中的附加条目的情况下，交换设备还可以用作常规TSN中的交换设备。

此外，CNC设备的处理电路可以用于向TSN中的节点传输配置，该节点是交换机和/或源/目的地节点。TSN中可以存在若干交换机，并且处理电路可以用于向每个或一些交换机提供配置并且执行每个或边缘节点中的一些。多个流可以在CNC处注册。在这种情况下，当计算配置以实现高确定性调度时，要考虑所有注册流。

当针对多个流计算用于TSN的中间节点的配置时，可以选择这些配置以使得使用最少数量的队列(631到634)。然而，本公开不限于这种成本函数，在采用其他成本优化的情况下可以选择配置；例如，最小化每个交换机的队列的平均数量，或者最小化或最大化队列的其他度量或函数。限制队列的数量可以促进更高效的交换机实现和更有效的交换机操作。

TSN的配置可以是TSN的交换机的单独配置的总和。换句话说，CNC针对TSN网络中的每个交换设备来计算确定性调度。TSN的可用配置是满足所有注册流的所有要求的配置。可用配置可以由CNC通过检查与流的要求和网络的物理约束相关的某些约束是否被满足来确定。如上所描述，在根据[1]的TSN中，应用帧隔离约束(FIC)。这意味着任何属于不同流的两个帧都不会被存储到TSN中的同一队列中。

φ...链路(v_a，v_b)上的流si的帧

的传输偏移

p...存储链路(v_a，v_b)上的流si的队列

帧隔离约束

这里，(v_a，v_b).d表示链路的延迟(v_a，v_b)。

是网络中的链路集。

表示所有流的集合，并且

表示通过链路(v_a，v_b)进行路由的所有流的集合。

FIC确保如果一个流的帧丢失或省略，则不在其位置中传输与不同流有关的帧。然而，在根据本公开的TSN中，不再需要满足FIC。这是因为TSN使用根据本文所描述的实施例的交换机，标识每个流并且因此标识帧，并且检查其是否是在给定时刻从相应队列分派的正确帧。

然而，在根据本公开的TSN的实例中添加队列顺序约束(QOC)来约束可以发送到交换机的可用配置，以便确保以与帧已被入队的顺序相同的顺序从(FIFO)队列分派帧。然后FIC被以下队列顺序约束替代。

队列顺序约束

其中，语法与上文所示的FIC的语法相同。进一步地，(v_x，v_a).c表示链路的速度(v_x，v_a)。流S_i的有效载荷用si.pl表示。

若干其他约束中的一个或全部可能必须由可以由CNC选择的配置满足。这些约束条件的一个可以是帧约束，其确保在路由路径的第一链路上传输帧不能在来自讲话者节点的释放时间之前开始，并且必须在最后链路上在最终期限之前完成。

另一约束可以是链路约束，其确保来自交换机的帧的传输仅可以在帧被完全递送到交换机并且由交换机处理之后开始。

进一步的约束可以是队列使用边界约束。该约束确保针对每个流的每个出口端口上的队列的正确分配。这可以确保将调度帧存储到可用于调度流量的队列。

在根据实施例的CNC的实现方式中，CNC接收关于流的源和目的地的信息和关于流的要求(例如，关于定时、优先级等)的信息，并且基于以上提及的一些或所有约束来计算针对所涉及的每个交换机的配置。

应当注意，通常，本公开不限于从CNC接收配置的交换机。通过将使用特定工具设计的配置或在设计TSN时预先计算的配置存储在其中，可以手动配置交换机。然而，具体地，针对一些较大的网络，不仅支持初始配置而且支持重新配置可能是有利的。例如，当添加新的源或目的地节点时和/或当添加现有源与目的地之间的新流时，重新配置可以发生。在这种情况下，可以针对TSN网络的所有相应节点计算新的配置。根据实施，可以在TSN网络的操作期间或者在离线状态下执行计算和重新配置。TNS的操作期间的重新配置可以通过向每个节点提供新配置以及从其采用新配置(调度)的时刻实例(例如，在网络周期标识方面)来执行。然而，本公开不限于任何特定的重新配置方法。采用新配置的时刻实例也可以相对于CNC已提供新配置的循环是固定的。

配置可以包括通过源地址和目的地地址或通过流标识符的值来标识流的流信息。如图5所示，流ID(f1，f2，…，f7)可以与用于打开对应帧的对应门的时序以及可选地与进一步的特征(诸如，帧的优先级、输出端口等)相关联地显式地提供。交换机可以使用将每个帧与交换机中的门(其可以对应于队列)相关联的配置来在接收帧时将帧存储到对应队列。本公开不限于该配置的任何特定格式。如上所描述，可以通过指定流的源和目的地(以及可能的优先级)来显式地或隐式地标识流。

在一些实现中，如上所描述，帧是包括MAC帧报头中的流的源地址和目的地地址的MAC帧。然而，即使MAC报头已携带源和目的地地址，在一些实现方式中，在MAC报头中或在MAC有效载荷中另外指定流ID可能是有利的。例如，如果相同的源和目的地经由多个流进行通信，则流ID可以是有用的。然后，流ID可以在TSN内的流中是唯一的，这可以提供更简单的实现和配置。替代地，流针对同一源和目的地可以是唯一的。

流是从TSN的一端站到另一端站的周期性数据传输。周期性可以由网络周期给出。

Claims (15)

1.一种用于在时间敏感网络TSN(100)中作为中间节点操作的交换设备(600)，包括：

存储单元，所述存储单元存储配置(500)，所述配置针对流指示与所述流有关的帧待被输出的时序；以及

处理电路，所述处理电路用于：

接收与所述流有关的帧，

根据所述配置(500)在当前时刻所述帧待被传输的情况下，在所述当前时刻传输所述帧，否则，在所述当前时刻不传输所述帧。

2.根据权利要求1所述的交换设备(600)，还包括：

一个或多个输入端口(610、611、612)和一个或多个输出端口(690)以及一个或多个队列(631，...，63N)，其中，

所述处理电路还用于：

根据所述配置(500)，将正由所述一个或多个输入端口(610、611、612)接收的所述帧存储到所述一个或多个队列(631，…，63N)中，并且经由所述一个或多个输出端口(690)传输所述帧。

3.根据权利要求1或2所述的交换设备(600)，还包括：

输入，所述输入用于从中央网络配置CNC设备接收待被存储在所述存储单元中的所述配置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的交换设备(600)，其中，所述处理电路还用于：

接收在所述配置中未指示时序的帧；并且

根据所述配置，在所述配置中没有指定的帧待被传输的时刻传输所述帧。

5.一种用于调度经由时间敏感网络TSN(100)中的一个或多个中间节点(130、131、132)从源(120)到目的地(140)的流的传输的控制设备(110)，所述一个或多个中间节点(130、131、132)包括中间节点的子集，其中，所述设备包括：

处理电路，所述处理电路用于：

针对所述子集的每个中间节点计算配置(500)，所述配置针对所述流指示与所述流有关的帧从所述中间节点待被输出的时序；

将所述配置(500)输出到所述子集的所述一个或多个中间节点。

6.根据权利要求5所述的控制设备(110)，

其中，所述配置是针对多个流计算的，并且所述配置被选择使得使用最少数量的队列。

7.根据权利要求6所述的控制设备(110)，其中，

所述配置被选择使得如果多个帧被调度以除所述多个帧被调度成由所述中间节点待接收的顺序之外的顺序被传输，则不将所述多个帧存储到所述中间节点中的同一队列，并且

否则，所述配置能够被选择使得将所述多个帧存储到同一队列。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的控制设备(110)，其中，所述处理电路还用于：

接收流信息，所述流信息包括所述源地址，所述目的地地址以及用于所述流的所述时序，并且

基于接收的所述流信息计算所述配置(500)。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的交换设备(600)或根据权利要求5至8中任一项所述的控制设备(110)，其中，

所述配置(500)包括流信息，所述流信息通过所述流的源地址和目的地地址或者通过流标识符的值来标识所述流。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的交换设备(600)或根据权利要求5至9中任一项所述的控制设备(110)，其中，

所述配置(500)包括所述帧被存储在哪个队列(631，...，63N)中的信息和/或指定所述帧通过哪个输出端口(690)待被传输的信息。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的交换设备(600)或根据权利要求5至10中任一项所述的控制设备(110)，其中，

所述帧是MAC帧，所述MAC帧的MAC帧报头中包括所述流的源地址和目的地地址。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的交换设备(600)或根据权利要求5至11中任一项所述的控制设备(110)，其中，

所述流是从所述TSN的一端站到另一端站的周期性数据传输。

13.一种用于在时间敏感网络TSN中作为中间节点操作的方法，所述方法包括：

存储配置，所述配置针对流指示与所述流有关的帧待被输出的时序；以及

接收与所述流有关的帧，

根据所述配置在当前时刻所述帧待被传输的情况下，在所述当前时刻传输所述帧，否则，在所述当前时刻不传输所述帧。

14.一种用于调度经由时间敏感网络TSN中的一个或多个中间节点从源到目的地的流的传输的方法，所述一个或多个中间节点包括中间节点的子集，其中，所述方法包括：

针对所述子集的每个中间节点计算配置，所述配置针对所述流指示与所述流有关的帧从所述中间节点待被输出的时序；

将所述配置输出到所述子集的所述一个或多个中间节点。

15.一种存储程序代码的非暂时性计算机可读介质，当所述程序代码由控制设备(110)运行时，使得所述控制设备(110)执行如权利要求14所述的方法。

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