CN114205309B - 一种面向tsn输出接口的帧发送时刻精确计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法,涉及时间敏感网络技术领域,包括以下步骤:预先进行门控状态计算,对于每个到达TSN输出接口的帧,门控状态计算模块根据输入的分组达到信息和Qbv时间门控表确定分组发送的时隙;进行队列状态控制,队列状态控制模块对分组所在队列的资源占用状态进行入队或排空更新操作;进行发送时刻计算。本发明根据Qbv标准建立软件计算模型,结合帧处理过程中在排队,绝对优先级调度算法以及时间门控等方面的约束,对帧发送的精确时间进行快速计算;通过离线计算帧发送时间,为基于单队列构建数据平面帧发送模型提供理论基础,为简化TSN交换机、测试仪和仿真环境的设计实现提供支撑。
Description
技术领域
本发明涉及时间敏感网络技术领域,具体来说,涉及一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法。
背景技术
时间敏感网络(Time-Sensitive Networking, TSN)通过赋予标准以太网时间同步和时间感知调度的能力以提供确定性传输能力,在工业控制、航空航天和高端装备领域具有很高的应用潜力。为了推动TSN技术的标准化和广泛应用,IEEE 802.1工作组在时间同步、流量整形机制、网络管理和可靠性保证等方面发布了一系列标准和草案,其中IEEE802.1Qbv机制是保证关键流量在端系统和交换机上传输延迟保持确定性的核心技术。
IEEE 802.1Qbv定义了时间感知整形机制(Time-Aware Shaper, TAS),其原理是在标准的8个队列输出端设置了8个门控,门控状态为开时表示允许队列输出报文,门控状态为关时表示队列不允许输出报文。门控状态是由门控状态表和当前时间所决定。门控状态表描述的是门控周期内部每个时隙(即时间段)的门控状态,通过循环进行门控状态设置。每条表项定义了每个时隙下每个队列的门控状态,这里每条表项中的时隙长度可以不相同,即每条表项中门控状态的保持时间可以是不等长的。当多个队列的门控状态为开时,输出队列选择算法会根据策略选择特定的队列输出报文,这里输出选择算法通常采用绝对优先级算法(Strict Priority, SP)。队列输入端则根据分组到达信息中携带的内部优先级(Internal Priority Value, IPV)字段选择分组所要进入的队列。门控状态表和分组到达信息都是通过控制平面中的规划工具输出的配置信息确定。
IEEE 802.1Qbv机制是构建TSN交换机、TSN测试仪和TSN仿真网络环境的核心功能。IEEE 802.1Qbv标准中定义的多队列门控整形、输出队列调度等功能中包含大量的配置参数和复杂的状态机。
目前按照标准在硬件实现完整的IEEE 802.1Qbv机制存在设计难度大、计算和存储资源消耗高的问题。采用单队列结构模拟802.1Qbv标准中规定的多队列的时间感知整形方法和绝对优先级调度行为的关键是确定分组的发送顺序和发送时间。ST(ScheduledTraffic)流是TSN应用场景中优先级最高的流量,具有周期性,对延迟确定性和丢包有严格约束。
因此,亟需一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法。
针对相关技术中的问题,目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题,本发明提出一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法,通过设计帧从TSN输出接口发送的精确时间计算,为采用单队列结构模拟802.1Qbv标准中规定的多队列的时间感知整形方法和绝对优先级调度行为提供支撑,以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法,包括以下步骤:
步骤S1,预先进行门控状态计算,其中包括对于每个到达TSN输出接口的帧,门控状态计算模块根据输入的分组达到信息和Qbv时间门控表确定分组发送的时隙;
步骤S2,进行队列状态控制,其中包括队列状态控制模块对分组所在队列的资源占用状态进行入队或排空更新操作;
步骤S3,进行发送时刻计算,其中包括根据队列的当前长度和状态,发送时刻计算模块获取分组在发送时隙内的精确发送时刻。
其中,步骤S1所述预先进行门控状态计算,包括以下步骤:
步骤S101,获取当前到达分组P的到达信息;
步骤S102,获取当前门控打开时隙的起始时刻Ts;
步骤S103,根据分组到达信息中IPV确定入队队列为Qn;
步骤S104,获取分组到达信息中到达时刻Pt,将其与门控周期Gperiod取模,得到Tp = Pt % Gperiod;
步骤S105,判断是否Tp < Ts;若是,则执行步骤S107;若否,则执行步骤S106;
步骤S106,从队列门控表中找到下一条门控为开的起始时刻Ts,再执行步骤S105;
步骤S107,将门控打开时隙起始时刻Ts输出给队列状态控制模块。
其中,步骤S2所述进行队列状态控制,包括以下步骤:
步骤S201,获取分组P到达信息和门控打开时隙起始时刻Ts;
步骤S202,根据分组到达信息中IPV确定入队队列为Qn;
步骤S203,从分组P到达信息中获取分组长度Plen;
步骤S204,从队列状态表中判断Qn中当前门控打开起始时刻是否等于Ts,若是,则执行步骤S205;若否,则执行步骤S206;
步骤S205,从队列状态表中获取当前队列长度Qlen_old,再执行S207;
步骤S206,执行队列排空操作,将队列状态表中Qlen值设置为0,Qlen_old = 0;
步骤S207,将队列状态表中当前门控打开起始时刻设置为Tstart = Ts;
步骤S208,执行入队更新操作,将队列状态表中Qlen值设置为Qlen_new = Qlen_old+Plen;
步骤S209,输出Qlen_new和当前门控打开起始时刻Tstart到所述发送时刻计算模块。
其中,步骤S3所述进行发送时刻计算,包括以下步骤:
步骤S301,获取Qlen_new和当前门控打开起始时刻Tstart;
步骤S302,根据Qlen_new和链路输出速率L计算输出分组所消耗的时间为Tout=Qlen_new/L;
步骤S303,计算分组发送的时刻Tsend = Tstart + Tout;
步骤S304,输出帧发送时刻Tsend。
其中,所述队列状态表,用于维护当前时隙中每个队列中分组已占用的队列长度,所述队列状态表,包括队列ID、当前门控打开起始时刻和当前队列长度。
本发明的有益效果:
1)本发明根据Qbv标准建立软件计算模型,结合帧处理过程中在排队,绝对优先级调度算法以及时间门控等方面的约束,对帧发送的精确时间进行快速计算;
2)本发明通过离线计算帧发送时间,为基于单队列构建数据平面帧发送模型提供理论基础,为简化TSN交换机、测试仪和仿真环境的设计实现提供支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例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是根据本发明实施例的一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法的802.1Qbv机制结构示意图;
图2是根据本发明实施例的一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法的分组发送时刻计算逻辑结构图;
图3是根据本发明实施例的一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法的Qbv队列状态表结构示意图;
图4是根据本发明实施例的一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法的门控状态计算模块流程图;
图5是根据本发明实施例的一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法的队列状态控制模块流程图;
图6是根据本发明实施例的一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法的发送时刻计算模块流程图。
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所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例,提供了一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法。
如图1-图6所示,根据本发明实施例的面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法,包括以下步骤:
本技术方案,预先进行Qbv门控机制标定,包括对Qbv门控机制进行合理约束以简化帧发送时刻计算逻辑,具体的:
1)要求多个ST队列没有优先级,不考虑低优先级队列的干扰;
2)要求在某个ST队列由打开变成关闭时,其中的分组一定可以排空;
3)要求同一时隙内只有一个ST队列门控为开,其余ST队列门控为关;
4)要求同一时隙内门控为开的队列只能输出报文,不能输入报文;同理,门控为关的队列只能输入报文,不能输出报文。
本技术方案,帧发送时间精确计算方法通过控制平面规划工具与数据平面基于单队列的分组输出功能之间的中间转换层。帧发送时刻精确计算方法根据第三方规划工具的规划结果输入计算每个到达帧的精确发送时间,输出的精确发送时间用于基于单队列结构对输出分组进行排序发送。
需要特别说明的是,本技术方案中,对规划工具输入到帧发送时刻计算逻辑的标准数据接口进行标定,包括分组到达信息和Qbv时间门控表:
1)分组到达信息:分组到达信息为Per-packet数据,每个分组都携带一份分组到达信息,主要包括到达时刻、分组长度和内部优先级(IPV)三部分字段。到达时刻为分组进入Qbv队列前的时刻,这里每个分组按照到达时间的先后顺序进入到帧精确时间计算逻辑。分组长度是分组数据的总长度,用于后续计算队列中资源占用状态。IPV用于标识分组要进入的队列编号,这里IPV与队列ID相同。
2)Qbv时间门控表:Qbv时间门控表为规划工具计算的多队列门控信息表,门控表的表项数量由规划工具决定,不同流量下门控表的表项数量可能不同。门控表主要包括队列ID、门控起始时刻和门控状态三部分字段。队列ID表示门控状态对应的队列编号。门控起始时刻表示当前门控状态的起始时刻,下一个门控状态的起始时刻与当前门控状态的起始时刻的差值为当前门控状态保持的时间。门控状态包括打开和关闭两个状态,打开表示当前时刻队列允许输出报文,关闭表示当前时刻队列禁止输出报文。
此外,如图1所示,分组到达时刻为T0,IPV为1(即进入队列Q1),分组长度为64B。Qbv门控时间表中队列Q1在T1时刻开始打开,且T1 > T0。Qbv队列资源占用状态表如图3所示,队列Q1在T1时刻的资源占用状态为1500B。假设链路速率为L,则分组发送时刻Tsend =T1 + 1500/L。队列Q1在T1时刻的资源占用状态最后会更新为1564B。
另外,如图2所示,具体的,面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法,包括以下步骤:
步骤S1,预先进行门控状态计算,其中包括对于每个到达TSN输出接口的帧,门控状态计算模块根据输入的分组达到信息和Qbv时间门控表确定分组发送的时隙;
步骤S2,进行队列状态控制,其中包括队列状态控制模块对分组所在队列的资源占用状态进行入队或排空更新操作;
步骤S3,进行发送时刻计算,其中包括根据队列的当前长度和状态,发送时刻计算模块获取分组在发送时隙内的精确发送时刻。
另外,如图4所示,步骤S1所述预先进行门控状态计算,具体的,门控状态计算模块的输入为分组到达信息和Qbv时间门控表,输出为门控打开的起始时刻。门控状态计算模块的核心逻辑是计算当前分组到达后,最近一次队列门控打开的时间,包括以下步骤:
步骤S101,获取当前到达分组P的到达信息;
步骤S102,获取当前门控打开时隙的起始时刻Ts;
步骤S103,根据分组到达信息中IPV确定入队队列为Qn;
步骤S104,获取分组到达信息中到达时刻Pt,将其与门控周期Gperiod取模,得到Tp = Pt % Gperiod;
步骤S105,判断是否Tp < Ts;若是,则执行步骤S107;若否,则执行步骤S106;
步骤S106,从队列门控表中找到下一条门控为开的起始时刻Ts,再执行步骤S105;
步骤S107,将门控打开时隙起始时刻Ts输出给队列状态控制模块。
另外,如图5所示,步骤S2所述进行队列状态控制,具体的,队列状态控制模块的输入为分组到达信息和门控打开起始时刻,输出为当前队列长度。队列状态控制模块会根据当前分组到达的时机执行分组入队或队列排空操作,以精确获得当前分组到达时的当前队列长度,包括以下步骤:
步骤S201,获取分组P到达信息和门控打开时隙起始时刻Ts;
步骤S202,根据分组到达信息中IPV确定入队队列为Qn;
步骤S203,从分组P到达信息中获取分组长度Plen;
步骤S204,从队列状态表中判断Qn中当前门控打开起始时刻是否等于Ts,若是,则执行步骤S205;若否,则执行步骤S206;
步骤S205,从队列状态表中获取当前队列长度Qlen_old,再执行S207;
步骤S206,执行队列排空操作,将队列状态表中Qlen值设置为0,Qlen_old = 0;
步骤S207,将队列状态表中当前门控打开起始时刻设置为Tstart = Ts;
步骤S208,执行入队更新操作,将队列状态表中Qlen值设置为Qlen_new = Qlen_old+Plen;
步骤S209,输出Qlen_new和当前门控打开起始时刻Tstart到所述发送时刻计算模块。
另外,如图6所示,步骤S3所述进行发送时刻计算,具体的,发送时刻计算模块的输入为当前队列长度,输出为分组发送时刻。发送时刻计算模块会根据链路的输出速率计算分组在门控打开时隙内的精确发送时刻,包括以下步骤:
步骤S301,获取Qlen_new和当前门控打开起始时刻Tstart;
步骤S302,根据Qlen_new和链路输出速率L计算输出分组所消耗的时间为Tout=Qlen_new /L;
步骤S303,计算分组发送的时刻Tsend = Tstart + Tout;
步骤S304,输出帧发送时刻Tsend。
另外,如图3所示,所述队列状态表,维护了当前时隙中每个队列中分组已占用的队列长度,其表项数目等于Qbv中队列数目,表示为8。队列状态表包括队列ID、当前门控打开起始时刻和当前队列长度三部分字段。队列ID表示资源状态对应的队列编号。当前门控打开起始时刻表示当前门控打开时隙区间的起始点。当前门控打开的起始时刻为最新分组到达时刻之后该队列门控打开的时间,该时刻只能确定分组所在的发送时隙。当前队列长度表示当前队列的资源占用长度,用于计算分组在门控打开时间段中的精确发送时间。
综上所述,借助于本发明的上述技术方案,可实现如下效果:
1)本发明根据Qbv标准建立软件计算模型,结合帧处理过程中在排队,绝对优先级调度算法以及时间门控等方面的约束,对帧发送的精确时间进行快速计算;
2)本发明通过离线计算帧发送时间,为基于单队列构建数据平面帧发送模型提供理论基础,为简化TSN交换机、测试仪和仿真环境的设计实现提供支撑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,本领域技术人员在考虑说明书及实施例的公开后,将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是,本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (3)
1.一种面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1,预先进行门控状态计算,其中包括对于每个到达TSN输出接口的帧,门控状态计算模块根据输入的分组达到信息和Qbv时间门控表确定分组发送的时隙;
步骤S2,进行队列状态控制,其中包括队列状态控制模块对分组所在队列的资源占用状态进行入队或排空更新操作;
步骤S3,进行发送时刻计算,其中包括根据队列的当前长度和状态,发送时刻计算模块获取分组在发送时隙内的精确发送时刻,其中;
步骤S2所述进行队列状态控制,包括以下步骤:
步骤S201,获取分组P到达信息和门控打开时隙起始时刻Ts;
步骤S202,根据分组到达信息中IPV确定入队队列为Qn;
步骤S203,从分组P到达信息中获取分组长度Plen;
步骤S204,从队列状态表中判断Qn中当前门控打开起始时刻是否等于Ts,若是,则执行步骤S205;若否,则执行步骤S206;
步骤S205,从队列状态表中获取当前队列长度Qlen_old,再执行S207;
步骤S206,执行队列排空操作,将队列状态表中Qlen值设置为0,Qlen_old = 0;
步骤S207,将队列状态表中当前门控打开起始时刻设置为Tstart = Ts;
步骤S208,执行入队更新操作,将队列状态表中Qlen值设置为Qlen_new = Qlen_old+Plen;
步骤S209,输出Qlen_new和当前门控打开起始时刻Tstart到所述发送时刻计算模块;
步骤S3所述进行发送时刻计算,包括以下步骤:
步骤S301,获取Qlen_new和当前门控打开起始时刻Tstart;
步骤S302,根据Qlen_new和链路输出速率L计算输出分组所消耗的时间为Tout=Qlen_new/L;
步骤S303,计算分组发送的时刻Tsend = Tstart + Tout;
步骤S304,输出帧发送时刻Tsend。
2.根据权利要求1所述的面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法,其特征在于,步骤S1所述预先进行门控状态计算,包括以下步骤:
步骤S101,获取当前到达分组P的到达信息;
步骤S102,获取当前门控打开时隙的起始时刻Ts;
步骤S103,根据分组到达信息中IPV确定入队队列为Qn;
步骤S104,获取分组到达信息中到达时刻Pt,将其与门控周期Gperiod取模,得到Tp =Pt % Gperiod;
步骤S105,判断是否Tp < Ts;若是,则执行步骤S107;若否,则执行步骤S106;
步骤S106,从队列门控表中找到下一条门控为开的起始时刻Ts,再执行步骤S105;
步骤S107,将门控打开时隙起始时刻Ts输出给队列状态控制模块。
3.根据权利要求2所述的面向TSN输出接口的帧发送时刻精确计算方法,其特征在于,所述队列状态表,用于维护当前时隙中每个队列中分组已占用的队列长度,所述队列状态表,包括队列ID、当前门控打开起始时刻和当前队列长度。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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