CN114285515A - 实现任意tsn时窗周期的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实现任意TSN时窗周期的方法和装置，该方法包括：构建至少两个时间窗口，所述至少两个时间窗口包括工作窗口和预备窗口；通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口；通过定期扫描门控列表来执行窗口滑动，以更新预备窗口左右边界，同时将预备窗口变为工作窗口。本发明以低成本方式解决了大规模门控管理下高精度任意TSN周期数据的时窗的实现方法，让TSN通信设备支持数据频率更广泛的终端设备。
Description
技术领域
本发明涉及以太网时间敏感网络TSN实现领域，尤其涉及一种实现任意TSN时窗周期的方法和装置。
背景技术
IEEE 802.1TSN任务组定义了时间敏感网络，通过一套协议规范构建超低时延和抖动、高可靠的确定性网络。其中在802.1AS时间同步的基础上，802.1Qci、802.1Qbv等协议规范通过仿真时分复用(TDM)来实现时间确定性功能及周期性数据非周期性数据同时传输的功能。
802.1Qbv主要完成出方向队列门控逻辑，在预先设置的时窗内将周期性的时间敏感数据从队列中发送出去，而802.1Qci除完成流过滤及发送队列选择外，还需完成对时间敏感数据时窗的判定检查与保护，如是否有非时间敏感数据占用时间敏感数据时窗，非敏感数据的时窗内最后一帧数据是否应该发送等，802.1Qci主要完成了入方向的时窗门控逻辑。图1是一个具有两路周期性信号S1和S2和非周期数据的场景，其中，S1的频率是S2的2倍，tbase为周期信号开始的基准时间，ds1为信号S1的传输窗口时长，ds2为信号S2的传输窗口时长，ti为第i个传输周期的起始时间，Ti为第i个传输周期。
若信号S2的周期为250us，频率为4KHz，则信号S1的周期为125us，频率为8KHz，如上图T0，T1，T3…Tn的时长为125us，若信号S2的周期长度为100us，频率为10KHz，则信号S1的周期为50us，频率为20KHz，则上图T0，T1，T3…Tn的时长为50us。
无论是在入方向的判定数据是否落在指定的时窗内，还是出方向在指定的周期时窗内将数据发送出去，都需要维护一个计时器，如果有多条流(多条信号流)就需要多个计时器，来计算周期及各个传输窗口的起止时间。通常在具体实现计时器时会先确定一个计时器粒度，比如10us、5us或1us，可视为计时器的Tick，即计时器每跳动一次时间增加一个Tick的长度dTick，这样就可以计算出时窗和周期的起止时间，比如第i个周期Ti的开始时间为
ti＝tbase+i*T
假如T为n个dTick,则上述计算为
ti＝tbase+i*(n*dTick)
同理如上图信号S1的第i个传输时窗的结束时间为(假如传输时窗的时长为k个tick)
tsi＝tbase+i*T+k*dTick＝tbase+i*(n*dTick)+k*dTick
即通过若干个Tick来确定时窗或周期的起止时间。这样可以通过Tick数来确定一个时窗或周期的计时器是否到期，从而更新窗口内容。
以上现有的技术因为计时器粒度的存在，计时器存在一个精度问题，从而在使用上或设计上有一定的限制，比如若计时器粒度dTick为5us，根据以上计算过程，传输窗口和循环周期的时长都必须5us的倍数，比如5us，10us,125us,250us等，若计时器的粒度更小，比如1us，可以实现任意整数个微妙的窗口或周期时长，但是更小的粒度需要花费更高的成本，无论粒度多小，计时器的精度问题总是存在的。
在工业领域或其他相关领域，一些设备可能具有数倍于8KHz的采样或传输频率，比如16KHz或32KHz等，16KHz对应的周期为62.5us，32KHz对应的周期为31.25us。对于类似0.25us这样的精度，特别在实现大规模计时器时，简单的采用上述方法已经不能精确实现这类窗口或循环周期时长。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种实现任意TSN时窗周期的方法和装置，本发明可以通过低成本的方式，实现大规模的任意时长的传输窗口或循环周期的精确管理，也即可以用于实现任意频率周期数据的传输，时窗或周期的精度可以达到主频的级别，而不局限于计时器的粒度。比如在250MHz的主频下，时窗或周期的精度可以达到4ns，可以满足更多场景的需要。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种实现任意TSN时窗周期的方法，其包括：构建至少两个时间窗口，所述至少两个时间窗口包括工作窗口和预备窗口；通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口；通过定期扫描门控列表来执行窗口滑动，以更新预备窗口左右边界，同时将预备窗口变为工作窗口。
在进一步的技术方案中，在定期扫描门控列表时，针对每个门控，如果当前时间CurrentTs大于其门控的当前工作窗口的右边界Gate.curWinRightTs加上预备窗口最晚更新时长dChange的结果Tchange，则执行窗口滑动，否则该门控不执行窗口滑动。
在进一步的技术方案中，在执行窗口滑动的过程中，首先通过该门控的下一个窗口指针Gate.nextWinPtr从该门控的窗口列表中获取下一个时窗Wini的窗口长度Win.dWin和下一个窗口指针Win.nextPtr，然后计算预备窗口的左右边界，左边界为当前工作窗口的右边界，右边界为左边界加上窗口长度，同时通过将Gate.CurSlideWinPos指向预备窗口，来将预备窗口变为新的工作窗口。
在进一步的技术方案中，通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口，包括：
将报文的接收时间Tpkt与每个时间窗口的左边界T(Start)及右边界T(End)进行比较，若Tpkt大于等于T(Start)并且小于T(End)，则将相应时间窗口视为该报文所属的时间窗口。
在进一步的技术方案中，报文的时间戳为802.1AS gPTP时间或者相对时间。
本发明的实施方式还提供了一种实现任意TSN时窗周期的装置，其包括：时间窗口构建模块，用于构建至少两个时间窗口，所述至少两个时间窗口包括工作窗口和预备窗口；报文窗口判定模块，用于通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口；窗口更新模块，用于通过定期扫描门控列表来执行窗口滑动，以更新预备窗口左右边界，同时将预备窗口变为工作窗口。
在进一步的技术方案中，所述窗口更新模块在定期扫描门控列表时，针对每个门控，如果当前时间CurrentTs大于其门控的当前工作窗口的右边界Gate.curWinRightTs加上预备窗口最晚更新时长dChange的结果Tchange，则执行窗口滑动，否则该门控不执行窗口滑动。
在进一步的技术方案中，所述窗口更新模块在执行窗口滑动的过程中，首先通过该门控的下一个窗口指针Gate.nextWinPtr从该门控的窗口列表中获取下一个时窗Wini的窗口长度Win.dWin和下一个窗口指针Win.nextPtr，然后计算预备窗口的左右边界，左边界为当前工作窗口的右边界，右边界为左边界加上窗口长度，同时通过将Gate.CurSlideWinPos指向预备窗口，来将预备窗口变为新的工作窗口。
在进一步的技术方案中，所述报文窗口判定模块通过如下步骤判断报文所属的时间窗口：将报文的接收时间Tpkt与每个时间窗口的左边界T(Start)及右边界T(End)进行比较，若Tpkt大于等于T(Start)并且小于T(End)，则将相应时间窗口视为该报文所属的时间窗口。
在进一步的技术方案中，报文的时间戳为802.1AS gPTP时间或者相对时间。
附图说明
图1是具有两周期信号TSN窗口模型的示意图；
图2是本发明的任意TSN时窗周期的实现框图；
图3A-图3C是本发明涉及的主要数据结构的示意图；
图4是本发明的窗口更新过程的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明的实施方式提供了一种实现任意TSN时窗周期的方法和装置，其主要设计要点如下：
1.构建两个时窗(但不限于两个时窗)，工作窗口和预备窗口。
2.以时间戳记录窗口的左右边界和报文的接收时间，对比报文的接收时间Tpkt和窗口的左右边界T(Start)及T(End)，若Tpkt大于等于T(Start)并且小于T(End),则将该窗口视为该报文的所属窗口。
3.记录循环周期内每个时窗的时长，如图3中门控i的窗口列表，通过定期扫描的方法执行窗口滑动以更新预备窗口左右边界。
4.更新计算时窗边界时，时窗左边界为前一个时窗的右边界或基准开始时间，右边界为时窗左边界加上当前时窗长度。
参见图2，其示出了本发明的方法的一个在入方向出TSN交换设备上的使用场景，当报文进入到交换设备，就被打上时间戳，通过报文的时间戳和两个时窗(工作时窗和预备时窗)的左右边界比较来判定是所属窗口。比如报文的时间戳Tpkt为10000ns(纳秒)，当前两个窗口分别为[8000ns,13000ns)、[13000ns,19800ns)，因为10000ns大于等于8000ns但小于13000ns，所以报文属于第一个窗口。
参见图3A-图3C以及图4，分别为涉及的主要数据结构和窗口滑动的主要流程，其中，图3A是门控的数据结构，图3B是窗口的数据结构(门控i的窗口列表)，图3C是门控i的滑动窗口。具体地：
dChange//预备窗口最晚更新时长。
GateEngine通过定期的(比如每隔5us)扫描门控列表，针对每个门控，如果当前时间CurrentTs大于其门控的当前工作窗口的右边界(Gate.curWinRightTs)加上dChange的结果Tchange(即当前工作窗口即将结束的时候)，则执行窗口滑动，否则该门控不执行窗口滑动。窗口滑动的过程，首先通过该门控的下一个窗口指针Gate.nextWinPtr从该门控的窗口列表中获取下一个时窗Wini的窗口长度Win.dWin和下一个窗口指针Win.nextPtr，然后计算预备窗口的左右边界，左边界为工作窗口的右边界，右边界为左边界加上窗口长度，同时将预备窗口变为工作窗口即将Gate.CurSlideWinPos指向这个新的工作窗口。
在本发明中，所有和时间相关的计算都是以纳秒ns或其他如us为单位(依赖于时钟精度)，时间戳可以是802.1AS gPTP时间，也可以是相对时间。
在本发明的第一实施方式中，提供了一种实现任意TSN时窗周期的方法，其包括：构建至少两个时间窗口，所述至少两个时间窗口包括工作窗口和预备窗口；通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口；通过定期扫描门控列表来执行窗口滑动，以更新预备窗口左右边界，同时将预备窗口变为工作窗口。
在进一步的技术方案中，在定期扫描门控列表时，针对每个门控，如果当前时间CurrentTs大于其门控的当前工作窗口的右边界Gate.curWinRightTs加上预备窗口最晚更新时长dChange的结果Tchange，则执行窗口滑动，否则该门控不执行窗口滑动。
在进一步的技术方案中，在执行窗口滑动的过程中，首先通过该门控的下一个窗口指针Gate.nextWinPtr从该门控的窗口列表中获取下一个时窗Wini的窗口长度Win.dWin和下一个窗口指针Win.nextPtr，然后计算预备窗口的左右边界，左边界为当前工作窗口的右边界，右边界为左边界加上窗口长度，同时通过将Gate.CurSlideWinPos指向预备窗口，来将预备窗口变为新的工作窗口。
在进一步的技术方案中，通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口，包括：
将报文的接收时间Tpkt与每个时间窗口的左边界T(Start)及右边界T(End)进行比较，若Tpkt大于等于T(Start)并且小于T(End)，则将相应时间窗口视为该报文所属的时间窗口。
在进一步的技术方案中，报文的时间戳为802.1AS gPTP时间或者相对时间。
在本发明的第二实施方式中，还提供了一种实现任意TSN时窗周期的装置，其包括：时间窗口构建模块，用于构建至少两个时间窗口，所述至少两个时间窗口包括工作窗口和预备窗口；报文窗口判定模块，用于通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口；窗口更新模块，用于通过定期扫描门控列表来执行窗口滑动，以更新预备窗口左右边界，同时将预备窗口变为工作窗口。
在进一步的技术方案中，所述窗口更新模块在定期扫描门控列表时，针对每个门控，如果当前时间CurrentTs大于其门控的当前工作窗口的右边界Gate.curWinRightTs加上预备窗口最晚更新时长dChange的结果Tchange，则执行窗口滑动，否则该门控不执行窗口滑动。
在进一步的技术方案中，所述窗口更新模块在执行窗口滑动的过程中，首先通过该门控的下一个窗口指针Gate.nextWinPtr从该门控的窗口列表中获取下一个时窗Wini的窗口长度Win.dWin和下一个窗口指针Win.nextPtr，然后计算预备窗口的左右边界，左边界为当前工作窗口的右边界，右边界为左边界加上窗口长度，同时通过将Gate.CurSlideWinPos指向预备窗口，来将预备窗口变为新的工作窗口。
在进一步的技术方案中，所述报文窗口判定模块通过如下步骤判断报文所属的时间窗口：将报文的接收时间Tpkt与每个时间窗口的左边界T(Start)及右边界T(End)进行比较，若Tpkt大于等于T(Start)并且小于T(End)，则将相应时间窗口视为该报文所属的时间窗口。
在进一步的技术方案中，报文的时间戳为802.1AS gPTP时间或者相对时间。
本发明以低成本方式解决了大规模门控管理下高精度任意TSN周期数据的时窗的实现方法，让TSN通信设备支持数据频率更广泛的终端设备。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种实现任意TSN时窗周期的方法，其特征在于，包括：
构建至少两个时间窗口，所述至少两个时间窗口包括工作窗口和预备窗口；
通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口；
通过定期扫描门控列表来执行窗口滑动，以更新预备窗口左右边界，同时将预备窗口变为工作窗口。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在定期扫描门控列表时，针对每个门控，如果当前时间CurrentTs大于其门控的当前工作窗口的右边界Gate.curWinRightTs加上预备窗口最晚更新时长dChange的结果Tchange，则执行窗口滑动，否则该门控不执行窗口滑动。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在执行窗口滑动的过程中，首先通过该门控的下一个窗口指针Gate.nextWinPtr从该门控的窗口列表中获取下一个时窗Wini的窗口长度Win.dWin和下一个窗口指针Win.nextPtr，然后计算预备窗口的左右边界，左边界为当前工作窗口的右边界，右边界为左边界加上窗口长度，同时通过将Gate.CurSlideWinPos指向预备窗口，来将预备窗口变为新的工作窗口。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口，包括：
将报文的接收时间Tpkt与每个时间窗口的左边界T(Start)及右边界T(End)进行比较，若Tpkt大于等于T(Start)并且小于T(End)，则将相应时间窗口视为该报文所属的时间窗口。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，报文的时间戳为802.1AS gPTP时间或者相对时间。
6.一种实现任意TSN时窗周期的装置，其特征在于，包括：
时间窗口构建模块，用于构建至少两个时间窗口，所述至少两个时间窗口包括工作窗口和预备窗口；
报文窗口判定模块，用于通过比较报文的时间戳与时间窗口的左右边界，来判断报文所属的时间窗口；
窗口更新模块，用于通过定期扫描门控列表来执行窗口滑动，以更新预备窗口左右边界，同时将预备窗口变为工作窗口。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述窗口更新模块在定期扫描门控列表时，针对每个门控，如果当前时间CurrentTs大于其门控的当前工作窗口的右边界Gate.curWinRightTs加上预备窗口最晚更新时长dChange的结果Tchange，则执行窗口滑动，否则该门控不执行窗口滑动。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述窗口更新模块在执行窗口滑动的过程中，首先通过该门控的下一个窗口指针Gate.nextWinPtr从该门控的窗口列表中获取下一个时窗Wini的窗口长度Win.dWin和下一个窗口指针Win.nextPtr，然后计算预备窗口的左右边界，左边界为当前工作窗口的右边界，右边界为左边界加上窗口长度，同时通过将Gate.CurSlideWinPos指向预备窗口，来将预备窗口变为新的工作窗口。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的装置，其特征在于，所述报文窗口判定模块通过如下步骤判断报文所属的时间窗口：
将报文的接收时间Tpkt与每个时间窗口的左边界T(Start)及右边界T(End)进行比较，若Tpkt大于等于T(Start)并且小于T(End)，则将相应时间窗口视为该报文所属的时间窗口。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的装置，其特征在于，报文的时间戳为802.1ASgPTP时间或者相对时间。
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