CN114301851B - 一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业物联网时间敏感网络技术领域，尤其是一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法，包括如下步骤：S1,定义网络拓扑中各流量特征参数；S2，建立目标函数；S3,利用时间感知整型器TAS设计门控制列表GCL并在传输过程中通过各个约束条件规定流量的传输规则；S4，在传输过程中利用本发明设计的影子队列对流量进行缓存调度；S5，利用Z3求解器求解得出最终优化结果；通过本发明设计的影子队列降低高优先级TT流量发生丢包情况的排队延时；设计了优先级反转的方法使得TSN网络更加灵活地应对紧急流量的传输；提升了整体系统的吞吐量。

Description

一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法

技术领域

本发明涉及工业物联网时间敏感网络技术领域，尤其是一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法。

背景技术

近年来，工业物联网(IIoT)逐渐改变着传统现场的生产制造方式，允许相互隔离的工业设备之间进行数据交换，实现生产的信息化、智能化。为了满足工业现场应用严格的高确定性低延时传输要求，IEEE 802.1工作组提出了一系列链路层增强机制与流量策略的标准和规范，主要包括时钟同步、流量调度、可靠传输和集中式网络配置，将标准以太网扩展为时间敏感网络(TSN)，提供确定性的以太网功能，可以对相互隔离的工业控制网络进行互连。

目前，TSN相关研究工作聚焦于时间敏感流量(TT流量)，为了减少TT流量在调度过程中发生拥塞的情况，TSN相关研究者一般采用流量截止时间越小，优先级越高的方式进行调度。但是TT流量为周期性流量且调度过程中存在不确定性，可能会发生以下问题：(1)高优先级流量丢包引起低优先级流量等待高优先级流量排队；(2)当前周期和下一周期流量发生调度紊乱。因此就上述问题，目前相关研究提出了以下方法来解决：(1)较低优先级TT流量等待高优先级TT流量传输；(2)较低优先级TT流量通过帧在队列中逐次传输的方法等待高优先级TT流量，当高优先级TT流量到达优先级过滤器后，高优先级TT流量的排队延迟是该低优先级TT流量的当前正在传输帧的传输时间，即可以直接在当前发送帧之后传输。这两种方法虽然在一定程度上解决了上述问题。但是这两种解决方法存在以下几点不足：(1)牺牲了较多低优先级流量的时延；(2)应对紧急流量缺少灵活性；(3)拉低了整体系统的吞吐量。为了解决上述问题，本发明设计出影子队列，提出了一种流量缓存调度新方法，完成高质量的端到端传输。

发明内容

针对现有技术缺陷，本发明提供了一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法，解决了丢包引起低优先级流量等待高优先级流量排队的问题；当前周期和下一周期流量发生调度紊乱的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法，包括如下步骤：

S1,定义网络拓扑中各流量特征参数；

S2，建立目标函数；

S3,利用时间感知整型器TAS设计门控制列表GCL并在传输过程中通过各个约束条件规定流量的传输规则；

S4，在传输过程中利用本发明设计的影子队列方法对流量进行缓存调度；

S5，利用Z3求解器求解得出最终优化结果。

本发明技术方案的进一步改进在于：S1中，定义网络拓扑及各流量的物理符号，各个物理符号分别为：ε，S_i，v，r_i，T_i，d_i，q_a,b，δ，L_i，f_i,q,(a,b)，φ_i,q,(a,b)，λ_i,a,b，t_i，l_i，HP，d_i，re，t’_i，L_nw，n_i，re，w，/>t_u。

本发明技术方案的进一步改进在于：S2中，建立最大化吞吐量的目标函数：其中，/>表示所有调度成功流量的大小总和；t_u表示所有流量端到端总延时；并通过S4中设计的影子队列方法结合S3中的约束优化。

本发明技术方案的进一步改进在于：S3中包括如下步骤：

S31，在调度的开始阶段，为了确保第一个链路(t_i,t'_i)上发送的帧在发送端t_i的发送时间r_i之后开始传输；在调度结束阶段，为了确保帧必须在截止时间d_i之前完成传输，因此建立了帧约束条件：

S32，为了防止链路上两个不同帧传输的时域同时重叠，即对于同一链路(a,b)上的每一对不同的帧q和w，流i中第q帧的传输必须在流j中第w帧的传输开始之前完成，因此建立了链路约束条件：φ_i,q,(a,b)+αT_i≥φ_j,w,(a,b)+βT_j+L_j,(a,b)，反之亦然；

S33，为了保证在调度过程中组成流的每个帧的有序性，建立了顺序关系模型，即只有当帧被完全传递到交换机x并被处理之后，下一交换机a才能开始传输该帧，因此建立流量传输约束条件：φ_i,q,(a,b)≥φ_i,q,(x,a)+L_i,(x,a)+δ；

S34，如果两个流的缓冲队列在同一节点a上，即流i从节点x流向节点a，流j从节点y流向节点a,为了确保确定性的传输，必须保证物理链路中的两个帧在时域上不重叠，即流i中第q帧的传输必须在流j中第w帧的传输开始之前完成，因此建立帧隔离约束条件：φ_i,q,(a,b)+αT_i≥φ_j,w,(y,a)+βT_j+L_j,(y,a)，反之亦然；

S35，随着时间敏感流量可用队列的增加，非时间敏感流量的可用队列数量相应减少，导致非时间敏感流量的延迟界限可能会变大；最小化TT流量使用的队列数量可以提高非时间敏感流量的时效性和灵活性，进一步，确保在每个帧的出口端口上正确分配至少一个队列，因此建立队列使用约束条件：

本发明技术方案的进一步改进在于：S4中，设计了影子队列的缓存调度方法，该调度队列在物理上对应2个缓存区域：一个是可以写入或读出的队列，称为预装载队列，另一个是使用者看不见的，但是在使用中起到缓存作用的队列，称为影子队列；当发生高优先级TT流量丢包情况后，低优先级TT流量继续在预装载队列中传输，当紧迫的高优先级TT流量到来后，预装载队列中的低优先级TT流量进入影子队列中缓存，使紧迫的高优先级TT流量优先调度，高优先级TT流量调度完成后，影子队列中缓存的低优先级TT流量回到预装载队列继续调度；为了防止多个高优先级TT流量连续到来，低优先级TT流量在影子队列中一直缓存，设计了优先级反转的方法满足影子队列中缓存流量截止时间的要求，其数学模型可以表示为：其中L_nw表示从当前缓存节点开始到目的节点的剩余无等待传输时间；d_i，re表示从当前缓存节点开始剩余的截止时间；紧迫度w∈(0，1),紧迫度w代表：缓存在影子队列中的流量满足其截止时间的紧迫程度，通过设置一阈值，当w超过这一阈值后发生优先级反转，在影子队列基础上结合S3中的调度约束优化S2中的目标函数。

与现有技术相比，本发明提供一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法有益效果如下：

1、本发明一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法，通过设计影子队列的概念结合各个调度约束，确保高优先级TT流量高效实时传输，同时满足低优先级TT流量截止时间。

2、本发明一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法，设计了优先级反转的方法使得TSN网络更加灵活地应对紧急流量的传输，提升了整体系统的吞吐量。

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，下面将对实施例或现有技术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为本发明面向工业现场的时间敏感网络流量分级调动方法的流程图。

图2为本发明流量调度拓扑图。

图3为本发明影子队列示意图。

图4为本发明时间敏感网络流量缓存调度机制示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法，包括如下步骤：

S1,定义网络拓扑中各流量特征参数；定义网络拓扑及各流量的物理符号，各个物理符号分别为：ε，S_i，v，r_i，T_i，d_i，q_a,b，δ，L_i，f_i,q,(a,b)，φ_i,q,(a,b)，λ_i,a,b，t_i，l_i，HP，d_i，re，t’_i，L_nw，n_i，re，w，/>t_u；各个物理符号及其物理意义如下表所示：

S2，建立目标函数；建立最大化吞吐量的目标函数：其中，/>表示所有调度成功流量的大小总和；t_u表示所有流量端到端总延时；并通过S4中设计的影子队列方法结合S3中约束优化，其目标函数为：

S3,利用时间感知整型器TAS设计门控制列表GCL并在传输过程中通过各个约束条件规定流量的传输规则；具体包括如下步骤：

S31，在调度的开始阶段，是为了确保第一个链路发送的帧在发送端的发送时间之后开始传输；在调度结束阶段，确保帧必须在截止时间之前完成传输,因此建立了帧约束条件：

其中：(t_i,t'_i)表示链路组中的第一条链路；(l'_i,l_i)表示链路组中的最后一条链路。其中d_i≤T_i；传输时间：流组/>

S32，为了防止链路上两个不同帧传输的时域同时重叠,即在图2中对于同一链路(a,b)上的每一对不同的帧q和w，流i中第q帧的传输必须在流j中第w帧的传输开始之前完成，反之亦然，因此建立了链路约束条件，此约束必须考虑在超周期HP中出现的所有帧，其中HP是为了尽量避免周期性流量的干扰，HP表示为所有流量周期的最小公倍数：lcm(T₁,...,T_n)。

(φ_i,q,(a,b)+αT_i≥φ_j,w,(a,b)+βT_j+L_j,(a,b))

∨(φ_j,w,(a,b)+βT_j≥φ_i,q,(a,b)+αT_i+L_i,(a,b))；

S33，为了保证在调度过程中组成流的每个帧的有序性，建立了顺序关系模型，即在图2中只有当帧被完全传递到交换机x并被处理之后，下一交换机a才能开始传输该帧，因此建立流量传输约束条件：

φ_i,q,(a,b)≥φ_i,q,(x,a)+L_i,(x,a)+δ

S34，如果两个流的缓冲队列在同一节点上，即在图2中流i从节点x流向节点a，流j从节点y流向节点a，本发明为了确保确定性的传输，必须保证物理链路中的两个帧在时域上不重叠，即流i中第q帧的传输必须在流j中第w帧的传输开始之前完成，反之亦然，因此建立帧隔离约束条件：

(φ_{i，q，(a，b)}+αT_i≥φ_{j，w，(y，a)}+βT_j+L_j，(y，a)) (1)

∨(φ_{j，w，(a，b)}+βT_j≥φ_{i，q，(x，a)}+αT_i+L_i，(x，a)) (2)

∨(λ_i，a，b≠λ_j，a，b) (3)

公式(1)和(2)是为了确保它们在公共的物理链接中时域不重叠；

公式(3)是确定它们是否分配给同一队列；

S35，随着时间敏感流量可用队列的增加，非时间敏感流量的可用队列数量相应减少，导致非时间敏感流量的延迟界限可能会变大，所以，最小化TT流量使用的队列数量可以提高非时间敏感流量的时效性和灵活性，进一步，为了确保在每个帧的出口端口上正确分配至少一个队列，因此建立队列使用约束条件：

S4，在传输过程中利用本发明设计的影子队列方法对流量进行缓存调度；该调度队列在物理上对应2个缓存区域：一个是可以写入或读出的队列，称为预装载队列，另一个是使用者看不见的，但是在使用中起到缓存作用的队列，称为影子队列；当发生高优先级TT流量丢包情况后，低优先级TT流量继续在预装载队列中传输，当紧迫的高优先级TT流量到来后，预装载队列中的低优先级TT流量进入影子队列中缓存，使紧迫的高优先级TT流量优先调度，高优先级TT流量调度完成后，影子队列中缓存的低优先级TT流量回到预装载队列继续调度；为了防止多个高优先级TT流量连续到来，低优先级TT流量在影子队列中一直缓存，设计了优先级反转的方法满足影子队列中缓存流量截止时间的要求，其数学模型可以表示为：其中L_nw表示从当前缓存节点开始到目的节点的剩余无等待传输时间；d_i，re表示从当前缓存节点开始剩余的截止时间；紧迫度w∈(0，1),紧迫度w代表：缓存在影子队列中的流量满足其截止时间的紧迫程度，通过设置一阈值，当w超过这一阈值后发生优先级反转，在影子队列基础上结合S3中的调度约束优化S2中的目标函数。

S5，利用Z3求解器求解得出最终优化结果，其中Z3求解器是一种求解方法。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明装置权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法,其特征在于，包括如下步骤：

S1,定义网络拓扑中各流量特征参数；

S2，建立目标函数；

S3,利用时间感知整型器TAS设计门控制列表GCL并在传输过程中通过各个约束条件规定流量的传输规则；

S4，在传输过程中利用设计的影子队列方法对流量进行缓存调度；所述影子队列的缓存调度方法，该调度队列在物理上对应2个缓存区域：一个是可以写入或读出的队列，称为预装载队列，另一个是使用者看不见的，但是在使用中起到缓存作用的队列，称为影子队列；当发生高优先级TT流量丢包情况后，低优先级TT流量继续在预装载队列中传输，当紧迫的高优先级TT流量到来后，预装载队列中的低优先级TT流量进入影子队列中缓存，使紧迫的高优先级TT流量优先调度，高优先级TT流量调度完成后，影子队列中缓存的低优先级TT流量回到预装载队列继续调度；为了防止多个高优先级TT流量连续到来，低优先级TT流量在影子队列中一直缓存，设计了优先级反转的方法满足影子队列中缓存流量截止时间的要求，其数学模型可以表示为：其中L_nw表示从当前缓存节点开始到目的节点的剩余无等待传输时间；d_i，re表示从当前缓存节点开始剩余的截止时间；紧迫度w∈(0，1),紧迫度w代表：缓存在影子队列中的流量满足其截止时间的紧迫程度，通过设置一阈值，当w超过这一阈值后发生优先级反转，在影子队列基础上结合S3中的调度约束优化S2中的目标函数；

S5，利用Z3求解器求解得出最终优化结果。

2.根据权利要求1所述一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法,其特征在于，S2中，建立最大化吞吐量的目标函数：其中，/>表示所有调度成功流量的大小总和；t_u表示所有流量端到端总延时，并通过S4中设计的影子队列方法结合S3中的调度约束进行优化。

3.根据权利要求1所述一种面向工业现场的时间敏感网络流量分级调度方法,其特征在于，S3中包括如下步骤：

S31，在调度的开始阶段，为了确保第一个链路(t_i,t'_i)上发送的帧在发送端t_i的发送时间r_i之后开始传输；在调度结束阶段，为了确保帧必须在截止时间d_i之前完成传输，因此建立了帧约束条件：

S32，为了防止链路上两个不同帧传输的时域同时重叠，即对于同一链路(a,b)上的每一对不同的帧q和w，流i中第q帧的传输必须在流j中第w帧的传输开始之前完成，因此建立了链路约束条件：φ_i,q,(a,b)+αT_i≥φ_j,w,(a,b)+βT_j+L_j,(a,b)，反之亦然；

S33，为了保证在调度过程中组成流的每个帧的有序性，建立了顺序关系模型，即只有当帧被完全传递到交换机x并被处理之后，下一交换机a才能开始传输该帧，因此建立流量传输约束条件：φ_i,q,(a,b)≥φ_j,q,(x,a)+L_i,(x,a)+δ；

S34，如果两个流的缓冲队列在同一节点a上，即流i从节点x流向节点a，流j从节点y流向节点a,为了确保确定性的传输，必须保证物理链路中的两个帧在时域上不重叠，即流i中第q帧的传输必须在流j中第w帧的传输开始之前完成，因此建立帧隔离约束条件：φ_i,q,(a,b)+αT_i≥φ_j,w,(y,a)+βT_j+L_j,(y,a)，反之亦然；

S35，随着时间敏感流量可用队列的增加，非时间敏感流量的可用队列数量相应减少，导致非时间敏感流量的延迟界限可能会变大；最小化TT流量使用的队列数量可以提高非时间敏感流量的时效性和灵活性，进一步，确保在每个帧的出口端口上正确分配至少一个队列，因此建立队列使用约束条件：