CN114390000A

CN114390000A - 基于入队整形的tsn流量调度方法及相关设备

Info

Publication number: CN114390000A
Application number: CN202210051822.7A
Authority: CN
Inventors: 韩文璇; 李妍珏; 何欣欣; 朱海龙; 尹长川
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2042-01-17
Also published as: CN114390000B

Abstract

本申请提供一种基于入队整形的TSN网络流量调度方法及相关设备，所述方法包括：响应于流量调度请求，获取门控列表以及数据帧的流标识和优先级；根据所述流标识和所述优先级，利用加权轮询调度将SR_A类流量、SR_B类流量对应的所述数据帧分别加入至SR_A队列和SR_B队列；根据所述门控列表和基于信用的整形器CBS，获取SR_A队列或SR_B队列中的第一目标数据帧；响应于确定所述目标数据帧不为空闲数据帧，输出所述第一目标数据帧。本申请的方法能够为优先级相同但时延要求不同的流量提供质量不同的细粒度服务，进而减少网络可调度情况下软实时流量所需的预留带宽。

Description

基于入队整形的TSN流量调度方法及相关设备

技术领域

本申请涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种基于入队整形的TSN流量调度方法及相关设备。

背景技术

时间敏感网络(Time Sensitive Networking,TSN)中存在3种类型的流量，分别是硬实时流量、软实时流量和尽力而为流量。在进行混合流量调度时，为保证时间敏感流的服务质量，通常依据时延要求将其映射为预定流量(Scheduled Traffic，ST)类流量和流预留(Stream Reservation，SR)类流量。除此之外，TSN标准还支持无实时保证的尽力而为(BestEffort，BE)类流量，以定期软件更新、诊断和数据记录为代表的尽力而为流虽然没有明确的截止时间，但是如果长时间无法传输将会严重妨碍相关功能。因此，在多类型流量混合传输的网络中，关于如何合理分配带宽资源，使得在满足时间敏感流时延要求的同时有效缓解尽力而为流饥饿现象的研究具有重要的理论意义和现实价值。

然而，现有技术大多将研究重点放在ST类流量和SR类流量的调度问题上，较少关注BE类流量。因此，亟需一种流量调度方法，能够在保证时间敏感流的确定性低时延传输的同时，避免尽力而为流时延过大易导致网络的状态维护及系统管理出现故障的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种解决上述问题的基于入队整形的TSN流量调度方法及相关设备。

基于上述目的，本申请第一方面提供一种基于入队整形的TSN网络流量调度方法，包括：

响应于流量调度请求，获取门控列表以及数据帧的流标识和优先级，其中，所述优先级包括SR_A类流量、SR_B类流量，且所述SR_A类流量的优先级高于所述SR_B类流量；

根据所述流标识和所述优先级，利用加权轮询调度将SR_A类流量、SR_B类流量对应的所述数据帧分别加入至SR_A队列和SR_B队列；

根据所述门控列表和基于信用的整形器CBS，获取SR_A队列或SR_B队列中的第一目标数据帧；

响应于确定所述目标数据帧不为空闲数据帧，输出所述第一目标数据帧。

进一步地，所述根据所述门控列表和基于信用的整形器CBS，获取SR_A队列或SR_B队列中的第一目标数据帧，包括：

根据所述CBS，确定所述SR_A队列和所述SR_B队列的信用值；

响应于确定所述SR_A队列和所述SR_B队列的信用值均为非负数，且所述SR_A队列的门为开启状态，获取所述SR_A队列中的所述第一目标数据帧；

响应于确定所述SR_A队列的信用值为非负数，所述SR_B队列的信用值为负数，且所述SR_A队列的门为开启状态，获取所述SR_A队列中的所述第一目标数据帧；

响应于确定所述SR_A队列的信用值为负数，所述SR_B队列的信用值为非负数，且所述SR_B队列的门为开启状态，获取所述SR_B队列中的所述第一目标数据帧。

进一步地，所述优先级包括BE类流量，所述BE类流量的优先级低于所述SR_B类流量的优先级，且所述BE类流量对应的数据帧在BE队列中；

所述根据所述门控列表和基于信用的整形器CBS，获取SR_A队列或SR_B队列中的第一目标数据帧，之后还包括：

响应于确定所述SR_A队列和所述SR_B队列的信用值均为负数，且所述BE队列的门为开启状态，获取所述BE队列中的第二目标数据帧并输出；

和/或

响应于确定所述第一目标数据帧为空闲数据帧，获取所述第二目标数据帧并输出。

进一步地，所述优先级包括ST类流量，所述ST类流量的优先级高于所述SR_A类流量的优先级，且所述ST类流量对应的数据帧在ST队列中；

所述根据所述门控列表和基于信用的整形器CBS，获取SR_A队列或SR_B队列中的第一目标数据帧，之前还包括：

响应于确定所述ST队列的门为开启状态，获取所述ST队列中的第三目标数据帧并输出。

进一步地，所述方法还包括：

构建空闲斜率参数优化模型；

利用粒子群优化算法对所述空闲斜率参数优化模型进行求解，得到所述空闲斜率参数的最小值；

根据所述所述空闲斜率参数的最小值配置所述SR_A类流量和/或SR_B类流量的预留带宽。

进一步地，所述空闲斜率参数优化模型的表达式如下：

s.t.r_A,i≤s_A,i；r_B,i≤s_B,i；

w_A,k∈N；w_B,k∈N；

idleA≥0；idleB≥0；

idleA+idleB≤R

其中，RB表示SR_A类流量和SR_B类流量总的预留带宽，idleA表示SR_A类流量的空闲斜率参数，idleB表示SR_B类流量的空闲斜率参数，T_SR表示一个循环周期内SR_A队列和SR_B队列总的门开启时长，T_GCL表示门控列表的循环周期，s_A,i表示SR_A类消息流f_A,i在TSN交换机内的发送时限，s_B,i表示SR_B类消息流f_B,i在TSN交换机内的发送时限，r_A,i表示消息流f_A,i在TSN交换机内的最大响应时间，r_B,i表示消息流f_B,i在TSN交换机内的最大响应时间，w_A,k(k＝1,...,M_A)表示SR_A类流量的入队整形参数，w_B,k(k＝1,...,M_B)表示SR_B类流量的入队整形参数，R表示TSN交换机的传输带宽，单位为Mbps；

最大响应时间r_A,i是通过下式计算得到的：

其中，tpc表示数据帧在TSN交换机内的的处理时延，t_SW表示一个SR类数据帧或BE类数据帧在TSN交换机输出端口处的最大传输时延，c_A,i表示SR_A类消息流f_A,i中任意一个消息m_A,i的尾帧在TSN交换机中受SR_A队列门关闭影响产生的最大排队时延，消息m_A,i包含n_A,i个数据帧，M_A表示SR_A队列前缓存队列的数目；

最大响应时间r_B,i是通过下式计算得到的：

其中，c_B,i表示SR_B类消息流f_B,i中任意一个消息m_B,i的尾帧在TSN交换机中受SR_B队列门关闭影响产生的最大排队时延，消息m_B,i包含n_B,i个数据帧，M_B表示SR_B队列前缓存队列的数目。

进一步地，所述方法还包括：根据所述门控列表控制所述ST队列、所述SR_A队列、所述SR_B队列和/或所述BE队列的门状态。

基于同一发明构思，本申请第二方面提供一种基于入队整形的TSN网络流量调度装置，包括：

获取模块，被配置为响应于流量调度请求，获取门控列表以及数据帧的流标识和优先级，其中，所述优先级包括SR_A类流量、SR_B类流量，且所述SR_A类流量的优先级高于所述SR_B类流量；

入队整形模块，被配置为根据所述流标识和所述优先级，利用加权轮询调度将SR_A类流量、SR_B类流量对应的所述数据帧分别加入至SR_A队列和SR_B队列；

第一调度模块，被配置为根据所述门控列表和基于信用的整形器CBS，获取SR_A队列或SR_B队列中的第一目标数据帧；响应于确定所述目标数据帧不为空闲数据帧，输出所述第一目标数据帧。

基于同一发明构思，本申请第三方面提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法。

基于同一发明构思，本申请第四方面提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行第一方面所述的方法。

从上面所述可以看出，本申请提供的基于入队整形的TSN流量调度方法及相关设备，通过入队整形的方式降低软实时流量在TSN交换机内的调度粒度，能够为优先级相同但时延要求不同的流量提供质量不同的细粒度服务。此外，考虑到硬实时流量、软实时流量和尽力而为流量对时延要求的不同，通过构建参数优化模型，合理配置TSN交换机参数，在保证网络可调度情况下减少软实时流量所需的预留带宽，进而在满足时间敏感流时延要求的同时减小尽力而为类消息的最大端到端时延，并利用门控列表控制队列的门状态，以保证硬实时流量的无抖动、低时延传输。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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申请的实施例，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为本申请实施例的基于入队整形的TSN流量调度方法流程图；

图2为本申请实施例的空闲斜率参数优化方法流程图；

图3为本申请实施例的车载TSN网络结构示意图；

图4为本申请实施例的SR类流量的预留带宽对比图；

图5为本申请实施例的时间敏感流在TSN交换机上的最大响应时间对比图；

图6为本申请实施例的BE类消息周期性产生时的最大端到端时延变化趋势图；

图7为本申请实施例的BE类消息随机产生时的最大端到端时延变化趋势图；

图8为本申请实施例的调度成功率与时间敏感流数目的关系曲线图；

图9为本申请实施例的基于入队整形的TSN流量调度装置结构示意图；

图10为本申请实施例的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如背景技术部分所述，相关技术中时间敏感网络的流量调度方案还难以满足需要，时间敏感网络中混合流量调度的现有研究主要关注于如何保证时间敏感流的确定性低时延传输，然而尽力而为流时延过大易导致网络的状态维护及系统管理出现故障，使得混合流量调度的研究面临新的挑战。

在时间敏感网络中，硬实时流量是由时间触发的周期性流量，要求消息的端到端时延极小且无抖动；软实时流量是由事件触发的周期性流量，消息需在截止时间内到达目的节点，截止时间较硬实时流量更大，等于或略小于其周期；尽力而为流量没有明确的截止时间，但消息的端到端时延不宜过大，避免尽力而为流的饥饿现象。

有鉴于此，本申请实施例提供一种基于入队整形的TSN流量调度方法，在基于时间感知整形器(Time-Aware Shaper，TAS)和基于信用的整形器(Credit-Based Shaper，CBS)的出口整形前使用基于加权轮询调度(Weighted Round-Robin，WRR)的入队整形，从而调整数据帧进入SR_A队列和/或SR_B队列的顺序，降低流量在TSN交换机内的调度粒度，为优先级相同但时延要求不同的时间敏感流提供质量不同的细粒度服务。

以下，通过具体实施例来详细说明本申请的技术方案。

参考图1，本申请一个实施例提供的一种基于入队整形的TSN网络流量调度方法，具体包括以下步骤：

步骤S101，响应于流量调度请求，获取门控列表以及数据帧的流标识和优先级，其中，所述优先级包括SR_A类流量、SR_B类流量，且所述SR_A类流量的优先级高于所述SR_B类流量。

本步骤中，可将时间敏感网络中的硬实时流量映射为ST类流量，软实时流量按照实时性要求高低分别映射为SR_A类流量和SR_B类流量，尽力而为流量映射为BE类流量，优先级从高到低依次为ST类流量、SR_A类流量、SR_B类流量和BE类流量。

步骤S102，根据所述流标识和所述优先级，利用加权轮询调度将SR_A类流量、SR_B类流量对应的所述数据帧分别加入至SR_A队列和SR_B队列。

本步骤中，在TSN交换机内，可根据目的节点的地址确定对应数据帧的输出端口，并在对应匹配的队列中缓存。其中，ST类流量在ST队列中缓存，BE类流量在BE队列中缓存，而SR类流量(SR_A类流量和SR_B类流量)可首先在缓存队列中缓存，之后经入队整形进入SR_A队列或SR_B队列中缓存。具体来讲，SR_A类消息流f_A,i中的数据帧进入交换机后首先在缓存队列A_i中缓存，SR_B类消息流f_B,i中的数据帧进入交换机后首先在缓存队列B_i中缓存。

当SR_A队列空闲时，该队列立即生成编号为1～M_A的请求帧，并将其依次发往缓存队列

缓存队列A_k接收到请求帧后向SR_A队列发送w_A,k个数据帧，其中，M_A表示SR_A队列前缓存队列的数目。

当SR_B队列空闲时，该队列立即生成编号为1～M_B的请求帧，并将其依次发往缓存队列

缓存队列B_k接收到请求帧后向SR_B队列发送w_B,k个数据帧，其中，M_B表示SR_B队列前缓存队列的数目。

步骤S103，根据所述门控列表和基于信用的整形器CBS，获取SR_A队列或SR_B队列中的第一目标数据帧。

本步骤中，可利用门控列表为ST队列分配固定的输出时间片，该输出时间片可根据实际情况进行设置，在此不做具体限定。当ST队列的门开启时，SR队列(SR_A队列和SR_B队列)的门和BE队列的门闭合；当ST队列的门闭合时，SR队列的门和BE队列的门开启。

相应的，在ST队列的门打开期间，ST类数据帧在预先分配的传输时隙中输出TSN交换机；在ST队列的门关闭期间，SR_A队列、SR_B队列和BE队列中的数据帧受信用值调控交错输出。

需要说明的是，在配置门控列表时，为避免SR类数据帧(SR_A类数据帧和SR_B类数据帧)和BE类数据帧阻塞ST类数据帧的传输，ST队列门的闭合时刻应与其后的开启时刻间隔c·t_SW，c为任意正整数，t_SW为一个SR类数据帧或BE类数据帧在TSN交换机输出端口处的最大传输时延。

步骤S104，响应于确定所述目标数据帧不为空闲数据帧，输出所述第一目标数据帧。

本步骤中，容易理解的是，缓存队列中始终存在空闲数据帧，来自终端设备或其他TSN交换机的数据帧进入缓存队列中后挤占空闲数据帧。因此，可对目标数据帧进行空闲数据帧的判定，若不是，则从TSN交换机的输出端口输出，若是，则将目标数据帧丢弃并改为发送BE队列中的数据帧。

可见，本实施例提供的基于入队整形的TSN流量调度方法，通过入队整形的方式降低软实时流量在TSN交换机内的调度粒度，能够为优先级相同但时延要求不同的流量提供质量不同的细粒度服务。此外，考虑到硬实时流量、软实时流量和尽力而为流量对时延要求的不同，构建参数优化模型，合理配置TSN交换机参数，保证在网络可调度情况下减少软实时流量所需的预留带宽，进而在满足时间敏感流时延要求的同时减小尽力而为类消息的最大端到端时延，并利用门控列表控制队列的门状态，以保证硬实时流量的无抖动、低时延传输。

在一些实施例中，对于前述实施例中的步骤S103，其还可以包括以下步骤：

步骤S1031，根据所述CBS，确定所述SR_A队列和所述SR_B队列的信用值。

具体的，SR_A队列的空闲斜率参数为idleA，SR_B队列的空闲斜率参数为idleB。SR队列门的打开时段被划分为若干个长度为t_SW的传输时隙，在每个传输时隙的起始时刻，若SR_A队列向目标输出端口输出数据帧，则其信用值减少sendA·t_SW，反之，信用值增加idleA·t_SW；若SR_B队列向目标输出端口输出数据帧，则其信用值减少sendB·t_SW，反之，信用值增加idleB·t_SW。在SR_A队列或SR_B队列的门关闭期间，SR_A队列或SR_B队列的信用值保持不变。

步骤S1032，响应于确定所述SR_A队列和所述SR_B队列的信用值均为非负数，且所述SR_A队列的门为开启状态，获取所述SR_A队列中的所述第一目标数据帧。

步骤S1033，响应于确定所述SR_A队列的信用值为非负数，所述SR_B队列的信用值为负数，且所述SR_A队列的门为开启状态，获取所述SR_A队列中的所述第一目标数据帧。

步骤S1034，响应于确定所述SR_A队列的信用值为负数，所述SR_B队列的信用值为非负数，且所述SR_B队列的门为开启状态，获取所述SR_B队列中的所述第一目标数据帧。

在一些实施例中，对于前述实施例中的步骤S103，其之后还可以包括以下步骤：

步骤S301，响应于确定所述SR_A队列和所述SR_B队列的信用值均为负数，且所述BE队列的门为开启状态，获取所述BE队列中的第二目标数据帧并输出。

和/或

步骤S302，响应于确定所述第一目标数据帧为空闲数据帧，获取所述第二目标数据帧并输出。

在一些实施例中，对于前述实施例中的步骤S103，其之前还可以包括以下步骤：

步骤S401，响应于确定所述ST队列的门为开启状态，获取所述ST队列中的第三目标数据帧并输出。

在一些实施例中，结合图2，所述流量调度方法还可以包括以下步骤：

步骤S501，构建空闲斜率参数优化模型。

需要说明的是，为保证时间敏感网络中的SR类消息(SR_A类消息和SR_B类消息)均满足端到端时延要求，需要通过配置空闲斜率参数idleA、idleB在TSN交换机的输出端口处为SR类流量预留带宽资源。当SR类消息对实时性要求较低时，过大的预留带宽会导致SR类数据帧长时间阻塞BE类数据帧的传输，影响BE类消息的及时交付。而当SR类流量的预留带宽较小时，虽然可以减少高优先级流量传输对低优先级流量的影响，但是可能会导致网络不可调度。因此，需要在保证网络可调度的情况下尽可能地减少SR类流量的预留带宽。此外，因为TSN交换机输出端口的传输带宽有限，所以提高SR类流量的带宽利用率有利于增加网络所能承载的SR类消息流(SR_A类消息流和SR_B类消息流)数目，进而在网络负载较重时提高调度成功率。

具体的，所述空闲斜率参数优化模型的表达式如下：

s.t.r_A,i≤s_A,i；r_B,i≤s_B,i；

w_A,k∈N；w_B,k∈N；

idleA≥0；idleB≥0；

idleA+idleB≤R

其中，RB表示SR_A类流量和SR_B类流量总的预留带宽，idleA表示SR_A类流量的空闲斜率参数，idleB表示SR_B类流量的空闲斜率参数，T_SR表示一个循环周期内SR_A队列和SR_B队列总的门开启时长，T_GCL表示门控列表的循环周期，s_A,i表示SR_A类消息流f_A,i在TSN交换机内的发送时限，s_B,i表示SR_B类消息流f_B,i在TSN交换机内的发送时限，r_A,i表示消息流f_A,i在TSN交换机内的最大响应时间，r_B,i表示消息流f_B,i在TSN交换机内的最大响应时间，w_A,k(k＝1,...,M_A)表示SR_A类流量的入队整形参数，w_B,k(k＝1,...,M_B)表示SR_B类流量的入队整形参数，R表示TSN交换机的传输带宽，单位为Mbps。

最大响应时间r_A,i是通过下式计算得到的：

其中，tpc表示数据帧在TSN交换机内的的处理时延，t_SW表示一个SR类数据帧或BE类数据帧在TSN交换机输出端口处的最大传输时延，c_A,i表示SR_A类消息流f_A,i中任意一个消息m_A,i的尾帧在TSN交换机中受SR_A队列门关闭影响产生的最大排队时延，即：等于在该消息的发送时限内SR_A队列的最大总关门时长，消息m_A,i包含n_A,i个数据帧，M_A表示SR_A队列前缓存队列的数目。

最大响应时间r_B,i是通过下式计算得到的：

其中，c_B,i表示SR_B类消息流f_B,i中任意一个消息m_B,i的尾帧在TSN交换机中受SR_B队列门关闭影响产生的最大排队时延，即：等于在该消息的发送时限内SR_B队列的最大总关门时长，消息m_B,i包含n_B,i个数据帧，M_B表示SR_B队列前缓存队列的数目。

步骤S502，利用粒子群优化算法对所述空闲斜率参数优化模型进行求解，得到所述空闲斜率参数的最小值。

步骤S503，根据所述所述空闲斜率参数的最小值配置所述SR_A类流量和/或SR_B类流量的预留带宽。

本实施例中，通过建立并求解空闲斜率参数优化模型，通过调整空闲斜率参数idleA、idleB和入队整形参数w_A,k(k＝1,...,M_A)、w_B,k(k＝1,...,M_B)，在保证时间敏感网络中的SR类消息均满足时延要求的同时最小化SR类流量的预留带宽。

下面，结合以上实施例的方法，通过一个具体的应用场景来说明本申请方法的有效性。参考图3，通过车载TSN网络对本申请的方法进行仿真验证2，消息流参数的数值设置如表1所示。

表1

其中，电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)和TSN交换机输出端口的传输带宽均为1Gbps，数据帧在TSN交换机内的处理时延为1μs，在链路上的传播时延忽略不计。高清摄像头、激光雷达和毫米波雷达作为ECU的外设，将采集到的信息传输至ECU，在ECU中切分封装成长度为354字节的数据帧后依据优先级输出，经TSN交换机转发至中央控制器。

车载TSN网络包含6个高清摄像头、6个激光雷达、6个毫米波雷达和若干个检测设备。中央控制器聚合处理摄像头和雷达采集到的信息并将其用于高级驾驶员辅助系统(Advanced Driver Assistance System，ADAS)，检测设备执行网络状态检测和系统故障检测等功能。

TSN交换机的门控列表的循环周期为310us，在每个周期的前74.944us内，ST队列的门打开，SR队列和BE队列的门关闭，其余时间队列的门状态与之相反。此时，带宽利用率最高可达97.75％。

通过仿真可得所有实时性消息的实际端到端时延均小于最大端到端时延以及上述车载TSN网络规定的截止时间。因此，所有实时性消息均能在其截止时间内到达中央控制器。对于实时性消息而言，端到端时延小于等于网络所规定的截止时间即可，受限于实际场景需求及中央控制器的处理频率，在此基础上进一步降低时延不会为高级驾驶员辅助系统带来性能上的提升。

由于相同优先级数据帧的输出顺序仅由入队时间决定，且SR类数据帧的入队时间受不可预知的事件触发时间影响，所以计算每个SR类消息在TSN交换机上的最大响应时间时应考虑最坏情况，即其尾帧到达TSN交换机的时间略晚于相同优先级的其他消息。为保证网络可调度，以实时性消息在TSN交换机上的发送时限为约束条件计算SR类流量的预留带宽时需要考虑相同优先级流量间互相干扰对最大响应时间的影响。

随着SR类流量预留带宽的增加，高优先级数据帧传输对BE类数据帧传输的阻塞程度逐渐提高。因此，为减小BE类消息的最大端到端时延，应在满足实时性消息时延要求的同时，尽可能地减少SR类流量的预留带宽。本申请的方法在TSN交换机的出口队列前增加入队整形，通过调整缓存队列中数据帧进入出口队列的顺序避免相同优先级流量间的互相干扰，从而为每条消息流预留与其时延要求相适宜的带宽资源并保证它不会被其他消息流优先使用。

参考图4，其为在TSN交换机内采用TAS+CBS调度算法和本申请的调度算法(scheduling algorithm combining TAS,CBS and WRR，CTCW)时，为保证网络可调度，SR类流量所需的最小预留带宽。

结合图5，可以看出采用TAS+CBS调度算法时，来源不同的SR_A类消息在TSN交换机上的最大响应时间近似相等且均小于SR_A类消息在TSN交换机上的最小发送时限。同样的，来源不同的SR_B类消息在TSN交换机上的最大响应时间也近似相等且均小于SR_B类消息在TSN交换机上的最小发送时限。采用本申请的流量调度算法时，来源不同的SR_A类消息或SR_B类消息在TSN交换机上的最大响应时间有所不同，且每条消息流的最大响应时间均略小于其在TSN交换机上的发送时限。

当检测设备以80ms为周期，周期性产生BE类消息并将其发往中央控制器时，BE类消息的最大端到端时延与BE类消息流数目的关系如图6所示。由图可知，应用本申请提出的流量调度算法相较于应用TAS+CBS调度算法可以将BE类消息的最大端到端时延减少16.52％～75.76％。

当检测设备以60ms～100ms为间隔，随机产生BE类消息时，BE类消息的最大端到端时延与BE类消息流数目的关系如图7所示。由图可知，应用本申请提出的流量调度算法相较于应用TAS+CBS调度算法可以将BE类消息的最大端到端时延减少9.66％～67.45％。

综合上述仿真结果可以看出，采用本申请提出的流量调度算法能够在TSN交换机内为优先级相同但时延要求不同的流量提供质量不同的细粒度服务，而采用TAS+CBS调度算法只能为相同优先级流量提供质量相同的粗粒度服务。因此，为满足网络中所有SR类流量的时延要求，本申请提出的流量调度算法所需的预留带宽更小。通过图5能够看出，相较于TAS+CBS调度算法，采用本申请的流量调度算法会导致部分SR类消息流在TSN交换机上的最大响应时间有所增加，但不会超过所规定的发送时限，即不会对系统性能产生消极影响。通过图6和图7能够看出，采用本申请的流量调度算法能够减少SR类流量的预留带宽，并且在一定程度上减小了BE类消息的最大端到端时延。

此外，在车载TSN网络中，随着车内功能的多样化，ECU的数目将不断增加。当消息流数目较多时，采用本申请提出的流量调度算法相较于采用TAS+CBS调度算法进行流量调度可以明显提高网络的调度成功率。

结合图8，其为网络的调度成功率与时间敏感流数目的关系曲线，图中每个合成案例均包含若干个源节点和一个目的节点，其中一个源节点生成周期为310us、消息大小为1248B、截止时间为100us的硬实时流量，其他源节点随机生成周期为15ms～50ms、截止时间与周期一致、消息大小为38KB～128KB的软实时流量。通过图8可以看出，在TSN交换机内应用本申请提出的流量调度算法时，网络的调度成功率至多可以提高51.4％。

需要说明的是，本申请实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本申请实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种基于入队整形的TSN网络流量调度装置。

参考图9，所述基于入队整形的TSN网络流量调度装置，包括：

获取模块601，被配置为响应于流量调度请求，获取门控列表以及数据帧的流标识和优先级，其中，所述优先级包括SR_A类流量、SR_B类流量，且所述SR_A类流量的优先级高于所述SR_B类流量。

入队整形模块602，被配置为根据所述流标识和所述优先级，利用加权轮询调度将SR_A类流量、SR_B类流量对应的所述数据帧分别加入至SR_A队列和SR_B队列。

第一调度模块603，被配置为根据所述门控列表和基于信用的整形器CBS，获取SR_A队列或SR_B队列中的第一目标数据帧；响应于确定所述目标数据帧不为空闲数据帧，输出所述第一目标数据帧。

作为一个可选的实施例，所述第一调度模块具体被配置为根据所述CBS，确定所述SR_A队列和所述SR_B队列的信用值；

作为一个可选的实施例，所述优先级包括BE类流量，所述BE类流量的优先级低于所述SR_B类流量的优先级，且所述BE类流量对应的数据帧在BE队列中；所述装置还包括第二调度模块(图未示出)，所述第二调度模块被配置为响应于确定所述SR_A队列和所述SR_B队列的信用值均为负数，且所述BE队列的门为开启状态，获取所述BE队列中的第二目标数据帧并输出；和/或响应于确定所述第一目标数据帧为空闲数据帧，获取所述第二目标数据帧并输出。

作为一个可选的实施例，所述优先级包括ST类流量，所述ST类流量的优先级高于所述SR_A类流量的优先级，且所述ST类流量对应的数据帧在ST队列中；所述装置还包括第三调度模块，所述第三调度模块被配置为响应于确定所述ST队列的门为开启状态，获取所述ST队列中的第三目标数据帧并输出。

作为一个可选的实施例，所述装置还包括参数优化模块，所述参数优化模块被配置为构建空闲斜率参数优化模型；利用粒子群优化算法对所述空闲斜率参数优化模型进行求解，得到所述空闲斜率参数的最小值；根据所述所述空闲斜率参数的最小值配置所述SR_A类流量和/或SR_B类流量的预留带宽。

作为一个可选的实施例，所述空闲斜率参数优化模型的表达式如下：

s.t.r_A,i≤s_A,i；r_B,i≤s_B,i；

w_A,k∈N；w_B,k∈N；

idleA≥0；idleB≥0；

idleA+idleB≤R

最大响应时间r_A,i是通过下式计算得到的：

最大响应时间r_B,i是通过下式计算得到的：

作为一个可选的实施例，所述门控列表用于控制所述ST队列、所述SR_A队列、所述SR_B队列和/或所述BE队列的门状态。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的基于入队整形的TSN网络流量调度方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的基于入队整形的TSN网络流量调度方法。

图10示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的基于入队整形的TSN网络流量调度方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的基于入队整形的TSN网络流量调度方法。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的基于入队整形的TSN网络流量调度方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种基于入队整形的TSN网络流量调度方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的流量调度方法，其特征在于，所述根据所述门控列表和基于信用的整形器CBS，获取SR_A队列或SR_B队列中的第一目标数据帧，包括：

根据所述CBS，确定所述SR_A队列和所述SR_B队列的信用值；

3.根据权利要求2所述的流量调度方法，其特征在于，所述优先级包括BE类流量，所述BE类流量的优先级低于所述SR_B类流量的优先级，且所述BE类流量对应的数据帧在BE队列中；

和/或

4.根据权利要求1所述的流量调度方法，其特征在于，所述优先级包括ST类流量，所述ST类流量的优先级高于所述SR_A类流量的优先级，且所述ST类流量对应的数据帧在ST队列中；

5.根据权利要求1所述的流量调度方法，其特征在于，所述方法还包括：

构建空闲斜率参数优化模型；

6.根据权利要求5所述的流量调度方法，其特征在于，所述空闲斜率参数优化模型的表达式如下：

s.t.r_A,i≤s_A,i；r_B,i≤s_B,i；

w_A,k∈N；w_B,k∈N；

idleA≥0；idleB≥0；

idleA+idleB≤R

最大响应时间r_A,i是通过下式计算得到的：

最大响应时间r_B,i是通过下式计算得到的：

7.根据权利要求1-6任意一项所述的流量调度方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述门控列表控制所述ST队列、所述SR_A队列、所述SR_B队列和/或所述BE队列的门状态。

8.一种基于入队整形的TSN网络流量调度装置，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任意一项所述的方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至7任一所述方法。