CN114553782A - 一种大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法 - Google Patents

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CN114553782A CN202210108088.3A CN202210108088A CN114553782A CN 114553782 A CN114553782 A CN 114553782A CN 202210108088 A CN202210108088 A CN 202210108088A CN 114553782 A CN114553782 A CN 114553782A
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Abstract

本发明公开了一种大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法，其中，该方法包括：根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，基于规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；基于规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。本发明通过一种基于网络边缘流量整形的调度方法进行业务流接入时隙偏移量的控制，以及采用链路负载均衡权衡的预路由方式，联合实现了大规模确定性网络有界端到端时延与零丢包传输。

Description

一种大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法
技术领域
本发明涉及互联网应用技术领域，特别涉及一种大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法及装置。
背景技术
近些年来，随着5G通信的发展与互联网协议的演进，许多安全关键与实时应用领域对网络提出了低时延抖动、高可靠性等业务服务需求。由于传统IP网络提供的是尽力而为的转发服务，只能保证平均延迟，不能提供严格的服务质量保证。在相关应用领域(如工业控制系统、远程医疗等)超过最坏情况延迟限制可能会产生较大负面影响，甚至会造成巨大的经济损失与安全事故。因此，应用于广域网且能够提供确定服务需求保障的大规模确定性网络成为了网络领域研究的热点，很多新的流量整形与调度方法被提出并应用到确定性网络中。
现有的确定性网络(Deterministic Networks)的流量整形与调度方案主要用于保障二、三层确定性网络的时间敏感流量的有界时延传输或者满足不同优先级流量的共网传输。一方面，在数据链路层利用流量整形、优先级队列分类等机制在时间敏感网络实现确定性传输，例如时间感知整形TAS(Time-Aware Shaper)和循环队列转发CQF(CyclicQueuing and Forwarding)等机制。但是这些二层流量整形机制需要基于全局设备的精准时钟同步来实现有界的端到端时延抖动保障，因此这类调度机制目前仅适用于园区、工厂内的小规模确定性网络。另一方面，在网络层采用频率同步机制实现全局设备时钟同步的调度与路由方案能够实现广域网中核心网的确定性传输，例如扩展确定性转发SDF(Scalable Deterministic Forwarding)与循环指定排队转发CSQF(Cycle SpecifiedQueuing and Forwarding)。但是由于广域网中存在许多具有不同特性的流共传，使得业务流较大可能在边缘网络发生流冲突，难以利用上述机制进行流量调度进行高流密度下的时间敏感流业务的高效调度，此外，远距离链路传输通常会为端到端延迟带来额外的不确定性。
综上，目前大多数方案都尝试在局域网或广域网的核心网中对时间敏感流量进行整形与调度，缺乏在大规模网络边缘进行流量整形的方案。其基本思想都是直接对接入网络的时间敏感流量进行优先级分类后采用时分复用的方式进行传输以保障确定性服务质量需求。由于不同流特性的流量在核心网汇聚以及长距离链路引入的不确定性对网络中的可调度流数目、资源利用率等方面产生了巨大影响，使得当前的大规模确定性网络的整形与路由方案在调度能力上存在着一定缺陷，确定性网络的优势将无法体现和得到充分应用。
可见，在大规模确定性网络中进行时间敏感流调度过程中，我们设计了一种计算时隙偏移量的边缘流量整形方法来控制接入边缘网络的流量，以提高整体端到端可控的确定性调度性能，实现精度到流级别的调度控制，缓解流汇聚导致的时隙冲突现象，是一个亟待解决的问题。
现有技术以及对应缺点
CSQF(Cycle Specified Queuing and Forwarding)基于分段路由的周期具化的排队转发机制。CSQF机制利用IEEE 1588v2精确时间协议(PTP)实现了广域网中各设备的全局频率同步，放宽了严格的同步约束，每种类型流的具有多个循环队列，包括一个接收队列(RQ)，一个发送队列(SQ)和多个容忍队列(TQ)，利用附加的TQ以增加数据包缓存，并有能力吸收一定数量的处理抖动和流量突发。因此，CSQF机制可以使用循环映射方法将每个时间敏感数据包的标识符映射到一个循环队列上，利用IP包中的段路由标识符(SID)动态地与核心网中节点的每个端口上的传输周期协调，以此通过时分复用的方式在大规模网络中对时间敏感流量进行资源预留与调度。CSQF最大的特点是在广域网中采用多个队列进行周期转发以容纳核心网中的抖动与流量突发引入的设备内排队时延。
缺点是，缺乏对接入流量的整形机制，CSQF机制不能根据确定性网络中传输的时间敏感流的流特性进行统一的接入流量整形，而是直接对接入网络的流量进行传输周期协调与转发，这样就导致时间敏感流无控制地接入，造成很大可能在核心网发生流汇聚碰撞以及链路拥塞。为保障时间敏感流量的有界端到端时延保障，会造成大量流量不可调度，从而降低整个网络的调度性能(相同规模网络拓扑下，可调度流数目偏低，时隙资源利用率偏低)。
ITP(Injection Time Planning)注入时间规划。ITP机制对于局域网内的时间敏感流量进行接入控制，由于网络规模较小能够进行每条接入网络的时间敏感流的起始时刻进行控制，同时利用门控列表进行时隙资源进行分配。ITP的最大特点是在小规模确定性网络中进行流量接入控制，有限地扩大时间敏感流的调度数目。
缺点是，ITP由于是逐流地对时间敏感流进行网络接入控制，需要基于门控列表的配置对每条流进行流量整形。面对广域网中大量不同特性的流量传输，会造门控配置难度大幅上升，无法在大规模的网络下进行海量时间敏感流的逐流接入整形，也无法解决广域网中引入长距离链路不确定性时延。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明针对现有大规模确定性网络所面临的长距链路引入的不确定性与广域网多流汇聚问题，提出了一种基于网络边缘流量整形调度方法，结合链路负载均衡权衡的预路由方式实现了大规模确定性网络有界端到端时延与零丢包传输。这种方式在业务流接入网络后就在边缘路由器(或交换机)计算获取接入时隙偏移进行流量整形以减小在核心网中发生流汇聚问题带来的影响，同时依靠链路负载均衡权衡的预路由方式进一步缓解业务流时隙冲突问题，以此提升方案在高流密度下的时间敏感流调度性能。
本发明的另一个目的在于提出一种大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度装置。
为达到上述目的，本发明一方面提出了大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法，包括：S1,根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，基于规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；S2,基于规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。
本发明实施例的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法，根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，基于规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；基于规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。本发明通过一种基于网络边缘流量整形的调度方法进行业务流接入时隙偏移量的控制，以及采用链路负载均衡权衡的预路由方式，联合实现了大规模确定性网络有界端到端时延与零丢包传输。
另外，根据本发明上述实施例的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S1，包括：中心网络控制器通过接收网络拓扑信息与时间敏感流特征参数对确定性显式路径进行预路由规划；根据时间敏感业务流数据包的源地址、目的地址、端到端的时延上界、链路上负载流数目进行加权计算，以选择所有最短路径集合中的局部最优路径以作为规划路由。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S1，具体包括：
S1.1,中心网络控制器通过API接口发现并连接终端设备；其中，所述网络拓扑信息包括：网络拓扑结构、链路容量上限、链路传播距离、设备端口传输速率；所述时间敏感流特征参数包括：数据包发送周期、数据包数量、最坏时延要求和目的/源地址信息；
S1.2,根据网络现有链路负载情况，每添加一条调度流，对时间敏感流的平均端到端时延、路由跳数、链路流负载状态对时间敏感流进行加权排序，选择权重阈值路径作为调度路径；
S1.3,重复执行S1.2，直至所有时间敏感业务流都完成预路由调度；
S1.4,若无新时间敏感流需要增量调度则缓存当前预路由表，若有新时间敏感流需要增量调度则再执行S1.2。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S2，包括：
S2.1,通过边缘网络流量整形机制，在最坏的端到端时延容忍范围内，设置时间敏感流的时间偏移量；
S2.2，通过边缘网络流量整形的调度算法，为接入网络的流量进行时隙偏移与流量整形，结合预路由确定性路径，完成时间敏感流的确定性调度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S2.1，包括：
S2.11,通过终端的上层应用确定性业务流的端到端时延需求以及预路由方式获取显式路由的端到端时延，判断路径所承载的链路资源是否可调度，若可调度则执行S2.13获取相应调度路径与节点转发参数，若不可调度则执行S2.12，进行业务流边缘接入控制；
S2.12,对不可调度业务流，进行起始时刻的随机偏移，偏移时刻设置限制在单流的一个发送周期内，起始时刻的时间偏移纳入业务流的端到端时延内；
S2.13,获取业务流的起始偏移时刻后得到满足调度条件的调度路径、段路由标签与周期转发参数；
S2.14,判断当前时间敏感业务流调度方案是否满足局部最优解，若在限制约束条件内满足局部最优解解则执行S2.15，否则通过特定策略，迭代求解时间敏感流接入时间偏移量，重复执行S2.12；
S2.15,根据局部最优解的调度的参数，通过CSQF实现业务流的调度与配置下发。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S2.2，包括：
S2.21，对待调度流进行初始化，通过流特征信息与网络拓扑信息，求得最短简单路径集合；
S2.22，从所述最短简单路径集合中加权求得每条时间敏感流的局部最优调度路径，获取权重值最小的路径作为局部最优解；
S2.23，对待调度流集合进行边缘流量整形，通过贪婪算法求得每条流的局部最优时间偏移量，将所述待调度流集合分为调度成功流与调度失败流；其中，通过交叉迭代的方式，随机获取数值小于或者等于业务流周期的时隙值作为时间偏移量；
S2.24，迭代进行边缘流量整形，将S2.23中的调度失败流作为待调度流，根据时间敏感流的发包频率，数据包数量进行加权，按照权重分布逐流调度；
S2.25，重复S2.24的迭代计算，直到完成最大迭代轮次或完成全部时间敏感流的调度，得到全局时间敏感流的时隙偏移量与路由方式。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S2.21的输出结果为：时间敏感业务流的逐跳路由路径；
所述S2.22的加权参数包括：链路传播时延、路径跳数和链路承载业务流数目；
所述S2.23包括：通过交叉迭代的方式，随机获取数值小于或者瞪与业务流周期的时隙值作为偏移量；
所述S2.24按照权重分布逐流调度，包括：对权重值降序排序，根据所述降序排序进行调度；
所述S2.25的输出结果为：完成调度业务流的显式路由路径，业务流的接入时隙偏移量，业务流转发SID信息。
为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度装置，包括：网络核心处理模块,用于根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，基于所述规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；网络边缘处理模块,用于基于所述规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。
本发明实施例的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度装置，通过网络核心处理模块,用于根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，基于所述规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；网络边缘处理模块,用于基于所述规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。本发明通过一种基于网络边缘流量整形的调度方法进行业务流接入时隙偏移量的控制，以及采用链路负载均衡权衡的预路由方式，联合实现了大规模确定性网络有界端到端时延与零丢包传输。
本发明具体解决的技术问题为：
在大规模确定性网络中将端到端的确定性传输分为核心网与接入网两部分，在接入网对时间敏感流量进行流量整形，按照逐类的方式在业务流级别控制流量起始时刻；在核心网部分通过负载均衡的预路由方式结合CSQF机制进行确定性调度，共同保障端到端业务流的有界时延与零丢包传输。
设计了基于链路负载均衡权衡的预路由方式，考虑了长距链路传播时延的不确定性的影响因素。采用权衡链路负载与业务流端到端时延容忍度的方式对显式路径进行预路由，以确定显式路由辅助边缘流量整形的时间偏移量的求解。通过链路时延和链路负载进行加权，实现负载均衡，保障QoS需求。
设计基于边缘流量整形的确定性调度方案，通过贪婪策略对边缘接入流量的起始时刻(时隙偏移量)进行迭代求解计算，结合调度的显式路由得到实现了网络边缘流量整形的大规模确定网络流调度方案，缓解流汇聚现象提升同规模网络下调度能力。
本发明的有益效果为：
基于链路负载均衡权衡的预路由带来的效果
1)获取待调度业务流的显式路由：通过加权参数获取局部最优调度显式路由，确定端到端时延调度范围，辅助边缘流量整形的时隙偏移量求解。
缓解核心网流汇聚现象：通过负载均衡可根据流在路径上的拥塞状况调整传输路径，根据时间敏感流的端到端时延约束选择链路容量所能承载的路径，使时间敏感流的流能够在所有的链路上保持均衡，缓解流汇聚现象。
2)基于边缘流量整形的确定性调度带来的效果
引入时间偏移量控制接入业务流：根据对时间敏感流量的流特性周期，对接入大规模确定性网络的业务流进行起始时间偏移设置，必要地控制与管理接入流量在各节点间的汇聚情况，实现大规模网络下海量流量接入的确定性可控。
提升网络资源利用率：通过网络边缘流量整形，使起始时刻偏移具有相同流特征参数的流在大规模网络中进行调度时，能够提升平均时隙资源利用率。
3)大规模确定性网络结合预路由方式的边缘流量整形调度方案带来的效果
提升同规模网络下业务流调度数量：通过对边缘接入业务流的时隙偏移量进行求解的方式实现边缘流量整形，按照预路由方式进行路径资源预留，必要地减少了数据包后续发生碰撞而导致的丢包现象，提升了同规模网络下可调度时间敏感流的数量，调度方案更加高效实用。
缓解同规模网络下时隙冲突现象：基于边缘整形的确定性调度方案，在空间层面选择最优调度路径，避免流汇聚导致的时隙冲突；在时间层面对流量起始时刻进行接入控制，缓解时隙冲突，提升时隙资源利用率。
基于TSN底层机制：基于现有时间敏感网络在链路层的整形机制实现边缘流量整形，采用IEEE 802.1Q同一的协议标准，不易出现底层设备异构导致的不兼容问题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法流程图；
图2为根据本发明实施例的大规模确定性网络中基于时隙控制偏移量的边缘流量整形架构示意图；
图3为根据本发明实施例的网络边缘流量整形对比示意图；
图4为根据本发明实施例的路由设备邻居信息存储格式示意图；
图5为根据本发明实施例的确定性业务流进行起始时间偏移的接入控制示意图；
图6为根据本发明实施例的边缘网络流量整形机制的具体实现算法示意图；
图7为根据本发明实施例的基于边缘流量整形的确定性网络架构示意图；
图8为根据本发明实施例的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法。
在大规模确定性网络中，本发明选择在网络边缘设备对接入流量进行整形，动态调整业务流的发包起始时刻来缓解核心网内时间敏感流汇聚导致的数据包冲突。在路由层面，结合数据链路负载与链路时延进行权衡预路由，通过权重选择逐流求得最优调度路径，辅助边缘流量整形的时隙偏移求解，进一步缓解广域网中的流汇聚现象。在数据层面，网络边缘整形采用贪婪策略对时间敏感流的起始偏移时刻进行迭代求解，在保障端到端时延限制内在网络边缘引入起始时刻时延偏差实现调度，同时可结合流特征(周期、数据包数目、端到端时延)加权获取可调度流数目最大值。如图2所示。
对于未采用边缘流量整形的调度方法，由于现有确定性网络采用基于时分复用的转发机制，未在网络边缘引入时间偏移对业务流量进行接入控制，会导致在高流密度下大幅降低可调度流数目。相比未采用该方法的网络调度整形方式，本发明能够实现在接入侧精度到流级别的调度控制，大幅度地降低流汇聚的时隙冲突现象，同规模网络下可调度业务流数目提升，整体调度性能提升。
图1是本发明一个实施例的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法流程图。
如图1所示，该大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法包括以下步骤：
步骤S1，根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，基于规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量。
具体的，本发明设计基于链路负载均衡权衡的预路由方式，如图3所示，我们在中心网络控制(CNC)通过网络拓扑信息与时间敏感流特征参数对确定性显式路径进行预路由规划，根据时间敏感业务流数据包的源地址、目的地址、端到端的时延上界、链路上负载流数目进行加权计算，尽可能避免发生数据包碰撞，以选择所有简单最短路径集合中的局部最优路径以作为规划路由。如图3所示，未采用本发明的链路负载均衡权衡的预路由方式时，业务流在部分链路上汇聚导致数据包碰撞进而影响后续全局流量调度性能；采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，能够实现链路负载均衡以充分利用时隙资源。具体流程如下：
1)中心网络控制器(CNC)通过API接口发现并连接终端设备。输入参数：接收网络拓扑信息，包含网络拓扑结构、链路容量上限、链路传播距离、设备端口传输速率；时间敏感流业务信息，包含数据包发送周期、数据包数量、最坏时延要求，目的/源地址信息。
2)根据网络现有链路负载情况，每添加一条调度流，对时间敏感流的平均端到端时延、路由跳数、链路流负载状态对时间敏感流进行加权排序，选择权重最小路径作为调度路径。
3)重复执行第2步，直至所有时间敏感业务流都完成预路由调度。
4)若无新时间敏感流需要增量调度则缓存当前预路由表，用于边缘流量整形调度；若有新时间敏感流需要增量调度则再执行第2步。
通过权衡链路负载与链路时延的预路由方式获取所有待调度流的显示路由路径，以支持边缘流量整形的时隙偏移量求解以及端到端确定性调度方案的实现。
S2,基于规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。
具体的，本发明设计基于边缘流量整形的确定性调度方法，如图4所示，本发明设计了基于边缘流量整形的确定性调度方案来实现广域网中的确定性服务。本发明在核心网部分沿用CSQF的分段路由与周期具化的方式进行循环排队转发；在网络边缘部分，为了避免大量接入流量在边缘或核心网内传输时发生流汇聚，本发明可以根据接入流量的多种特性，指定注入大规模网络的每条流的起始时间(求解接入业务流的时隙偏移量)。如图4所示，在未对接入流量进行起始时间控制的情况下，会发生时隙冲突，导致部分业务流冲突与资源浪费；为避免业务流同一时刻接入而导致数据包不可调度，本发明通过贪婪算法对接收数据包的起始时刻进行时间偏移，在满足端到端时延需求的情况下，最大化同等网络规模下的可调度流数目。
实现边缘网络流量整形机制是对接入大规模确定网边缘网络的业务流进行起始时刻的偏移。在最坏的端到端时延容忍范围内，设置时间敏感流的时间偏移量(起始时刻)，通过在边缘引入较小的时延偏移量(单流发生周期内)来缓解大规模确定性网络中核心部分的流汇聚问题。如图5所示，本机制具体流程如下：
(1)通过终端的上层应用确定性业务流的端到端时延需求以及预路由方式获取显式路由的端到端时延，判断路径所承载的链路资源是否可调度，若可调度则执行第3步获取相应调度路径与节点转发参数，若不可调度则执行第2步，进行业务流边缘接入控制。
(2)对不可调度业务流，进行起始时刻的随机偏移，其偏移时刻设置限制在单流的一个发送周期内，起始时刻的时间偏移纳入业务流的端到端时延内，需满足上层应用限制条件。
(3)获取业务流的起始偏移时刻后得到满足调度条件的调度路径、段路由标签与周期转发参数，实现满足最坏端到端时延需求的调度方案。
(4)判断当前时间敏感业务流调度方案是否满足局部最优解(未超过最大迭代限制或时隙资源可再调度)，若在限制约束条件内满足局部最优解解则执行第5步，否则通过贪心策略(或类似启发式算法)，迭代求解时间敏感流接入时间偏移量，重复执行第2步。
(5)根据局部最优解的调度方案的参数，通过CSQF实现业务流的调度与配置下发。
该机制的具体实现算法如图6所示，通过基于边缘流量整形的调度算法，为接入网络的流量进行时隙偏移与流量整形，结合预路由确定性路径，完成时间敏感流的确定性调度。具体算法流程如下：
1、对待调度流进行初始化，通过流特征信息与网络拓扑信息，求得最短简单路径集合。输入参数为：网络拓扑结构、链路容量上限、链路传播距离、设备端口传输速率、数据包发送周期、数据包数量、最坏时延要求，目的/源地址信息。输出结果为：时间敏感业务流的逐跳路由路径。
2、根据预留路由方式，从最短简单路径集合中加权求得每条时间敏感流的局部最优调度路径。加权参数：链路传播时延，路径跳数，链路承载业务流数目。获取权重值最小的路径作为局部最优解。
3、对待调度流集合进行边缘流量整形，通过贪婪算法(或类似启发式算法)求得每条流的局部最优时间偏移量，将待调度流分为调度成功流与调度失败流。其中通过交叉迭代的方式，随机获取数值不超过业务流周期的时隙值作为偏移量。
4、迭代进行边缘流量整形，将第3步中的调度失败流作为待调度流，根据时间敏感流的发包频率，数据包数量进行加权，按照权重分布逐流调度。其中权重值较低优先进行调度。
5、重复第4步的迭代计算，直到完成最大迭代轮次或完成全部时间敏感流的调度，得到全局时间敏感流的时隙偏移量与路由方式，以得到业务流的端到端确定性调度方案结果。输出结果：完成调度业务流的显式路由路径，业务流的接入时隙偏移量，业务流转发SID信息。
进一步的，根据附图整体阐述本发明的技术方案，如图7所示，为基于边缘流量整形的确定性网络架构。
本发明的整体架构与流程如图7所示，在大规模确定性网络中使用网络边缘的流量整形方法。在网络核心部分使用了上述基于链路负载均衡权衡的预路由方式，在网络边缘部分使用了上述基于边缘流量整形的确定性调度方法。总体流程如下：
在中心网络控制器CNC中，载入流特性(数据包的传输周期)、网络拓扑信息(节点和链路的参数)和调度机制。
通过基于预路由规划和网络边缘流量整形的调度方法，求解得到当前状态的显示路由、可分配资源以及网络设备配置信息。
通过南北向接口将CNC利用贪婪算法迭代求解的调度方法下发到网络设备上。
网络设备通基于下发参数进行门控列表配置，完成时间敏感流端到端时延可控的流转发操作。
根据本发明提供一种大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法，通过根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，基于规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；基于规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。本发明通过一种基于网络边缘流量整形的调度方法进行业务流接入时隙偏移量的控制，以及采用链路负载均衡权衡的预路由方式，联合实现了大规模确定性网络有界端到端时延与零丢包传输。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度装置。
图8是本发明一个实施例的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度装置结构示意图。
如图8所示，该大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度装置10包括：网络核心处理模块100和网络边缘处理模块200。
网络核心处理模块100，用于根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，
基于规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；
网络边缘处理模块200，用于基于规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。
作为一种示例，上述网络核心处理模块200，还用于：中心网络控制器通过接收网络拓扑信息与时间敏感流特征参数对确定性显式路径进行预路由规划；根据时间敏感业务流数据包的源地址、目的地址、端到端的时延上界、链路上负载流数目进行加权计算，以选择所有最短路径集合中的局部最优路径以作为规划路由。
作为一种示例，上述网络核心处理模块200，还包括：
数据接入模块，用于中心网络控制器通过API接口发现并连接终端设备；其中，网络拓扑信息包括：网络拓扑结构、链路容量上限、链路传播距离、设备端口传输速率；时间敏感流特征参数包括：数据包发送周期、数据包数量、最坏时延要求和目的/源地址信息；
加权排序模块，用于根据网络现有链路负载情况，每添加一条调度流，对时间敏感流的平均端到端时延、路由跳数、链路流负载状态对时间敏感流进行加权排序，选择权重阈值路径作为调度路径；
执行调度模块，用于重复使用加权排序模块，直至所有时间敏感业务流都完成预路由调度；
敏感流判断模块,用于若无新时间敏感流需要增量调度则缓存当前预路由表；若有新时间敏感流需要增量调度则再使用加权排序模块。
根据本发明实施例提出的大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度装置，通过网络核心处理模块,用于根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，基于所述规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；网络边缘处理模块,用于基于所述规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。本发明通过一种基于网络边缘流量整形的调度方法进行业务流接入时隙偏移量的控制，以及采用链路负载均衡权衡的预路由方式，联合实现了大规模确定性网络有界端到端时延与零丢包传输。
需要说明的是，前述对大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形的调度方法实施例的解释说明也适用于该装置，此处不再赘述。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1,根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，
基于所述规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；
S2,基于所述规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1，包括：
中心网络控制器通过接收网络拓扑信息与时间敏感流特征参数对确定性显式路径进行预路由规划；根据时间敏感业务流数据包的源地址、目的地址、端到端的时延上界、链路上负载流数目进行加权计算，以选择所有最短路径集合中的局部最优路径以作为规划路由。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1，具体包括：
S1.1,中心网络控制器通过API接口发现并连接终端设备；其中，所述网络拓扑信息包括：网络拓扑结构、链路容量上限、链路传播距离、设备端口传输速率；所述时间敏感流特征参数包括：数据包发送周期、数据包数量、最坏时延要求和目的/源地址信息；
S1.2,根据网络现有链路负载情况，每添加一条调度流，对时间敏感流的平均端到端时延、路由跳数、链路流负载状态对时间敏感流进行加权排序，选择权重阈值路径作为调度路径；
S1.3,重复执行S1.2，直至所有时间敏感业务流都完成预路由调度；
S1.4,若无新时间敏感流需要增量调度则缓存当前预路由表，若有新时间敏感流需要增量调度则再执行S1.2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2，包括：
S2.1,通过边缘网络流量整形机制，在最坏的端到端时延容忍范围内，设置时间敏感流的时间偏移量；
S2.2，通过边缘网络流量整形的调度算法，为接入网络的流量进行时隙偏移与流量整形，结合预路由确定性路径，完成时间敏感流的确定性调度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S2.1，包括：
S2.11,通过终端的上层应用确定性业务流的端到端时延需求以及预路由方式获取显式路由的端到端时延，判断路径所承载的链路资源是否可调度，若可调度则执行S2.13获取相应调度路径与节点转发参数，若不可调度则执行S2.12，进行业务流边缘接入控制；
S2.12,对不可调度业务流，进行起始时刻的随机偏移，偏移时刻设置限制在单流的一个发送周期内，起始时刻的时间偏移纳入业务流的端到端时延内；
S2.13,获取业务流的起始偏移时刻后得到满足调度条件的调度路径、段路由标签与周期转发参数；
S2.14,判断当前时间敏感业务流调度方案是否满足局部最优解，若在限制约束条件内满足局部最优解解则执行S2.15，否则通过特定策略，迭代求解时间敏感流接入时间偏移量，重复执行S2.12；
S2.15,根据局部最优解的调度的参数，通过CSQF实现业务流的调度与配置下发。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S2.2，包括：
S2.21，对待调度流进行初始化，通过流特征信息与网络拓扑信息，求得最短简单路径集合；
S2.22，从所述最短简单路径集合中加权求得每条时间敏感流的局部最优调度路径，获取权重值最小的路径作为局部最优解；
S2.23，对待调度流集合进行边缘流量整形，通过贪婪算法求得每条流的局部最优时间偏移量，将所述待调度流集合分为调度成功流与调度失败流；其中，通过交叉迭代的方式，随机获取数值小于或者等于业务流周期的时隙值作为时间偏移量；
S2.24，迭代进行边缘流量整形，将S2.23中的调度失败流作为待调度流，根据时间敏感流的发包频率，数据包数量进行加权，按照权重分布逐流调度；
S2.25，重复S2.24的迭代计算，直到完成最大迭代轮次或完成全部时间敏感流的调度，得到全局时间敏感流的时隙偏移量与路由方式。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述S2.21的输出结果为：时间敏感业务流的逐跳路由路径；
所述S2.22的加权参数包括：链路传播时延、路径跳数和链路承载业务流数目；
所述S2.23包括：通过交叉迭代的方式，随机获取数值小于或者瞪与业务流周期的时隙值作为偏移量；
所述S2.24按照权重分布逐流调度，包括：对权重值降序排序，根据所述降序排序进行调度；
所述S2.25的输出结果为：完成调度业务流的显式路由路径，业务流的接入时隙偏移量，业务流转发SID信息。
8.一种大规模确定性网络中基于网络边缘流量整形调度装置，其特征在于，包括：
网络核心处理模块,用于根据业务流信息拓展特征，采用预路由方式，在最短路径集合中的局部最优路径作为规划路由，以链路负载均衡；以及，
基于所述规划路由，设计网络边缘流量整形的接入业务流控制方式，输出边缘接入业务流时隙偏移量；
网络边缘处理模块,用于基于所述规划路由和边缘接入业务流时隙偏移量，根据边缘网络流量整形机制，设计基于边缘流量整形的确定性调度方式，实现广域网中的确定性服务。
9.据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述网络核心处理模块，还用于：
中心网络控制器通过接收网络拓扑信息与时间敏感流特征参数对确定性显式路径进行预路由规划；根据时间敏感业务流数据包的源地址、目的地址、端到端的时延上界、链路上负载流数目进行加权计算，以选择所有最短路径集合中的局部最优路径以作为规划路由。
10.据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述网络核心处理模块，还包括：
数据接入模块,用于中心网络控制器通过API接口发现并连接终端设备；其中，所述网络拓扑信息包括：网络拓扑结构、链路容量上限、链路传播距离、设备端口传输速率；所述时间敏感流特征参数包括：数据包发送周期、数据包数量、最坏时延要求和目的/源地址信息；
加权排序模块,用于根据网络现有链路负载情况，每添加一条调度流，对时间敏感流的平均端到端时延、路由跳数、链路流负载状态对时间敏感流进行加权排序，选择权重阈值路径作为调度路径；
执行调度模块，用于重复使用加权排序模块，直至所有时间敏感业务流都完成预路由调度；
敏感流判断模块,用于若无新时间敏感流需要增量调度则缓存当前预路由表；若有新时间敏感流需要增量调度则再使用加权排序模块。
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