CN115378865A - Avb流时延的路由调度方法和系统、存储介质、终端设备 - Google Patents

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CN115378865A CN202210971335.2A CN202210971335A CN115378865A CN 115378865 A CN115378865 A CN 115378865A CN 202210971335 A CN202210971335 A CN 202210971335A CN 115378865 A CN115378865 A CN 115378865A
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Abstract

本发明公开了一种AVB流时延的路由调度方法和系统、存储介质、终端设备，所述方法包括：将TSN网络拓扑抽象为网络有向图；建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化；在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径；根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。本发明的路由调度方法，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。

Description

AVB流时延的路由调度方法和系统、存储介质、终端设备
技术领域
本发明涉及时间敏感网络技术领域，尤其涉及一种AVB流时延的路由调度方法、一种AVB流时延的路由调度系统、一种计算机可读存储介质和一种终端设备。
背景技术
在现代工业自动化网络中，随着通信对实时性，可靠性需求的增加，传统以太网由于其局限性无法满足网络性能需求，TSN(Time-Sensitive Networking时间敏感网络)以传统以太网为网络基础，通过时钟同步、数据调度、网络配置等机制，提供确定性数据传输能力。
TSN工作组制定了一系列标准，用于在有界延迟和抖动的以太网网络上进行实时通信。其中IEEE 802.1Qbv协议定义了一个可编程的门控机制，即TAS(Time AwarenessShaper，时间感知的整形器)，它使用时间传输门和GCL(Gate Control List，门控制列表)来决定哪个队列被选择用于传输，TAS通过将网络中周期数据、非周期数据和实时数据等不同类型的数据进行归类划分，进行调度后来实现不同类型数据的高效传输。TSN网络中除了要传输时间触发流(TT流)还有音视频流(AVB流)以及尽力而为流(BE流)。
目前国内外已经有非常多优秀的研究人员提出TT流量的路由和调度方法，P.Pop等人解决了为TT和AVB流量确定静态路由的问题，E.Schweissguth等人解决了联合路由和调度问题，提出了基于ILP(Integer Linear Programming，整数线性规划)和基于列表调度的启发式的解决方案。但大部分研究都孤立地看待TT流量忽略了较低优先级的实时流量，如AVB流，导致TT流量配置可能会增加AVB流量的最坏情况延迟，使其无法调度。如何结合TSN技术在保证TT流的确定性实时通信前提下，尽可能提高AVB流的通信性能，是一个极具挑战性的问题。
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，本发明的第一个目的在于提出一种AVB流时延的路由调度方法，根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，在接收到路径选择需求时，采用KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径，并根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
本发明的第二个目的在于提出一种AVB流时延的路由调度系统。
本发明的第三个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
本发明的第四个目的在于提出一种终端设备。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种AVB流时延的路由调度方法，包括：将TSN网络拓扑抽象为网络有向图；建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化；在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径；根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。
根据本发明实施例的AVB流时延的路由调度方法，首先将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，然后建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，接着在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径，最后根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。由此，该方法根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，在接收到路径选择需求时，采用KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径，并根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
另外，根据本发明上述实施例的AVB流时延的路由调度方法还可以具有如下的附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，包括：在AVB数据流队列门打开时，若AVB数据流队列的信用值为负，则将AVB数据流队列的信用值置零。
根据本发明的一个实施例，根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，还包括：获取AVB数据流队列中当前待传输AVB帧的类型；若当前待传输AVB帧的类型为最高优先级，则在AVB数据流队列门打开且AVB数据流队列的信用值不为负时，传输当前待传输AVB帧。
根据本发明的一个实施例，根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，还包括：获取AVB数据流队列门的开启持续时间；若开启时间无法满足当前待传输AVB帧的传输时间，则不传输当前待传输AVB帧。
根据本发明的一个实施例，根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，还包括：在当前待传输AVB帧等待传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以空闲斜率增加，直至AVB数据流队列的信用值增加至预设的最大阈值；在当前待传输AVB帧传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以发送斜率减少，直至AVB数据流队列的信用值减少至预设的最小阈值。
根据本发明的一个实施例，基于KSP路径选择算法生成路径集，包括：采用KSP路径选择算法，基于网络有向图、所有发送端、所有接收端和路径的条数K，从最短路径开始生成K个长度递增的唯一路径，构成备选路径集；根据链路利用率和备选路径集确定路径集。
根据本发明的一个实施例，根据链路利用率和备选路径集确定路径集，包括：获取备选路径集中的每一条路径的链路利用率；将链路利用率最小的路径加入至路径集中。
根据本发明的一个实施例，通过下述公式确定链路利用率：
Figure BDA0003795623480000031
其中，U(R,dli,j)表示备选路径集中第dli,j路径，T表示所有数据流的周期，P表示有效载荷，fk表示第k个数据流，F表示数据流集合。
根据本发明的一个实施例，为AVB数据流选择合适的传输路径，包括：根据路径集为每个TT数据流选择一条传输路径；在确定所有的TT数据流的传输路径分配完成后，从路径集中剩余的路径中选择端到端时延小于截止日期的传输路径分配给AVB数据流。
根据本发明的一个实施例，根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，包括：
门控调度表的循环周期GC表示为：
GC＝lcm(T)
T＝{f0.T0，f1.T1，…，fk.Tk}
其中，lcm表示最小公倍数，T为所有数据流的周期，fk.Tk表示数据流fk的周期Tk；
根据每一对终端设备中的TT数据流、AVB数据流的最优传输路径计算出TT数据流流量和AVB数据流流量传输路径上交换机的门控调度表。
根据本发明的一个实施例，将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，包括：通过网络建模方法将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，其中，网络有向图为：
G＝(V，E)
V表示TSN网络中的节点集合，V＝ES∪SW，ES表示终端设备的集合，SW表示交换机的集合，E表示链路集合E＝(Ri)，交换机与交换机之间的链路；
将TSN网络中所有TT数据流及AVB数据流的集合记为F＝(TT,AVB)，其中，TT数据流和AVB数据流均包含数据流流的发送端vs、接收端vt、数据流的传输周期T、数据流的端到端截止日期D，有效负载P，F的五元组为(vs,vt,T,D,P)。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种AVB流时延的路由调度系统，包括：网络有向图生成模块，用于将TSN网络拓扑抽象为网络有向图；优化模块，用于建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化；路径生成模块，用于在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径；门控调度表生成模块，用于根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。
根据本发明实施例的AVB流时延的路由调度系统，网络有向图生成模块将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，优化模块建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，路径生成模块在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径，门控调度表生成模块根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。由此，该系统根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，在接收到路径选择需求时，采用KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径，并根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
另外，根据本发明上述实施例的AVB流时延的路由调度系统还可以具有如下的附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，优化模块根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：在AVB数据流队列门打开时，若AVB数据流队列的信用值为负，则将AVB数据流队列的信用值置零。
根据本发明的一个实施例，优化模块根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：获取AVB数据流队列中当前待传输AVB帧的类型；若当前待传输AVB帧的类型为最高优先级，则在AVB数据流队列门打开且AVB数据流队列的信用值不为负时，传输当前待传输AVB帧。
根据本发明的一个实施例，优化模块根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：获取AVB数据流队列门的开启持续时间；若开启时间无法满足当前待传输AVB帧的传输时间，则不传输当前待传输AVB帧。
根据本发明的一个实施例，优化模块根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：在当前待传输AVB帧等待传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以空闲斜率增加，直至AVB数据流队列的信用值增加至预设的最大阈值；在当前待传输AVB帧传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以发送斜率减少，直至AVB数据流队列的信用值减少至预设的最小阈值。
根据本发明的一个实施例，路径生成模块基于KSP路径选择算法生成路径集，具体用于：采用KSP路径选择算法，基于网络有向图、所有发送端、所有接收端和路径的条数K，从最短路径开始生成K个长度递增的唯一路径，构成备选路径集；根据链路利用率和备选路径集确定路径集。
根据本发明的一个实施例，路径生成模块根据链路利用率和备选路径集确定路径集，具体用于：获取备选路径集中的每一条路径的链路利用率；将链路利用率最小的路径加入至路径集中。
根据本发明的一个实施例，路径生成模块通过下述公式确定链路利用率：
Figure BDA0003795623480000051
其中，U(R,dli,j)表示备选路径集中第dli,j路径，T表示所有数据流的周期，P表示有效载荷，fk表示第k个数据流，F表示数据流集合。
根据本发明的一个实施例，路径生成模块为AVB数据流选择合适的传输路径，具体用于：根据路径集为每个TT数据流选择一条传输路径；在确定所有的TT数据流的传输路径分配完成后，从路径集中剩余的路径中选择端到端时延小于截止日期的传输路径分配给AVB数据流。
根据本发明的一个实施例，门控调度表生成模块根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，具体用于：
门控调度表的循环周期GC表示为：
GC＝lcm(T)
T＝{f0.T0，f1.T1，…，fk.Tk}
其中，lcm表示最小公倍数，T为所有数据流的周期，fk.Tk表示数据流fk的周期Tk；
根据每一对终端设备中的TT数据流、AVB数据流的最优传输路径计算出TT数据流流量和AVB数据流流量传输路径上交换机的门控调度表。
根据本发明的一个实施例，网络有向图生成模块将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，具体用于：通过网络建模方法将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，其中，网络有向图为：
G＝(V，E)
V表示TSN网络中的节点集合，V＝ES∪SW，ES表示终端设备的集合，SW表示交换机的集合，E表示链路集合E＝(Ri)，交换机与交换机之间的链路；
将TSN网络中所有TT数据流及AVB数据流的集合记为F＝(TT,AVB)，其中，TT数据流和AVB数据流均包含数据流流的发送端vs、接收端vt、数据流的传输周期T、数据流的端到端截止日期D，有效负载P，F的五元组为(vs,vt,T,D,P)。
为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有AVB流时延的路由调度程序，该AVB流时延的路由调度程序被处理器执行时实现上述的AVB流时延的路由调度方法。
本发明实施例的计算机可读存储介质，通过执行上述的AVB流时延的路由调度方法，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
为达到上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种终端设备，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AVB流时延的路由调度程序，处理器执行AVB流时延的路由调度程序时，实现上述的AVB流时延的路由调度方法。
根据本发明实施例的终端设备，通过执行上述的AVB流时延的路由调度方法，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
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
图1为根据本发明实施例的AVB流时延的路由调度方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的TSN网络拓扑实例结构示意图；
图3为根据本发明实施例的门控CBS调度机制示意图；
图4为根据本发明一个具体实施例的门控CBS机制帧传输的示意图；
图5为根据本发明一个具体实施例的AVB流时延的路由调度方法的流程图；
图6为根据本发明实施例的AVB流时延的路由调度系统的方框示意图；
图7为根据本发明实施例的终端设备的方框示意图。
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。
下面参考附图描述本发明实施例提出的AVB流时延的路由调度方法、AVB流时延的路由调度系统、计算机可读存储介质和终端设备。
图1为根据本发明实施例AVB流时延的路由调度方法的流程图。
如图1所示，本发明实施例的AVB流时延的路由调度方法可包括以下步骤：
S1，将TSN网络拓扑抽象为网络有向图。
根据本发明的一个实施例，将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，包括：通过网络建模方法将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，其中，网络有向图为：
G＝(V，E)
V表示TSN网络中的节点集合，V＝ES∪SW，ES表示终端设备的集合，SW表示交换机的集合，E表示链路集合E＝(Ri)，交换机与交换机之间的链路；
将TSN网络中所有TT数据流及AVB数据流的集合记为F＝(TT,AVB)，其中，TT数据流和AVB数据流均包含数据流流的发送端vs、接收端vt、数据流的传输周期T、数据流的端到端截止日期D，有效负载P，F的五元组为(vs,vt,T,D,P)。
具体而言，如图2所示，TSN网络模型包括终端系统(ES1、ES2和ES3)、交换机(SW1和SW2)和物理链路，可通过网络建模方法将TSN网络拓扑抽象为网络有向图G＝(V,E)，其中，V表示TSN网络中的节点集合，由终端设备ES和交换机SW节点组成，即V＝ES∪SW，E表示交换机与交换机之间链路集合，可记为E＝(Ri)。从发送端开始，按照一定要求从发送端传输到接收端的有序数据序列称为流，将TSN网络中所有TT数据流及AVB数据流的集合记为F＝(TT,AVB)，对于每种不同的流，例如，TT数据流或者AVB数据流均包含数据流流的发送端vs、数据流流的接收端vt、数据流的传输周期T、数据流的端到端时限D(截止日期)和有效负载P，每个TSN流可以表示五元组F＝(vs,vt,T,D,P)。
S2，建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化。
具体而言，对TSN网络中的数据流选择调度传输方案，选择TAS与CBS(CreditBased Shaping，信用量整形)相结合的调度方式，其中，只有AVB数据流队列出端口使用CBS调度机制传输。根据流量类型及调度优先级，可将数据流分为三类：时间触发流(TT)、音视频流(AVB)以及尽力而为流(BE)，其中，AVB数据流可分为两类，AVB_A数据流和AVB_B数据流，在标准AVB网络中，AVB_A类型数据流是指AVB网络中的时间敏感的音频预定流，AVB_B类型数据流指AVB网络中的时间敏感的视频预定流。数据流的传输不根据接收时间的先后顺序进行传输，而是根据不同数据流的优先级和数据流的特性进行传输。TT数据流优先级高于其它类，AVB_A类数据流的优先级大于AVB_B类数据流的优先级。例如，当前传输的为BE数据流，当有高优先级的TT数据流传输请求时，TT数据流由于自己的高优先级而可以先进行传输，之后再传输BE数据流。如图3所示，在分配好流量之后，各个数据流同时传输，并且在AVB的两种数据流(AVB_A，AVB_B)配置CBS算法，以优化传输。数据流进行传输时，严格按照计算好的调度周期及门控列表进行传输，AVB数据流到AVB数据流队列的映射由它们的类决定，AVB_A类数据流分配给AVB_A类数据流队列，AVB_B类数据流分配给AVB_B类数据流队列。由此通过数据流队列门的开与关，控制TT数据流、AVB数据流以及BE数据流的传输，不同的数据流可根据相应的队列门处于打开状态进行传输。建立门控CBS调度机制模型后，可根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化。
下面详细描述如何根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化。
根据本发明的一个实施例，根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，包括：在AVB数据流队列门打开时，若AVB数据流队列的信用值为负，则将AVB数据流队列的信用值置零。
具体而言，当AVB数据流的队列门打开时，AVB数据流可进行传输。AVB数据流在进行传输时，需要判断AVB数据流队列的信用值的大小，当AVB数据流队列的信用值为负时，需等待到AVB数据流队列的信用值大于等于零时才能传输，造成了一定的时延，因此，在信用值为负时，需要将AVB数据流队列的信用值置为零，使其满足传输条件，从而能够减少传输时延。其中，减少的传输时延为Credit/idSl，Credit为CBS调度机制模型中的AVB数据流队列中所有AVB数据流的信用值的平均值，idSl为空闲斜率。空闲斜率表示信用值增加时的变化率，在CBS调度机制模型中，某一类数据流的帧在待传输的状态时，该类数据流队列所对应的信用值会增加，而在传输过程中，该类数据流队列所对应的信用值会减少，空闲斜率则表示信用值变化的快慢。
根据本发明的一个实施例，根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，还包括：获取AVB数据流队列中当前待传输AVB帧的类型；若当前待传输AVB帧的类型为最高优先级，则在AVB数据流队列门打开且AVB数据流队列的信用值不为负时，传输当前待传输AVB帧。
根据本发明的一个实施例，根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，还包括：在当前待传输AVB帧等待传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以空闲斜率增加，直至AVB数据流队列的信用值增加至预设的最大阈值；在当前待传输AVB帧传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以发送斜率减少，直至AVB数据流队列的信用值减少至预设的最小阈值。其中，预设的最大阈值和预设的最小阈值可根据实际情况而定。
具体而言，AVB数据流在进行传输时，首先获取AVB数据流队列中当前待传输AVB帧的类型。若当前待传输AVB帧的类型为最高优先级(AVB_A类)，在AVB数据流队列门处于打开状态，且AVB数据流队列的信用值不为负时，队列中的帧才可以进行传输。在当前待传输AVB帧传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以发送斜率减少，直至AVB数据流队列的信用值减少至预设的最小阈值，在传输完后会相应的清空当前数据流队列。当AVB数据流队列门处于关闭状态或者AVB数据流队列的信用值为负时，队列中的帧不进行传输，在当前待传输AVB帧处于等待传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以空闲斜率增加，直至AVB数据流队列的信用值增加至预设的最大阈值。当AVB数据流队列门打开且有帧到达等待传输但其信用值为负且无其他信用值为正的队列时，则将数据流队信用值置零。如果AVB帧传输完成后，门没有关闭，此时AVB数据流队列信用值下降为负，且其他队列中也无帧在等待传输，将其重新置为零。另外，根据调度列表，控制队列中门的开和关，若在门关闭之前，CBS调度机制下的某一类的帧还没传输完成，则不能启动传输当前待传输AVB帧。
举例而言，如图4所示，横坐标t为时间轴，纵坐标为信用值Credit的大小，f表示一个帧，有不同的帧进行传输，例如fBE、fTT、f1 AVB_A、f2 AVB_A和f1 AVB_B。在改变策略后，当一个a1 AVB_A帧到达t0时刻时，此时一个fBE帧正在传输。a1 AVB_A帧需要等待fBE帧完成其传输，而AVB数据流队列的信用值随着空闲斜率idSlA的增加而增加，在t1时刻，fBE帧传输完成，a1 AVB_A类型流量的信用值达到最大。帧在传输时AVB数据流队列的信用值以发送斜率sdSlA逐渐减小，信用值达到最小值时停止变化。由于保护带的原因，TT数据流和整个帧f1 AVB_A传输的空闲间隔不足，AVB类型数据流对应的门关闭，因而不会允许AVB类型数据流的帧传输。从t4时刻开始，由于TT数据流队列对应的门被关闭，fBE帧不会传输，并且由于AVB_A数据流的优先级较高，因此允许传输f1 AVB_A帧。在f1 AVB_A帧传输过程中，另一帧f2 AVB_A在t5时刻进入AVB_A类数据流队列，然后在t6时刻，当帧f1 AVB_A结束时，有两帧f2 AVB_A和f1 AVB_B等待传输。但此时AVB_A数据流队列的信用值为负，因此不能传输f2 AVB_A帧，而f1 AVB_B帧已被允许传输。在f1 AVB_B帧传输结束时，由于AVB_A数据流队列的信用值已增加到一个非负值，f2 AVB_A帧可开始其传输。由此相较于未改变策略时的t5-t6时刻，减少了前待传输AVB帧等待传输的时间，可以满足TT数据流实时通信前提下，降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
S3，在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径。
根据本发明的一个实施例，采用KSP路径选择算法，基于网络有向图、所有发送端、所有接收端和路径的条数K，从最短路径开始生成K个长度递增的唯一路径，构成备选路径集；根据链路利用率和备选路径集确定路径集。
根据本发明的一个实施例，根据链路利用率和备选路径集确定路径集，包括：获取备选路径集中的每一条路径的链路利用率；将链路利用率最小的路径加入至路径集中。
根据本发明的一个实施例，通过下述公式确定链路利用率：
Figure BDA0003795623480000101
其中，U(R,dli,j)表示备选路径集中第dli,j路径，T表示所有数据流的周期，P表示有效载荷，fk表示第k个数据流，F表示数据流集合。
具体而言，在接收到路径选择需求时，首先初始化路径集，使路径集为空。再采用KSP(k-shortest pathes，K最短路径)路径选择算法，对于所有发送端和接收端，基于它们的最短路径递增排序，通过网络有向图、所有发送端、所有接收端和路径的条数K，输出K条路径集。在确定最短路径时，KSP选择算法可分为两部分，例如，计算出第1条最短路径，记作P(1)，然后在此基础上依次算出其他的K-1条路径。例如，在求P(2)时，将P(1)上除了终止节点外的所有节点都视为偏离节点，并计算每个偏离节点到终止节点的最短路径，再与之前的P(1)上起始节点到偏离节点的路径拼接，构成候选路径，进而求得最短偏离路径。除了要找到最短路径之外，还要确定次短路径、第三短路径，…，直到找到第K短路径为止，将这些路径构成备选路径集，其中，K条路径按照长度由小到大进行排序。在备选路径集中，通过计算每一条路径的链路利用率，选择链路利用率最小的路径添加到路径集当中，例如，可通过上述公式(1)计算出不同路径的链路利用率。另外，在计算完各路径的链路利用率后，还可能存在多条链路利用率相同且最小的路径，则可以在多条链路利用率最小的路径中启发式随机选择一条路径，加入至路径集中。由此，根据不同路径链路利用率的大小，使用KSP算法，选择使用链路利用率最小的路径，首先给TT数据流分配路径后，再为AVB数据流分配合适的路径。由此，可为AVB数据流在路径集中选择传输路径，提高AVB流的通信性能。
S4，根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。
根据本发明的一个实施例，根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，包括：
门控调度表的循环周期GC表示为：
GC＝lcm(T)
T＝{f0.T0，f1.T1，…，fk.Tk}
其中，lcm表示最小公倍数，T为所有数据流的周期，fk.Tk表示数据流fk的周期Tk；
根据每一对终端设备中的TT数据流、AVB数据流的最优传输路径计算出TT数据流流量和AVB数据流流量传输路径上交换机的门控调度表。
具体而言，IEEE802.1Qbv标准指定了一种称为时间感知整形器(TAS)的选通机制，该机制基于静态生成的称为门控控制列表的周期性计划，启用和禁用要连接到关联的出口端口的队列的选择。网络中的通信是通过定期将数据流从发送端发送到接收端来实现的。经过上述步骤S3可确定AVB数据流的传输路径，根据已知的传输路径和数据帧长，可以计算出终端设备到达交换机的时间，这样就可以相应的算出当前交换机的门控调度表。门控调度表必须满足以下约束条件：由于受到硬件的限制，数据链路一次传输一个，即同一帧在时域中不能重叠；在进行数据流传输时，直到整个帧都在交换机中缓冲后，交换机才能转发帧，这为从发送端到接收端的每一跳引入了转发延迟；所有TT流必须在其相对期限内到达，即端到端延迟不能超过期限，其中端到端延迟定义为从发送方开始传输到达接收方的时间；数据流队列是确定性队列，类似于链路拥塞属性，队列可以被认为是共享资源，一次被来自单个流的帧占用。另外，TSN流可以有不同的周期，将所有数据流的周期记作T，T＝{f0.T0，f1.T1，…，fk.Tk}，其中fk.Tk表示数据流fk的周期Tk，而门控列表的循环周期GC等于所有流的最小公倍数(lcm)，可以表示为：GC＝lcm(T)。
下面结合图5来描述本发明的路由调度方法。
作为一个具体示例，本发明的AVB流时延的路由调度方法可包括以下步骤：
S101,将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，建立网络模型。
S102，建立门控CBS调度机制模型，并优化CBS信用值变化规则。
S103，利用KSP算法从最短路径开始生成K个长度递增的唯一路径，生成备选路径集。
S104，根据链路利用率从集合中选择利用率最小的路径添加到路径集。
S105，根据路径集为每个TT数据流选择一条传输路径。
S106，从路径集中剩余的路径中选择端到端时延小于截止日期的传输路径分配给AVB数据流。
S107，判断是否为所有数据流选出传输路径。如果是，执行步骤S108；如果否，执行步骤S105。
S108，根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。
综上所述，根据本发明实施例的AVB流时延的路由调度方法，首先将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，然后建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，接着在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径，最后根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。由此，该方法根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，在接收到路径选择需求时，采用KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径，并根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
对应上述实施例，本发明还提出了一种AVB流时延的路由调度系统。
如图6所示，本发明实施例的AVB流时延的路由调度系统100包括：网络有向图生成模块110、优化模块120、路径生成模块130和门控调度表生成模块140。
其中，网络有向图生成模块110用于将TSN网络拓扑抽象为网络有向图。优化模块120用于建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化。路径生成模块130用于在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径。门控调度表生成模块140用于根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。
根据本发明的一个实施例，优化模块120根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：在AVB数据流队列门打开时，若AVB数据流队列的信用值为负，则将AVB数据流队列的信用值置零。
根据本发明的一个实施例，优化模块120根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：获取AVB数据流队列中当前待传输AVB帧的类型；若当前待传输AVB帧的类型为最高优先级，则在AVB数据流队列门打开且AVB数据流队列的信用值不为负时，传输当前待传输AVB帧。
根据本发明的一个实施例，优化模块120根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：获取AVB数据流队列门的开启持续时间；若开启时间无法满足当前待传输AVB帧的传输时间，则不传输当前待传输AVB帧。
根据本发明的一个实施例，优化模块120根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：在当前待传输AVB帧等待传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以空闲斜率增加，直至AVB数据流队列的信用值增加至预设的最大阈值；在当前待传输AVB帧传输的过程中，AVB数据流队列的信用值以发送斜率减少，直至AVB数据流队列的信用值减少至预设的最小阈值。
根据本发明的一个实施例，路径生成模块130基于KSP路径选择算法生成路径集，具体用于：采用KSP路径选择算法，基于网络有向图、所有发送端、所有接收端和路径的条数K，从最短路径开始生成K个长度递增的唯一路径，构成备选路径集；根据链路利用率和备选路径集确定路径集。
根据本发明的一个实施例，路径生成模块130根据链路利用率和备选路径集确定路径集，具体用于：获取备选路径集中的每一条路径的链路利用率；将链路利用率最小的路径加入至路径集中。
根据本发明的一个实施例，路径生成模块130通过下述公式确定链路利用率：
Figure BDA0003795623480000131
其中，U(R,dli,j)表示备选路径集中第dli,j路径，T表示所有数据流的周期，P表示有效载荷，fk表示第k个数据流，F表示数据流集合。
根据本发明的一个实施例，路径生成模块130为AVB数据流选择合适的传输路径，具体用于：根据路径集为每个TT数据流选择一条传输路径；在确定所有的TT数据流的传输路径分配完成后，从路径集中剩余的路径中选择端到端时延小于截止日期的传输路径分配给AVB数据流。
根据本发明的一个实施例，门控调度表生成模块140根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，具体用于：
门控调度表的循环周期GC表示为：
GC＝lcm(T)
T＝{f0.T0，f1.T1，…，fk.Tk}
其中，lcm表示最小公倍数，T为所有数据流的周期，fk.Tk表示数据流fk的周期Tk；
根据每一对终端设备中的TT数据流、AVB数据流的最优传输路径计算出TT数据流流量和AVB数据流流量传输路径上交换机的门控调度表。
根据本发明的一个实施例，网络有向图生成模块110将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，具体用于：通过网络建模方法将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，其中，网络有向图为：
G＝(V，E)
V表示TSN网络中的节点集合，V＝ES∪SW，ES表示终端设备的集合，SW表示交换机的集合，E表示链路集合E＝(Ri)，交换机与交换机之间的链路；
将TSN网络中所有TT数据流及AVB数据流的集合记为F＝(TT,AVB)，其中，TT数据流和AVB数据流均包含数据流流的发送端vs、接收端vt、数据流的传输周期T、数据流的端到端截止日期D，有效负载P，F的五元组为(vs,vt,T,D,P)。
需要说明的是，本发明实施例的AVB流时延的路由调度系统中未披露的细节，请参照本发明实施例的AVB流时延的路由调度方法中所披露的细节，具体这里不再赘述。
根据本发明实施例的AVB流时延的路由调度系统，网络有向图生成模块将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，优化模块建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，路径生成模块在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径，门控调度表生成模块根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。由此，该系统根据AVB数据流队列对门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，在接收到路径选择需求时，采用KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径，并根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
对应上述实施例，本发明还提出了一种计算机可读存储介质。
本发明实施例的计算机可读存储介质，其上存储有AVB流时延的路由调度程序，该AVB流时延的路由调度程序被处理器执行时实现上述的AVB流时延的路由调度方法。
本发明实施例的计算机可读存储介质，通过执行上述的AVB流时延的路由调度方法，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
对应上述实施例，本发明还提出了一种终端设备。
如图7所示，本发明实施例的终端设备200可包括：存储器210、处理器220以及存储在存储器210上并可在处理器220上运行的AVB流时延的路由调度程序，处理器220执行AVB流时延的路由调度程序时，实现上述的AVB流时延的路由调度方法。
本发明实施例的终端设备，通过执行上述的AVB流时延的路由调度方法，能够降低AVB流的端到端延迟，提高AVB流的通信性能。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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。
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 (24)

1.一种AVB流时延的路由调度方法，其特征在于，包括：
将TSN网络拓扑抽象为网络有向图；
建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化；
在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径；
根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，包括：
在所述AVB数据流队列门打开时，若所述AVB数据流队列的信用值为负，则将所述AVB数据流队列的信用值置零。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，还包括：
获取所述AVB数据流队列中当前待传输AVB帧的类型；
若当前待传输AVB帧的类型为最高优先级，则在所述AVB数据流队列门打开且所述AVB数据流队列的信用值不为负时，传输所述当前待传输AVB帧。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，还包括：
获取所述AVB数据流队列门的开启持续时间；
若所述开启时间无法满足所述当前待传输AVB帧的传输时间，则不传输所述当前待传输AVB帧。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，还包括：
在所述当前待传输AVB帧等待传输的过程中，所述AVB数据流队列的信用值以空闲斜率增加，直至所述AVB数据流队列的信用值增加至预设的最大阈值；
在所述当前待传输AVB帧传输的过程中，所述AVB数据流队列的信用值以发送斜率减少，直至所述AVB数据流队列的信用值减少至预设的最小阈值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于KSP路径选择算法生成路径集，包括：
采用KSP路径选择算法，基于所述网络有向图、所有发送端、所有接收端和路径的条数K，从最短路径开始生成K个长度递增的唯一路径，构成备选路径集；
根据链路利用率和所述备选路径集确定所述路径集。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据链路利用率和所述备选路径集确定所述路径集，包括：
获取所述备选路径集中的每一条路径的所述链路利用率；
将所述链路利用率最小的路径加入至所述路径集中。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过下述公式确定所述链路利用率：
Figure FDA0003795623470000021
其中，U(R,dli,j)表示所述备选路径集中第dli,j路径，T表示所有数据流的周期，P表示有效载荷，fk表示第k个数据流，F表示数据流集合。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为AVB数据流选择合适的传输路径，包括：
根据所述路径集为每个TT数据流选择一条传输路径；
在确定所有的TT数据流的传输路径分配完成后，从所述路径集中剩余的路径中选择端到端时延小于截止日期的传输路径分配给所述AVB数据流。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，包括：
所述门控调度表的循环周期GC表示为：
GC＝lcm(T)
T＝{f0.T0，f1.T1，…，fk.Tk}
其中，lcm表示最小公倍数，T为所有数据流的周期，fk.Tk表示数据流fk的周期Tk；
根据每一对终端设备中的TT数据流、AVB数据流的最优传输路径计算出所述TT数据流流量和所述AVB数据流流量传输路径上交换机的门控调度表。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，包括：
通过网络建模方法将所述TSN网络拓扑抽象为网络有向图，其中，所述网络有向图为：
G＝(V，E)
V表示TSN网络中的节点集合，V＝ES∪SW，ES表示终端设备的集合，SW表示交换机的集合，E表示链路集合E＝(Ri)，交换机与交换机之间的链路；
将TSN网络中所有TT数据流及AVB数据流的集合记为F＝(TT,AVB)，其中，所述TT数据流和所述AVB数据流均包含数据流流的发送端vs、接收端vt、数据流的传输周期T、数据流的端到端截止日期D，有效负载P，F的五元组为(vs,vt,T,D,P)。
12.一种AVB流时延的路由调度系统，其特征在于，包括：
网络有向图生成模块，用于将TSN网络拓扑抽象为网络有向图；
优化模块，用于建立门控CBS调度机制模型，并根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化；
路径生成模块，用于在接收到路径选择需求时，基于KSP路径选择算法生成路径集，为AVB数据流选择合适的传输路径；
门控调度表生成模块，用于根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述优化模块根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：
在所述AVB数据流队列门打开时，若所述AVB数据流队列的信用值为负，则将所述AVB数据流队列的信用值置零。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述优化模块根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：
获取所述AVB数据流队列中当前待传输AVB帧的类型；
若当前待传输AVB帧的类型为最高优先级，则在所述AVB数据流队列门打开且所述AVB数据流队列的信用值不为负时，传输所述当前待传输AVB帧。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述优化模块根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：
获取所述AVB数据流队列门的开启持续时间；
若所述开启时间无法满足所述当前待传输AVB帧的传输时间，则不传输所述当前待传输AVB帧。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述优化模块根据AVB数据流队列对所述门控CBS调度机制模型的传输规则进行优化，具体用于：
在所述当前待传输AVB帧等待传输的过程中，所述AVB数据流队列的信用值以空闲斜率增加，直至所述AVB数据流队列的信用值增加至预设的最大阈值；
在所述当前待传输AVB帧传输的过程中，所述AVB数据流队列的信用值以发送斜率减少，直至所述AVB数据流队列的信用值减少至预设的最小阈值。
17.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述路径生成模块基于KSP路径选择算法生成路径集，具体用于：
采用KSP路径选择算法，基于所述网络有向图、所有发送端、所有接收端和路径的条数K，从最短路径开始生成K个长度递增的唯一路径，构成备选路径集；
根据链路利用率和所述备选路径集确定所述路径集。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述路径生成模块根据链路利用率和所述备选路径集确定所述路径集，具体用于：
获取所述备选路径集中的每一条路径的所述链路利用率；
将所述链路利用率最小的路径加入至所述路径集中。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述路径生成模块通过下述公式确定所述链路利用率：
Figure FDA0003795623470000041
其中，U(R,dli,j)表示所述备选路径集中第dli,j路径，T表示所有数据流的周期，P表示有效载荷，fk表示第k个数据流，F表示数据流集合。
20.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述路径生成模块为AVB数据流选择合适的传输路径，具体用于：
根据所述路径集为每个TT数据流选择一条传输路径；
在确定所有的TT数据流的传输路径分配完成后，从所述路径集中剩余的路径中选择端到端时延小于截止日期的传输路径分配给所述AVB数据流。
21.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述门控调度表生成模块根据路径选择结果和流量传输约束条件生成门控调度表，具体用于：
所述门控调度表的循环周期GC表示为：
GC＝lcm(T)
T＝{f0.T0，f1.T1，…，fk.Tk}
其中，lcm表示最小公倍数，T为所有数据流的周期，fk.Tk表示数据流fk的周期Tk；
根据每一对终端设备中的TT数据流、AVB数据流的最优传输路径计算出所述TT数据流流量和所述AVB数据流流量传输路径上交换机的门控调度表。
22.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述网络有向图生成模块将TSN网络拓扑抽象为网络有向图，具体用于：
通过网络建模方法将所述TSN网络拓扑抽象为网络有向图，其中，所述网络有向图为：
G＝(V，E)
V表示TSN网络中的节点集合，V＝ES∪SW，ES表示终端设备的集合，SW表示交换机的集合，E表示链路集合E＝(Ri)，交换机与交换机之间的链路；
将TSN网络中所有TT数据流及AVB数据流的集合记为F＝(TT,AVB)，其中，所述TT数据流和所述AVB数据流均包含数据流流的发送端vs、接收端vt、数据流的传输周期T、数据流的端到端截止日期D，有效负载P，F的五元组为(vs,vt,T,D,P)。
23.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有AVB流时延的路由调度程序，该AVB流时延的路由调度程序被处理器执行时实现根据权利要求1-11中任一项所述的AVB流时延的路由调度方法。
24.一种终端设备，其特征在于，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AVB流时延的路由调度程序，所述处理器执行所述AVB流时延的路由调度程序时，实现根据权利要求1-11中任一项所述的AVB流时延的路由调度方法。
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