CN115442313B - 一种广域确定性业务流在线调度系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种广域确定性业务流在线调度系统，包括用户端、确定性网络设备和调度模块；所述用户端向调度模块申请网络资源，进行确定性业务流的传输，从网络处获取时延、抖动有界的端到端确定性网络服务；所述确定性网络设备根据确定性转发标准，从调度模块获取转发配置文件，进行基于时隙的确定性业务流转发，提供时延、抖动有界的端到端确定性网络服务；所述调度模块负责确定性业务流的资源分配，根据网络资源利用状况，拒绝部分权重不高的业务流的接入申请；对准入业务流进行资源分配，根据业务流的相关信息，生成对应的资源配置信息，并将对应配置信息告知确定性设备。采用本发明的调度模块调度性能可追踪，减少资源浪费，提高调度效率。

Description

一种广域确定性业务流在线调度系统

技术领域

本发明属于确定性网络领域，尤其涉及一种广域确定性业务流在线调度系统。

背景技术

传统的确定性业务流调度系统(如TSN等)通常工作在小规模网络中，采用集中式的离线调度模式。即在业务流部署之前，停止所有当前业务流的传输，控制器收集业务流的相关信息。根据目标函数的设定(如能耗、吞吐量等)，同时计算所有业务流的路径、时隙资源。进而，根据路径、时隙资源计算结果，将业务流部署到网络中。这种离线的调度模式无法适应广域确定性业务流调度场景。

部分调度系统采用启发式的在线调度方式。然而，目前的启发式调度方式无法保证调度性能。在某些场景下，可能导致严重的性能退化和资源浪费。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种广域确定性业务流在线调度系统，从而改进传统的确定性业务流调度方式，使确定性业务流可以在广域场景中在线部署，并且部署性能可保障。同时，系统还提供了相关配置参数，根据实际需要，控制业务流调度性能。

本发明系统包括用户端、确定性网络设备和调度模块；其中，本发明提出的是一种在线的确定性网络资源调度方式，采用在线拍卖框架，设计相关定价函数，实现业务流的随到随分配。该系统同时具有性能可分析的特征，即业务是随机到达的，无论业务的到达顺序，系统都能保证资源分配的效率高于一个门限，这一点在确定性网络业务调度场景中尤为重要。

所述用户端向调度模块申请网络资源，进行确定性业务流的传输，从网络处获取时延、抖动有界的端到端确定性网络服务；

所述确定性网络设备根据确定性转发标准(主要指的是IETF DetNet工作组的草案，包括draft-qiang-detnet-large-scale-detnet-05、draft-chen-detnet-sr-based-bounded-latency-01)，从调度模块获取转发配置文件，进行基于时隙的确定性业务流转发，提供时延、抖动有界的端到端确定性网络服务；

所述调度模块负责确定性业务流的资源分配，根据网络资源利用状况，拒绝部分权重不高的业务流的接入申请；对准入业务流进行资源分配，根据业务流的相关信息，生成对应的资源配置信息，并将对应配置信息告知确定性设备。

所述用户端向调度模块申请网络资源时，上传业务流信息，包括：源节点、目的节点、业务流接入时隙索引、业务流所需带宽和业务流的权重(权重是业务流的属性之一，是一个大于0的常数，代表业务流的相对重要程度)。

所述转发配置文件包括业务流准入变量和业务流转发策略。业务准入变量为z_d，是调度模块的输出变量之一，其值为1时，说明同意业务流接入；其值为0时，说明调度模块拒绝改业务接入；

业务流转发策略，是调度模块的输出变量之一。当业务流被允许接入时，调度模块同时生成一个策略p＝{(e_k,c_k)}_k，指导数据面的转发过程。其中e_k为传输策略中路径上第k跳对应的边，c_k为对应边的时隙。

所述确定性网络设备定期向调度模块上报链路各个时隙的负载信息

所述调度模块获取业务流信息，使用广度优先遍历算法获取从源节点到目的节点的所有可行策略P，每个可行策略p包括两个以上链路和时隙资源对(确定性网络传输过程本质是一个时分复用的概念，链路资源在时间上被进一步划分为不同的时隙)，记为p＝{(e_k,c_k)}_k，其中e_k与e_k+1首尾连接，c_k为业务流在第k条链路e_k上占用的时隙索引；

所述调度模块计算每个可行策略p＝{(e_k,c_k)}_k∈P的价格C(p)：

其中为链路e_k时隙c_k上目前的网络负载；参数a与γ为可调参数，要求大于最大的业务流权重；

根据计算得到的可行策略的价格{C(p)}_p∈P，挑选价格最低的策略p^*，如果最低的策略的价格C(p^*)小于业务流权重，则网络接收业务流，并将告知确定性网络设备；否则拒绝业务流的接入，/>表示价格最低的策略p^*的第k条链路，/>为业务流在/>上占用的时隙索引。

有益效果：本发明的优势在于提出了一种更高效的广域确定性业务流在线调度系统和机制。相较于传统的业务流调度系统，调度模块可以进行在线业务流调度，同时低复杂度的调度过程可适配广域网络业务流数目巨大的特点；调度模块调度性能可追踪，减少资源浪费，提高调度效率。在任意场景中，调度模块的性能满足其中，W^alg是调度模块在最差情况下的吞吐量，W^opt是理论最优值，γ≥1是调度模块参数。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明系统结构图。

图2是本发明系统运行图。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统核心是在线调度模块，使用了基于定价的在线拍卖框架。在此框架中，将端到端时隙/路径资源视为商品，将业务流视为用户，将业务流的权重视为用户对商品的估值。根据商品(资源)利用率，调度模块对商品(资源)进行定价。商品(资源)的利用率越高，价格越高。因此，当资源利用率较高时，只有具有较大估值的用户才会去竞争商品。换句话说，估值较小的用户将主动放弃商品(资源)的竞争，被网络拒绝接入。反之，用户(业务流)将使用竞争到的商品(资源)，进行确定性业务流的传输。调度模块的性能可以根据primal-dual框架，进行性能分析，追踪系统在极端情况下的性能下界。

本发明系统包括确定性业务流调度模块，可以和用户端和确定性网络设备进行交互。用户端在传输确定性业务流之前，向调度模块发送业务流的相关信息；调度模块获取业务流信息后，向网络中确定性设备咨询当前设备状态和资源利用情况，并根据对应算法得到传输路径和时隙，下发至用户端和确定性网络设备；用户端和确定性网络设备根据下发配置，进行确定性业务流传输；或被拒绝，用户端离开网络。

本系统中共有三种主体，即用户端、确定性网络设备和调度模块。

主体角色功能：

用户端：

用户向调度模块申请网络资源，进行确定性业务流的传输，从网络处，获取时延、抖动有界的端到端确定性网络服务。

确定性网络设备：

确定性网络设备根据确定性转发标准，从调度模块获取转发配置文件，进行基于时隙的确定性业务流转发，提供时延、抖动有界的端到端确定性网络服务。

调度模块：

调度模块负责确定性业务流的资源分配，根据网络资源利用状况，拒绝部分权重不高的业务流的接入申请，为后续权重较高的业务流预留资源；对准入业务流进行资源分配，根据业务流的相关信息，生成对应的资源配置信息，并将对应配置信息告知确定性设备。

调度机制设计：

用户端：

用户端向调度模块申请网络资源，上传如下信息：(1)源节点；(2)目的节点；(3)业务流接入时隙索引；(4)业务流所需带宽；(5)业务流的权重；

确定性网络设备：

确定性网络设备根据确定性转发标准，从调度模块获取转发配置文件，转发配置文件包括(1)业务流准入变量；(2)业务流转发策略；

同时，确定性网络设备定期向调度模块上报链路各个时隙的负载信息

调度模块：

调度模块获取业务流信息，使用广度优先遍历算法获取从源节点到目的节点的所有可行策略，记为P。每条可行策略包括多条链路/时隙资源，记为p＝{(e_k,c_k)}_k，其中e_k与e_k+1首尾连接，c_k为业务流在链路e_k上占用的时隙索引。

调度模块计算每个可行策略p＝{(e_k,c_k)}_k∈P的价格： 其中/>为链路e_k时隙c_k上目前的网络负载。参数a与γ为可调参数。其中，a的取值依赖于γ，具体而言/>其中BW_link为网络中链路的最大带宽，T_dip为确定性转发设备的时隙宽度。同时，γ越大，调度模块越倾向于为未到达的高权重业务流预留资源。当γ＝1的时候，算法的效率最高。然而，算法效率是根据吞吐量进行计算的。为了给权重更大的用户预留资源，保证这些业务流的优先传输，可以增大γ的值(是个定性的表述)。引入γ的原因是因为，业务流是续贯到达的。调度模块不知道未来是否会有更重要的业务流请求接入。引入γ增大了路径-时隙资源的价格，导致资源不会被快速消耗。

根据计算得到的策略价格{C(p)}_p∈P，挑选价格最低的策略p^*。如果C(p^*)小于业务流权重，则网络接收业务流，并将告知确定性网络设备；否则，拒绝业务流的接入。

如图2所示是本发明系统运行流程，包括：

步骤1，确定性网络设备定期向调度模块上报链路各个时隙的负载信息

步骤2，假设多个用户端续贯的产生确定性业务流传输需求，即用户端组成的集合为D，用户端d∈D在时间τ_d产生确定性业务流传输需求。不失一般性的，我们假设τ₁≤…≤τ_d≤…≤τ_|D|。

步骤3，用户端d∈D在时间τ_d产生确定性业务流传输需求，则用户端d∈D在时间τ_d向调度模块提交网络准入申请，并提交对应的确定性业务流信息，包括源节点s_d、目的节点t_d、业务流接入时隙索引c_d、业务流所需带宽w_d和业务流的权重v_d。

步骤4，调度模块根据用户端提交的信息，枚举所有可行的确定性转发策略。这里的可行，主要是策略中的路径可满足从源节点s_d到目的节点t_d的连通性要求，策略中的时隙满足确定性网络技术标准中的周期循环的转发要求。假设从源节点s_d到目的节点t_d的可行策略用集合P表示，可行策略用p∈P表示。例如，图中的一个可行策略为p₁＝{(e₀,c₀),(e₁,c₁),(e₃,c₃),(e₆,c₆),(e₁₁,c₁₁),(e₁₂,c₁₂),(e₁₃,c₁₃)}。其中，链路序列{e₀,e₁,e₃,e₆,e₁₁,e₁₂,e₁₃,}可使用深度优先遍历算法得到；与链路序列相对应的时隙序列{c₀,c₁,c₃,c₆,c₁₁,c₁₂,c₁₃}根据确定性网络技术相关标准，逐跳计算得到。其它可行策略包括p₂＝{(e₀,c₀),(e₁,c₁),(e₃,c₃),(e₈,c₈),(e₁₀,c₁₀),(e₁₂,c′₁₂),(e₁₃,c′₁₃)}等。

步骤5：调度模块根据当前网络资源的利用情况，计算不同策略的价格{C(p)}_p∈P。根据本发明提出的定价函数策略的价格与其路径-时隙负载有关。例如，假设策略p₁＝{(e₀,c₀),(e₁,c₁),(e₃,c₃),(e₆,c₆),(e₁₁,c₁₁),(e₁₂,c₁₂),(e₁₃,c₁₃)}的负载序列为/>策略p₂＝{(e₀,c₀),(e₁,c₁),(e₃,c₃),(e₈,c₈),(e₁₀,c₁₀),(e₁₂,c′₁₂),(e₁₃,c′₁₃)}的负载序列为则策略p₁和p₂的价格可分别计算为：

其中，γ和a为调度模块的参数，由网络服务提供商提前确定。γ的取值与网络预期性能有关；其中BW_link为网络中链路的最大带宽，T_dip为确定性转发设备的时隙宽度；

步骤6：比较所有可行策略的价格，挑选价格最小的策略p^*，假设其价格为C(p^*)。对比业务流权重v_d与C(p^*)的关系，若v_d≤C(p^*)，说明当前网络处于相对拥塞的情况，则拒绝业务流的接入，令z_d＝0。否则，则准入该业务流，令z_d＝1。

步骤7，调度模块将相关准入信息发送给用户端。如果调度模块准入该业务流，则将策略信息p^*下发至p^*涉及的确定性网络设备。同时，将z_d＝1告知用户端，并告知用户端业务流可以进行传输。否则，告知用户端z_d＝0，拒绝用户端传输数据。

步骤8，如果用户被准许进入网络，则用户端开始进行业务流传输，确定性网络设备根据p^*的内容，依照确定性标准的转发机制进行业务流转发，向用户端提供了一个端到端的时延有上界、零丢包的确定性传输服务。

步骤9：调度模块等待下一个用户端的确定性准入请求；

通过上面的方法，调度模块和网络向用户端提供了一个在线的、确定性、跨广域的传输服务。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种广域确定性业务流在线调度系统的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机。MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种广域确定性业务流在线调度系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种广域确定性业务流在线调度系统，其特征在于，包括用户端、确定性网络设备和调度模块；

所述用户端向调度模块申请网络资源，进行确定性业务流的传输，从网络处获取时延、抖动有界的端到端确定性网络服务；

所述确定性网络设备根据确定性转发标准，从调度模块获取转发配置文件，进行基于时隙的确定性业务流转发，提供时延、抖动有界的端到端确定性网络服务；

所述调度模块负责确定性业务流的资源分配，根据网络资源利用状况，拒绝部分权重不高的业务流的接入申请；对准入业务流进行资源分配，根据业务流的相关信息，生成对应的资源配置信息，并将对应配置信息告知确定性设备；

所述调度模块获取业务流信息，使用广度优先遍历算法获取从源节点到目的节点的所有可行策略P，每个可行策略p包括两个以上链路和时隙资源对，记为p＝{(e_k,c_k)}_k，其中e_k与e_k+1首尾连接，c_k为业务流在第k条链路e_k上占用的时隙索引；

所述调度模块计算每个可行策略p＝{(e_k,c_k)}_k∈P的价格C(p)：

其中为链路e_k时隙c_k上目前的网络负载；参数a与γ为可调参数，要求/>小于最大的业务流权重；

根据计算得到的可行策略的价格{C(p)}_p∈P，挑选价格最低的策略p^*，如果最低的策略的价格C(p^*)小于业务流权重，则网络接收业务流，并将告知确定性网络设备；否则拒绝业务流的接入，/>表示价格最低的策略p^*的第k条链路，/>为业务流在/>上占用的时隙索引。

2.根据权利要求1所述的一种广域确定性业务流在线调度系统，其特征在于，所述用户端向调度模块申请网络资源时，上传业务流信息，包括：源节点、目的节点、业务流接入时隙索引、业务流所需带宽和业务流的权重。

3.根据权利要求2所述的一种广域确定性业务流在线调度系统，其特征在于，所述转发配置文件包括业务流准入变量和业务流转发策略。

4.根据权利要求3所述的一种广域确定性业务流在线调度系统，其特征在于，所述确定性网络设备定期向调度模块上报链路各个时隙的负载信息