CN115622941A - 一种动态流量调度方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态流量调度方法、装置及存储介质，涉及网络通信领域，所述方法包括：为一个调度周期内需要调度的每个数据流分配时间片；根据每个数据流的数据量和时间片的长度，确定当前调度周期内每个数据流的剩余时间充足或是不足；将当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间调度给当前调度周期内剩余时间不足的数据流，以提升当前调度周期内的数据流量。

Description

一种动态流量调度方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及网络通信领域，尤其涉及一种动态流量调度方法、装置及存储介质。

背景技术

时间敏感网络是一种提供高实时、高可靠的新型网络技术，由国际组织IEEE于2012年开始倡导，是至今仍在完善的一系列网络技术规范的综合。该技术方兴未艾，应用范围也由当初的音视频桥接网络拓展至车载网络(如无人驾驶)、航空网络、工业互联网(如工业4.0)和移动前传网络(如5G网络)等。

时间敏感网络通过多种调度策略实现网络流量调度，实现确定性边界的低时延、低抖动，达到高实时的效果，是采用“尽力而为”的理念、“先到先服务”模式的传统以太网所不具备的。现有调度策略可分为动态调度策略和静态调度策略。其中，动态调度策略有严格优先级调度、基于信用整形调度和帧抢占调度，优点是带宽利用率高，不足是调度能力弱，表现为多流量调度困难及调度时延估算困难；静态调度策略有门控策略和循环队列转发策略，二者皆基于时分复用的思想，优点是调度能力强，表现为调度较为灵活、调度时延计算简单，不足是，因调度时间片固定，导致带宽浪费大、带宽利用率较低。因此，为提高效能，时间敏感网络的流量调度策略亟需进一步完善，需结合两种调度策略各自优势，综合提升调度能力和带宽利用率。

发明内容

本发明提供一种动态流量调度方法、装置及存储介质，旨在综合提升调度能力和带宽利用率。

本发明提供了动态流量调度方法，所述方法包括：为一个调度周期内需要调度的每个数据流分配时间片；根据每个数据流的数据量和时间片的长度，确定当前调度周期内每个数据流的剩余时间充足或是不足；将当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间调度给当前调度周期内剩余时间不足的数据流，以提升当前调度周期内的数据流量。

优选地，所述根据当前调度周期内每个数据流传输的数据量和时间片的长度，确定当前调度周期内每个数据流的剩余时间充足或是不足包括：对于当前调度周期内的任一数据流，若在所述数据流的时间片内能够完成所述数据流的数据传输且仍有剩余时间，则确定当前调度周期内所述数据流的剩余时间充足；对于当前调度周期内的任一数据流，若在所述数据流的时间片内传输所述数据流的数据时剩余时间不足以再传输所述数据流的一个帧，则确定当前调度周期内所述数据流的剩余时间不足。

优选地，所述将当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间调度给当前调度周期内剩余时间不足的数据流，以提升当前调度周期内的数据流量包括：根据当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间和当前调度周期内剩余时间不足的数据流的剩余时间，确定剩余时间之和；若所述剩余时间之和能够保证剩余时间不足的数据流再传输一个帧，则将当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间调度给当前调度周期内剩余时间不足的数据流。

优选地，一个调度周期内需要调度的数据流包括一个或以上时间敏感数据流和/或一个或以上非时间敏感数据流。

优选地，剩余时间不足的数据流是时间敏感数据流，所述方法还包括：若所述剩余时间之和不能保证剩余时间不足的时间敏感数据流再传输一个帧，则进一步调用当前调度周期内非时间敏感数据流的时间，以使当前调度周期内从非时间敏感数据流调用的时间、剩余时间充足的数据流的剩余时间和剩余时间不足的时间敏感数据流的剩余时间的时间之和能够保证剩余时间不足的数据流再传输一个帧。

优选地，所述方法还包括：若所述剩余时间之和不能保证剩余时间不足的时间敏感数据流再传输一个帧且当前调度周期内没有为非时间敏感数据流分配时间片，则将当前调度周期内剩余时间不足的时间敏感数据流的剩余时间保留至下一调度周期使用。

优选地，剩余时间不足的数据流是非时间敏感数据流，所述方法还包括：若所述剩余时间之和不能保证剩余时间不足的非时间敏感数据流再传输一个帧，则将当前调度周期内剩余时间不足的非时间敏感数据流的剩余时间保留至下一调度周期使用。

本发明还提供了一种动态流量调度设备，所述设备包括存储器、处理器、存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序，所述程序被所述处理器执行时实现如前述的动态流量调度方法的步骤。

本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现如前述的动态流量调度方法的步骤。

本发明基于静态调度策略中时分复用的思想，实现流量灵活调度，同时根据需要对调度时间片灵活调整，进行动态流量调度，实现带宽利用率接近100％，满足时间敏感网络技术发展需求。

附图说明

图1是本发明提供的动态流量调度方法的流程图；

图2是本发明提供的剩余时间富余的示意图；

图3是本发明提供的剩余时间不足的示意图；

图4是本发明提供的动态流量调度设备的结构框图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种动态流量调度方法、装置及存储介质，可应用于但不限于时间敏感网络，其基于时分复用的思想，采用网络数据流动态调度策略，实现确定性时延和最大网络利用率。

实施例1

图1是本发明提供的动态流量调度方法的流程图，如图1所示，所述方法可以包括：

步骤S101：为一个调度周期内需要调度的每个数据流分配时间片；

步骤S102：根据每个数据流的数据量和时间片的长度，确定当前调度周期内每个数据流的剩余时间充足或是不足；

步骤S103：将当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间调度给当前调度周期内剩余时间不足的数据流，以提升当前调度周期内的数据流量。

对于当前调度周期内的任一数据流，若在所述数据流的时间片内能够完成所述数据流的数据传输且仍有剩余时间，则确定当前调度周期内所述数据流的剩余时间充足，若在所述数据流的时间片内传输所述数据流的数据时剩余时间不足以再传输所述数据流的一个帧，则确定当前调度周期内所述数据流的剩余时间不足。已有技术中，无论是剩余时间充足的数据流的剩余时间，还是剩余时间不足的数据流的剩余时间，均无法使用，因此难以提升实时性和带宽利用率，本发明可以根据当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间和当前调度周期内剩余时间不足的数据流的剩余时间，确定剩余时间之和，如果该剩余时间之和能够保证剩余时间不足的数据流再传输一个帧，则将当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间调度给当前调度周期内剩余时间不足的数据流，以供剩余时间不足的数据流在当前调度周期内再传输一个帧，显然，在当前调度周期内，调度能力提升，剩余时间不足的数据流在当前调度周期内的传输数据量变大，传输延迟降低，实时性提高，总体带宽利用率提升。

进一步地，一个调度周期内需要调度的数据流包括一个或以上时间敏感数据流和/或一个或以上非时间敏感数据流。

对于当前调度周期内的任一时间敏感数据流，具体实施时存在以下四种情况：

(1)若该时间敏感数据流的剩余时间充足，则可以将该时间敏感数据流的剩余时间挪用给其他剩余时间不足的数据流。例如，当前调度周期内有5个数据流，数据流1和2是时间敏感数据流，数据流3、4、5是非时间敏感数据流，假设数据流1的剩余时间充足，则可以将数据流1的剩余时间挪用给数据流2-4中剩余时间不足的数据流，其中，优先挪用给时间敏感数据流。

(2)若该时间敏感数据流的剩余时间不足，且该时间敏感数据流的剩余时间与剩余时间充足的数据流的剩余时间之和能够保证再传输该时间敏感数据流的一个帧，则可以将剩余时间充足的数据流的剩余时间挪用给该时间敏感数据流，以多传输该时间敏感数据流的一个帧。例如，当前调度周期内有5个数据流，数据流1和2是时间敏感数据流，数据流3、4、5是非时间敏感数据流，假设数据流1和4的剩余时间充足，数据流2的剩余时间不足，且数据流2的剩余时间与数据流1和4的剩余时间的和能够再传输数据流2的一个帧，则将数据流1和4的剩余时间挪用给数据流2，以多传输数据流2的一个帧。

(3)若该时间敏感数据流的剩余时间不足，且该时间敏感数据流的剩余时间与剩余时间充足的数据流的剩余时间之和也不能再传输该时间敏感数据流的一个帧，则调用当前调度周期内非时间敏感数据流的时间，以便再传输该时间敏感数据流的一个帧。例如，当前调度周期内有5个数据流，数据流1和2是时间敏感数据流，数据流3、4、5是非时间敏感数据流，假设数据流1和4的剩余时间充足，数据流2的剩余时间不足，且数据流2的剩余时间与数据流1和4的剩余时间的和也不能够再传输数据流2的一个帧，则将数据流1和4的剩余时间挪用给数据流2的同时，将数据流3、4、5中任一数据流的部分时间挪用给数据流2，以多传输数据流2的一个帧。

(4)若该时间敏感数据流的剩余时间不足，且该时间敏感数据流的剩余时间与剩余时间充足的数据流的剩余时间之和不能保证该时间敏感数据流再传输一个帧，且当前调度周期内均为时间敏感数据流(即当前调度周期内没有为非时间敏感数据流分配时间片)，则将该时间敏感数据流的剩余时间保留至下一调度周期使用。例如，当前调度周期内有2个时间敏感数据流，假设数据流1的剩余时间充足，数据流2的剩余时间不足，且数据流2的剩余时间与数据流1的剩余时间的和也不能再传输数据流2的一个帧，则将数据流1和2保留至下一调度周期使用，即，当前调度周期变小，下一调度周期变大，但两个调度周期的周期之和不变。

对于当前调度周期内的任一非时间敏感数据流，具体实施时存在以下四种情况：

(1)若该非时间敏感数据流的剩余时间充足，则可以将该非时间敏感数据流的剩余时间挪用给其他剩余时间不足的数据流。例如，当前调度周期内有5个数据流，数据流1和2是时间敏感数据流，数据流3、4、5是非时间敏感数据流，假设数据流5的剩余时间充足，则可以将数据流5的剩余时间挪用给数据流1-4中剩余时间不足的数据流，其中，优先挪用给时间敏感数据流。

(2)若该非时间敏感数据流的剩余时间不足，且该非时间敏感数据流的剩余时间与剩余时间充足的数据流的剩余时间之和能够保证再传输该时间敏感数据流的一个帧，则可以将剩余时间充足的数据流的剩余时间挪用给该非时间敏感数据流，以多传输该非时间敏感数据流的一个帧，在保证调度能力的同时提升了非时间敏感数据流在当前调度周期的数据传输量，提升了实时性。例如，当前调度周期内有5个数据流，数据流1和2是时间敏感数据流，数据流3、4、5是非时间敏感数据流，假设数据流1和4的剩余时间充足，数据流5的剩余时间不足，且数据流5的剩余时间与数据流1和4的剩余时间的和能够再传输数据流5的一个帧，则将数据流1和4的剩余时间挪用给数据流5，以多传输数据流5的一个帧。

(3)若该非时间敏感数据流的剩余时间不足，且该非时间敏感数据流的剩余时间与剩余时间充足的数据流的剩余时间之和也不能再传输该非时间敏感数据流的一个帧，则将该时间敏感数据流的剩余时间保留至下一调度周期使用。例如，当前调度周期内有2个数据流，数据流1是剩余时间充足的时间敏感或非时间敏感的数据流，数据流2是剩余时间不足的非时间敏感数据流，假设数据流1的剩余时间与数据流2的剩余时间的和不能再传输数据流2的一个帧，则将数据流1和2的剩余时间保留至下一调度周期使用，即，当前调度周期变小，下一调度周期变大，但两个调度周期的周期之和不变。

实施例2

IEEE 802.1Qbv为了确保时间片在切换时以太网接口是空闲的，会在每个用于传输关键流量(时间敏感数据流)的时间片前面放置一个保护带，中断非时间敏感数据流，保护带的时长与进行安全传输最大帧(即最大以太网帧)所需的时长一致。在该保护带，不能启动新的以太网帧传输，仅可以完成正在传输的数据帧，显然，保护带中的部分或全部时间无法利用，导致调度周期内的有效时间或总带宽减小。本发明提供一种实现计算简单、调度能力强，同时带宽利用率高的时间敏感网络调度策略，在静态调度策略中时分复用思想基础上进行改进，升级为动态调度。采用本发明的调度策略后，可以将原有保护带内不能使用的时间利用起来，增加了时间片内的有效时间，提高了数据传输量和带宽利用率。

以下结合图2和图3进行详细说明。

1.时分复用.

本发明的调度策略以时分复用思想为核心，各个数据流根据在一个调度周期内占用时间片的长度，划分使用带宽，实现流量基本调度。

例如，数据流A在带宽为R的信道内，在一个调度周期T内占有时间片长度为TA，则相当于数流A按照带宽RA＝TA/T*R进行调度。

以门控策略为作为参照(但不限于)，即，参照2015年门控策略标准IEEE802.1Qbv，采用通过门控列表控制门控开关调度各个数据流传输情况，使调度算法能够提供多流量灵活调度，并提供确定性时延边界(现有研究成果已推导出，在此不赘述)。

2.可变调度时间片

分析门控策略带宽利用率低原因，主要受保护带影响，每次调度最大浪费1个以太网帧大小的带宽，约1500字节。保护带作用是在时间敏感数据流来临前，提前中断非时间敏感数据流，为确保准确中断，需提前1个最大以太网帧，以防止非关键数据流对时间敏感数据流影响。

分析保护带使用，带宽浪费分为两种情况：剩余时间富余、剩余时间不足。

(1)剩余时间富余

剩余时间富余(或称剩余时间充裕、剩余时间充足)指，某数据流在一个分配时间片内传输后无数据，仍有剩余时间，是该数据流用不上的时间，即剩余时间用不完。具体如图2所示。

需要说明的是，如果该数据流是非时间敏感数据流，下一数据流是时间敏感数据流，那么图2时间片中的剩余时间A可能大于、等于、或小于该时间片中的保护带的时长。

本发明调度策略是，将该数据流富于的剩余时间挪至其他数据流使用，因总调度周期不变，对该数据流调度无任何影响。而接收富余剩余时间的数据流在一个周期内相当于分配带宽变大，传输数据量变大，传输延迟降低，实时性提高，因无空闲时间，总体带宽利用率提升。即实时性和带宽利用率都获得了提升。

(2)剩余时间不足

剩余时间不足指，某数据流在一个分配时间片传输数据，剩余时间不能传输1个帧长而中断，剩余时间无法使用，即想用却用不了。具体如图3所示。

需要说明的是，如果该数据流是非时间敏感数据流，下一数据流是时间敏感数据流，那么图3时间片中的剩余时间B小于该时间片中的保护带的时长。

对此，本发明调度策略，分两种情形：

情形1，若可由它处(如其它剩余时间富余的数据流或非时间敏感数据流)补足，则多传1个帧。此时，本数据流在原门控策略延迟分析基础上，相当于实现本调度周期内带宽变大，传输数据量变大，传输延迟降低，实时性提高，因无空闲时间，总体带宽利用率提升。剩余时间富余的数据流的调度不受影响；非时间敏感数据流对实时性无要求，可认为不影响。即实时性和带宽利用率都获得了提升。

情形2，若上面情形不满足，即，若无法由它处补足多传1个帧，则保留至下一个周期使用。此时，本数据流时延分析在本周期不受影响，相当于在下一个调度周期内带宽变大，传输数据量变大，传输延迟降低，实时性提高，因无空闲时间，总体带宽利用率提升。对于其它数据流因本周期变小，传输时延在原门控策略基础上降低，在下个周期，周期变长，传输时延增加，但综合两个周期，总周期不变，传输时延总体不变。即实时性和带宽利用率都获得了一定保证与提升。

需要指出的是，因非时间敏感数据流在每个周期内也分配有一定的传输时间片，因此基本能够满足情形1，情形2只是极端特例。

综合剩余时间富余和不足两种情况可知，本调度策略在时间敏感网络原有协议(例如门控策略)基础上，实现了提升了调度能力又将带宽利用率提升至约100％。

实施例3

本发明还提供了一种动态流量调度设备，具体如图4所示，所述设备100包括存储器1、处理器2、存储在所述存储器1上并可在所述处理器2上运行的程序，所述程序被所述处理器2执行时实现如前述的动态流量调度方法的步骤。

所述处理器2可以包括但不限于能够执行存储器上保存的程序的中央处理器、数字信号处理器或微处理器。

实施例4

本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现如前述的动态流量调度方法的步骤。

所述存储介质可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被处理器访问的任何其他的介质。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。

Claims (9)

1.一种动态流量调度方法，其特征在于，所述方法包括：

为一个调度周期内需要调度的每个数据流分配时间片；

根据每个数据流的数据量和时间片的长度，确定当前调度周期内每个数据流的剩余时间充足或是不足；

将当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间调度给当前调度周期内剩余时间不足的数据流，以提升当前调度周期内的数据流量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据当前调度周期内每个数据流传输的数据量和时间片的长度，确定当前调度周期内每个数据流的剩余时间充足或是不足包括：

对于当前调度周期内的任一数据流，若在所述数据流的时间片内能够完成所述数据流的数据传输且仍有剩余时间，则确定当前调度周期内所述数据流的剩余时间充足；

对于当前调度周期内的任一数据流，若在所述数据流的时间片内传输所述数据流的数据时剩余时间不足以再传输所述数据流的一个帧，则确定当前调度周期内所述数据流的剩余时间不足。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间调度给当前调度周期内剩余时间不足的数据流，以提升当前调度周期内的数据流量包括：

根据当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间和当前调度周期内剩余时间不足的数据流的剩余时间，确定剩余时间之和；

若所述剩余时间之和能够保证剩余时间不足的数据流再传输一个帧，则将当前调度周期内剩余时间充足的数据流的剩余时间调度给当前调度周期内剩余时间不足的数据流。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，一个调度周期内需要调度的数据流包括一个或以上时间敏感数据流和/或一个或以上非时间敏感数据流。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，剩余时间不足的数据流是时间敏感数据流，所述方法还包括：

若所述剩余时间之和不能保证剩余时间不足的时间敏感数据流再传输一个帧，则进一步调用当前调度周期内非时间敏感数据流的时间，以使当前调度周期内从非时间敏感数据流调用的时间、剩余时间充足的数据流的剩余时间和剩余时间不足的时间敏感数据流的剩余时间的时间之和能够保证剩余时间不足的数据流再传输一个帧。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述剩余时间之和不能保证剩余时间不足的时间敏感数据流再传输一个帧且当前调度周期内没有为非时间敏感数据流分配时间片，则将当前调度周期内剩余时间不足的时间敏感数据流的剩余时间保留至下一调度周期使用。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，剩余时间不足的数据流是非时间敏感数据流，所述方法还包括：

若所述剩余时间之和不能保证剩余时间不足的非时间敏感数据流再传输一个帧，则将当前调度周期内剩余时间不足的非时间敏感数据流的剩余时间保留至下一调度周期使用。

8.一种动态流量调度设备，其特征在于，所述设备包括存储器、处理器、存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序，所述程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的动态流量调度方法的步骤。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现如权利要求1-7任意一项所述的动态流量调度方法的步骤。

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