CN116032855B - 解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法，属于时间敏感网络领域，包括以下步骤：S1：为每个类别的帧分配不同的优先级，将紧急事件流分配最高优先级，适配成时间敏感网络帧；S2：设置流量传输约束条件，为ST流构建GCL；S3：当紧急事件流ET传入时，先经过队列选择器进行选择，不同优先级传入不同的入队缓存队列；将紧急事件流ET传入入队缓存队列S7中；S4：等入队缓存队列输入到优先级队列后，将紧急事件流的优先级队列时间门打开，并且允许在任何时间窗口内传输。

Description

解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法

技术领域

本发明属于时间敏感网络领域，涉及一种解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法

背景技术

实时性和确定性是工业自动化中数据传输的重要性能指标。工业自动化现场存在多种时间敏感型数据，这些数据的传输具有非常高的实时性和确定性要求。以太网被认为是汽车和工业领域是分布式嵌入式系统未来通信的标准，但其本质是竞争性网络，面临的挑战是以太网媒体访问控制采用带冲突检测的载波侦听多路接入机制(CSMA/CD)，信息传递时延有无法预测的随机性，无法保证以太网帧的确定低延迟的传输。2005年，IEEE 802.1任务组制定了AVB，以太网音视频桥接技术(Ethernet Audio Video Bridge),是一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的协议，有效的解决了数据在以太网中传输的时序性、低时延和流量整形问题。2012年，IEEE 802.1任务组将AVB更名为TSN,通过增加适用于工业的标准形成时间敏感网络(TSN)以太网标准集。

IEEE802.1Qbv定义了“时间感知整形器”(TAS)机制，该机制使用计划门控方案控制开关内帧的传输时间，然后，可以计算出网络中交换机的一组协调的TAS调度，以保证对时间关键型流量的严格的低延迟和低抖动要求。然而，大多数关于TAS调度的工作都假设周期流量，这是已知的。他们都没有考虑到在实际工业系统中可能发生的非周期的紧急事件流。这些“紧急事件流”是时间敏感和关键的，因为任何延迟或损失都可能导致对系统的致命损害。

将流量类型分为如表1的几种：

表1

紧急事件流	ET	PCP7
			实时敏感流	ST	PCP5、PCP6、PCP7
非实时敏感流	NST	PCP0、PCP1、PCP2、PCP3、PCP4

如图1中的(a)-(c)所示，T₁、T₂、T₃、T₄为TAS中时隙的开关门时刻，两个相邻开关门时刻构成一个时隙，T₁--T₄构成一个周期，一个周期由多个时隙组成。事先规定ST时隙打开优先级队列5、6、7的门，关闭0、1、2、3、4的门；NST时隙打开优先级队列0、1、2、3、4的门，关闭5、6、7的门；在GB时隙关闭所有门。当ET分别在ST、NST、GB传输时隙到达时，N₂和/>时隙分别被占用，只能到下一周期的相应时隙窗口传输，这样就会产生联级延迟，导致端到端时延的增加。若到达时间并未到达ET帧所对应的开门时隙，这样ET帧也会被延迟到相应周期传输。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种时间敏感网络中增强时间感知整形器(TAS)的动态调度方法，解决时间敏感网络中的紧急事件流。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法，包括以下步骤：

S1：为每个类别的帧分配不同的优先级，将紧急事件流分配最高优先级，适配成时间敏感网络帧；

S2：设置流量传输约束条件，为ST流构建GCL；

S3：当紧急事件流ET传入时，先经过队列选择器进行选择，不同优先级传入不同的入队缓存队列；将紧急事件流ET传入入队缓存队列S7中；

S4：等入队缓存队列输入到优先级队列后，将紧急事件流的优先级队列时间门打开，并且允许在任何时间窗口内传输。

进一步，步骤S1中所述为每个类别的帧分配不同的优先级，具体包括：

尽力而为流的优先级为0，音频或视频流的优先级为1，本地透传流的优先级为2，配置或诊断流的优先级为3，警告或事件流的优先级为4，周期流的优先级为5，同步流的优先级为6，网络控制或紧急事件流的优先级为7；则：

优先级为7的流为紧急事件流ET；

优先级为5-7的流为实时敏感流ST；

优先级为0-4的流为非实时敏感流NST。

进一步，步骤S2中，具体包括以下步骤：

S21：计算调度的超周期T_f和帧实例的个数N_i：

其中表示ST流f_i的周期，LCM表示最小公倍数；

S22：将流量调度转为数学形式：已知ST流f_i，网络有向图G，路由方案ω，通过约束条件，满足最小化端到端时延和流量的总传输时长两个目标函数，使每个ST流f_i达到最小的帧传输偏移量

S23：将K最短路径算法计算出的ST流的路径方案ω作为迭代搜索阶段的输入，根据迭代搜索算法与流量约束条件，采用ILP求解器求解ST流量传输路径上交换机的门控列表，计算函数值选出最优路径方案及其门控列表X_best，如果求解失败，增加候选路径解空间数量并返回第三步，如果求解成功，则输出X_best。

进一步，步骤S22中满足以下约束条件：

(1)端到端时延约束：

有：

表示流f_i最后一帧到达接收端的时刻；表示发送端传输开始时刻；两者的时间间隔即为端到端时延，端到端时延必须小于等于流能容忍的最大端到端时延D_i；

(2)帧约束：

(3)链路约束：

对于 在链路(ES_a,ES_b)上存在两条ST流f_i和f_j且i≠j，有：

(4)帧隔离约束：

规定一条队列同一时刻只能存储一条流的数据帧， 假设当前网络任意两条ST流f_i，f_j(i≠j)同时从(ES_x,ES_a)和(ES_y,ES_a)到达节点ES_a，有：

(5)流量传输约束：

规定帧通过路径上每条链路的时序，(ES_a,ES_x),(ES_x,ES_b)∈E，有：

即同一帧在(ES_x,ES_b)链路上帧传输偏移量必须大于等于(ES_a,ES_x)链路上帧传输偏移量；同一帧在后继链路上传输实例的开始时刻，必须大于等于前驱链路上传输实例的完成时刻。

进一步，步骤S22所述的最小化端到端时延和流量的总传输时长两个目标函数具体为：

端到端时延表示流f_i最后一帧到达接收端的时刻与第1帧在发送端传输开始时刻之间的时间间隔；

总传输时长表示所有ST流传输完成时刻的最大值；总传输时长γ为所有ST流最后一帧N_i在路径(BR_h,ES’)上开始传输时的帧传输偏移量加上N_i的发送时延的值，即所有ST流从发送到结束时间段；

定义ε为所有ST流端到端时延之和，γ为所有ST流的总传输时长中最大值：

以ε和γ两个指标，构建权重系数w₃，w₄且w₃+w₄＝1，设置辅助变量

进一步，步骤S23所述的迭代搜索算法包括以下步骤：

步骤1：获取传输方案ω_i(ω_i∈ω)，初始化X_best；

步骤2：输入ω_i，结合流量约束条件采用ILP求解器得出门控列表同时计算所有ST流端到端时延之和ε，总传输时长γ；设置权重系数w₃，w₄，根据/>保留最小值及其最佳门控列表X_best；

步骤3：判断是否存在未计算的传输方案，如果存在返回步骤2，相反进入步骤4；

步骤4：检查X_best是否为空，如果为空即调度失败情况，增加候选路径解空间数量候选路径K数量并返回候选路径选择阶段，如果不为空则求解成功，输出最优路径的门控列表X_best。

进一步，步骤S3具体包括以下步骤：

S31：流F_i经过队列选择器将优先级7的流传输到入队缓存队列S7；

S32：与发出紧急流量的报警器的源MAC地址进行对比判断，当与报警器的源MAC地址相同时，流量被判断为优先级7的紧急事件流ET，转入步骤S33；当与报警器的源MAC地址不同时，流量被判断为其他优先级7的ST流，转入步骤S34；

S33：优先级7的紧急事件流ET存入优先级7的优先级队列头部进行入队操作；

S34：其他优先级7的ST流存入优先级队列尾部进行入队操作；

S35：优先级队列#7在队头进行出队操作。

进一步，步骤S4具体包括以下步骤：

将门状态规则改为：ST时隙打开优先级队列5、6、7的门，关闭0、1、2、3、4的门；NST时隙打开优先级队列0、1、2、3、4、7的门，关闭5、6的门；在GB时隙打开优先级队列7的门，关闭剩余所有门；

通过动态调度时间窗口技术临时扩展ST流的时间窗口，同时遵循原始预定义好的门控列表进行精确时间调度。

进一步，所述动态调度时间窗口技术的具体步骤如下：

首先输入信息TWE_message或TWT_message；其中TWE_message是时间窗口扩展信息，包含参与循环计时器状态机中设置循环开始时间的AdminCycleTimeExtension参数与OperCycleTimeExtension参数，其定义为在安装新的周期配置时允许延长端口的门控周期的最大时间量；TWT_message是时间窗口转换信息，包含列出配置状态机的ConfigChange参数，ConfigChange作为列表配置状态机的启动信号，表明端口的管理变量值已准备好复制到它们相应的操作变量中去，更新当前活跃调度的，转换到下一时间窗口的调度中去；

如果输入的是TWE_message，那么算出ET的字节数，根据字节长度与到达链路速率做比求出ET的传输时间；如果传入时间在ST时间窗口内，GCL在τ中积累了ET传输时间；否则，GCL用ET的传输时间替换τ，并记录当前到最后时间戳的时间；

如果输入的是TWT_message，当它需要转换到原始调度中的下一个状态时，向GCL发送一个TWT消息；然后，增强TAS首先复制下一个时间窗口的信息；

当前时间窗口为ST时间窗口，并且在此窗口期间传输了一个ET时，GCL将τ延迟下一个时间窗口的开始时间，重新安排下一个过渡时间，并将τ初始化为零；

当前时间窗口为GB或NST时，GCL检查是否有一个ET帧在当前时间窗口中开始传输，并将在下一个窗口中完成；GCL重新计算τ，以只获得ET传输将与下一个时间窗口重叠的时间量，并将最后的时间戳初始化为零；

最后，τ和最后时间戳被重新初始化；GCL将X_best门的状态更改为下一个时间窗。

本发明的有益效果在于：本发明对已经预定好的X_best进行动态调整，生成新的门控列表X’_best，达到当有ET传输的时候，就能立即传输，保证了传输的低时延，同时，也避免了ST的传输产生的联级延迟问题，保证了ST的低时延。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1中，(a)为ET在ST传输时隙到达，(b)为ET在NST传输时隙到达，(c)为ET在GB传输时隙到达；

图2为端到端时延图；

图3为TSN交换机内部结构图；

图4为分类算法流程图；

图5为双端队列数据结构图；

图6为ET在GB期间传入的传输实例图；

图7为ET在ST期间传入的传输实例图；

图8为动态调度时间窗口技术步骤图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

本发明提供一种时间敏感网络中增强时间感知整形器(TAS)的动态调度方法，包括以下步骤：

S1：将每个类别的帧根据表2分配不同的优先级，将紧急事件流分配最高优先级，适配成时间敏感网络帧。

表2

时间敏感网络帧类型	帧优先级(PCP)
		尽力而为	0
音频/视频	1
		本地透传	2
配置/诊断	3
		警告/事件	4
周期	5
		同步	6
网络控制/紧急事件	7

紧急事件流：非周期的紧急事件流(如火灾报警)，这些“紧急事件流”是时间敏感和关键的。

S2：本网络中ST流的传输路径已通过K最短路径选择算法求出，得到了路由方案ω。当流量进入后，我们为了避免ST流传输过程中因传输链路重叠造成的流量冲突等问题，设置流量传输约束条件，为ST流构建GCL，以减少流量冲突对ST流带来的延迟影响。

本部分做如下表3术语定义。

表3

超周期为所有流周期的最小公倍数。

周期为超周期，该调度表制定了超周期内每个链路上所有数据流的传输时间，从而使得流在截止时间之前达到目的地。

因此调度的超周期T_f被定义为所有流周期的最小公倍数(Least Common Multiple，LCM)，其中表示ST流f_i的周期，其计算公式如下所示：

周期小于超周期的流需要在调度期间内发送多次，每个这样的传输被称为帧实例(Frame Instance)，对于流f_i而言，在一个T_f内帧实例的个数N_i由下式进行计算：

本部分将调度问题定义为一个优化问题：为所有流的传输时间找到一个合适的时隙分配方案，使其满足所有网络和流量的总传输时长γ和端到端时延两个目标函数以及相关约束条件。

整数线性规划(Integer Linear Programing，ILP)用于求解优化问题,即在一系列等式或不等式的约束条件之下，将变量为整数的目标函数最优化，从而进行求解。

其中引入帧传输偏移量表示ST流f_i在链路l上第n帧的发送时刻。

综上所述，本方案将流量调度转为数学形式：已知ST流f_i，网络有向图G，路由方案ω，通过约束条件，满足最小化端到端时延和流量的总传输时长两个目标函数，使每个ST流f_i达到最小的集合。

为保证帧在网络中按序、无冲突传输，需要满足以下约束条件：

1.端到端时延约束

有：

表示流f_i最后一帧到达接收端的时刻；表示发送端传输开始时刻；两者的时间间隔即为端到端时延，端到端时延必须小于等于流能容忍的最大端到端时延D_i。

2.帧约束

该约束是针对每一个ST流f_i的周期性提出的。要求非负，且必须保证f_i在其周期内完成传输。

那么

3.链路约束

链路约束要求通过同一链路任意两帧传输实例在时间上没有重叠，该约束表明同一链路的任意两个帧传输实例之间，其中一个实例的传输开始时刻必须大于等于另一个实例的完成时刻。对于 在链路(ES_a,ES_b)上存在两条ST流f_i和f_j且i≠j，有：

4.帧隔离约束

帧隔离约束是为了避免流传输中帧丢失引起传输不确定和抖动的问题。假设两个不同流的两帧一个接一个到达的情况，两者按照所需顺序放置在同一队列，如果第一帧丢失，来自第二流的第二帧在队列中占据位置，且将在第一流保留的时隙中传输，导致不确定性和抖动，因此，制定帧隔离约束来强制流的正确顺序。

为了确定性端到端时延，此约束规定一条队列同一时刻只能存储一条流的数据帧， 假设当前网络任意两条ST流f_i，f_j(i≠j)同时从(ES_x,ES_a)和(ES_y,ES_a)到达节点ES_a，有：

5.流量传输约束

此约束规定了帧通过路径上每条链路的时序，(ES_a,ES_x),(ES_x,ES_b)∈E， 有：

即同一帧在(ES_x,ES_b)链路上帧传输偏移量必须大于等于(ES_a,ES_x)链路上帧传输偏移量；即同一帧在后继链路上传输实例的开始时刻，必须大于等于前驱链路上传输实例的完成时刻。用于在时钟同步存在误差的情况下保证链路传输的时序。

流量调度在满足以上约束条件的同时优化传输性能，本方案以最小化端到端时延和流量的总传输时长为目标函数。

端到端时延：如图2所示，流f_i最后一帧到达接收端的时刻与第1帧在发送端传输开始时刻之间的时间间隔即为端到端时延D。

总传输时长:所有ST流传输完成时刻的最大值。

总传输时长γ为所有ST流最后一帧N_i在路径(BR_h,ES’)上开始传输时的帧传输偏移量加上N_i的发送时延的值，即所有ST流从发送到结束时间段。

同时定义ε为所有ST流端到端时延之和，γ为所有ST流的总传输时长中最大值。

以ε和γ两个指标，构建权重系数w₃，w₄且w₃+w₄＝1，设置辅助变量

将K最短路径算法计算出的ST流的路径方案ω作为迭代搜索阶段的输入，根据迭代搜索算法与流量约束条件，采用ILP求解器求解ST流量传输路径上交换机的门控列表，计算函数值选出最优路径方案及其门控列表X_best，如果求解失败，增加候选路径解空间数量并返回第三步，如果求解成功，则输出X_best；迭代搜索算法步骤如下：

步骤1：获取传输方案ω_i(ω_i∈ω)，初始化X_best；

步骤2：输入ω_i，结合流量约束条件采用ILP求解器得出门控列表同时计算所有ST流端到端时延之和ε，总传输时长γ。设置权重系数w₃，w₄，根据/>保留最小值及其最佳门控列表X_best；

步骤3：是否存在未计算的传输方案，如果存在返回步骤2，相反进入步骤4；

步骤4：检查X_best是否为空，如果为空即调度失败情况，增加候选路径解空间数量候选路径K数量并返回候选路径选择阶段，如果不为空则求解成功，输出最优路径的门控列表X_best。

等生成门控列表后，接下来就当有ET流输入时，对门控列表进行动态调整的过程。

S3：当紧急事件流ET传入时，先经过队列选择器进行选择，不同优先级传入不同的入队缓存队列。紧急事件流ET传入入队缓存队列S7中去。如图3-4所示。

1)对入队缓存队列S7中流量通过流量的源MAC地址进行分类判断,与发出紧急流量的报警器的源MAC地址进行对比判断，优先级7的紧急事件流ET存入优先级7的优先级队列头部；其他优先级7的ST流存入优先级队列尾部，使紧急事件流ET能在优先级队列#7头部进行入队，优先传输。

对工业现场发出紧急流量的报警器的源MAC地址进行收集，存入报警器MAC地址Q中去。

2)我们修改了优先级队列#7的数据结构，不使用常见的FIFO结构，使用输出受限的双端队列数据结构。

输出受限的双端队列是指允许队列两端都可以进行入队操作，但是只能在一端出队操作的队列，使紧急事件流ET能在优先级队列#7头部进行入队，优先传输。双端队列数据结构如图5所示。

综上所述，上述两步具体步骤如下所示：

步骤1：流F_i经过队列选择器将优先级7的流传输到入队缓存队列S7；

步骤2：与发出紧急流量的报警器的源MAC地址进行对比判断，当与报警器的源MAC地址相同时，流量被判断为优先级7的紧急事件流ET，转入步骤3；

当与报警器的源MAC地址不同时，流量被判断为其他优先级7的ST流，转入步骤4。

步骤3：优先级7的紧急事件流ET存入优先级7的优先级队列头部进行入队操作。

步骤4：其他优先级7的ST流存入优先级队列尾部进行入队操作。

步骤5：优先级队列#7在队头进行出队操作。

S4：等入队缓存队列输入到优先级队列后，为了减少紧急事件流的延迟，将紧急事件流的优先级队列#7的时间门总是打开的，并且允许在任何时间窗口内传输，包括保护带GB。

事先规定的门状态规则改为：ST时隙打开优先级队列5、6、7的门，关闭0、1、2、3、4的门；NST时隙打开优先级队列0、1、2、3、4、7的门，关闭5、6的门；在GB时隙打开优先级队列7的门，关闭剩余所有门。

通过允许紧急事件流在所有时间窗口内传输，即使在GB时间窗口内到达，也可以立即传输。这样就解决了ET帧在NST时隙和GB时隙到达而造成延迟的情况。

但是也有两种情况紧急事件流依然会被延迟。

①如果一个ET帧在GB窗口的末尾开始传输，它可能会侵入ST时间窗口，这时候ST的时间窗口可能会在ST传输前关闭，那么属于ST的剩余未传完的帧会被延迟到下一周期的ST窗口，这样就会导致显著的联级延迟，对ST的时延造成较大的影响。如图6所示。

当ET分别在ST传输时隙到达时，原本属于时隙被占用，只能到下一周期的相应时隙窗口传输，这样就会产生联级延迟，导致端到端时延的增加。如图7所示。

所以提出“动态调度时间窗口技术”，该技术临时扩展了ST流的时间窗口，同时又遵循原始预定义好的门控列表进行精确时间调度。如图8所示，显示了增强TAS中“动态调度时间窗口技术”的操作程序。具体步骤：

1)一个ET帧到达它的队列；

2)ET到缓存队列头部立即传输；

3)传输ET帧；

4)然后OperCycleTimeExtension信息发送到GCL，其中包括要传输的ET帧大小；

5)紧接着，GCL计算ET帧的传输时间，并将它累计到一个变量τ这表示ST窗口可能需要拓展的持续时间。之后，当GCL将门状态改变为下一个状态时，如果下一个门状态是NST时间窗口，GCL会通过τ延迟转变。

因此，ST时间窗口持续时间被ET帧使用的时间量暂时延长。

“动态调度时间窗口技术”的算法的流程如表4所示。

表4

首先输入信息为TWE_message or TWT_message。

其中TWE_message是时间窗口扩展信息，其中TWE_message包含了参与循环计时器状态机中设置循环开始时间的AdminCycleTimeExtension参数与OperCycleTimeExtension参数，其定义为在安装新的周期配置时允许延长端口的门控周期的最大时间量。

TWT_message是时间窗口转换信息。其中TWT_message包含了列出配置状态机的ConfigChange参数。ConfigChange作为列表配置状态机的启动信号，表明端口的管理变量值已准备好复制到它们相应的操作变量中去，更新当前活跃调度的，转换到下一时间窗口的调度中去。

如果输入的是TWE_message，那么算出ET的字节数，根据字节长度与到达链路速率做比求出ET的传输时间。如果传入时间在ST时间窗口内，GCL在τ中积累了ET传输时间；否则，GCL用ET的传输时间替换τ，并记录当前到最后时间戳的时间(第1-9行)。

如果输入的是来自TWT_message，当它需要转换到原始调度中的下一个状态时，它会向GCL发送一个TWT消息。然后，增强TAS首先复制下一个时间窗口(GCL中的下一行)的信息，以保持预定义的时间表的完整(第13行)。

当前时间窗口为ST时间窗口，并且在此窗口期间传输了一个ET时，GCL将τ延迟下一个时间窗口(即NST时间窗口)的开始时间，重新安排下一个过渡时间，并将τ初始化为零。这意味着此时的状态没有改变，因为GCL没有过渡到下一个时间窗口。

当前时间窗口为GB或NST时，GCL检查是否有一个ET帧在当前时间窗口中开始传输，并将在下一个窗口中完成(第20行)。以图3中的ET为例，如果最后时间戳(ET传输开始的时间)和τ(ET的传输时间)之和大于下一个窗口的开始时间，则说明ET将使用下一个时间窗口的某个时间。因此，GCL重新计算τ，以只获得ET传输将与下一个时间窗口重叠的时间量，并将最后的时间戳初始化为零(第21-23行)。

最后，τ和最后时间戳被重新初始化(第24-25行)。在上述过程之后，GCL将X_best门的状态更改为下一个时间窗(第29行)。

这样就能对已经预定好的X_best进行动态调整，生成新的门控列表X’_best。达到当有ET传输的时候，就能立即传输，保证了传输的低时延，同时，也避免了ST的传输产生的联级延迟问题，保证了ST的低时延。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：为每个类别的帧分配不同的优先级，将紧急事件流分配最高优先级，适配成时间敏感网络帧；

S2：设置流量传输约束条件，为ST流构建GCL；

S3：当紧急事件流ET传入时，先经过队列选择器进行选择，不同优先级传入不同的入队缓存队列；将紧急事件流ET传入入队缓存队列S7中；

S4：等入队缓存队列输入到优先级队列后，将紧急事件流的优先级队列时间门打开，并且允许在任何时间窗口内传输；

步骤S2中，具体包括以下步骤：

S21：计算调度的超周期T_f和帧实例的个数N_i：

其中表示ST流f_i的周期，LCM表示最小公倍数；

S22：将流量调度转为数学形式：已知ST流f_i，网络有向图G，路由方案ω，通过约束条件，满足最小化端到端时延和流量的总传输时长两个目标函数，使每个ST流f_i达到最小的帧传输偏移量

S23：将K最短路径算法计算出的ST流的路径方案ω作为迭代搜索阶段的输入，根据迭代搜索算法与流量约束条件，采用ILP求解器求解ST流量传输路径上交换机的门控列表，计算函数值选出最优路径方案及其门控列表X_best，如果求解失败，增加候选路径解空间数量并返回第三步，如果求解成功，则输出X_best；

步骤S22中满足以下约束条件：

(1)端到端时延约束：

有：

表示流f_i最后一帧到达接收端的时刻；/>表示发送端传输开始时刻；两者的时间间隔即为端到端时延，端到端时延必须小于等于流能容忍的最大端到端时延D_i；

(2)帧约束：

(3)链路约束：

对于 在链路(ES_a,ES_b)上存在两条ST流f_i和f_j且i≠j，有：

(4)帧隔离约束：

规定一条队列同一时刻只能存储一条流的数据帧， 假设当前网络任意两条ST流f_i，f_j(i≠j)同时从(ES_x,ES_a)和(ES_y,ES_a)到达节点ES_a，有：

(5)流量传输约束：

规定帧通过路径上每条链路的时序，(ES_a,ES_x),(ES_x,ES_b)∈E，有：

即同一帧在(ES_x,ES_b)链路上帧传输偏移量必须大于等于(ES_a,ES_x)链路上帧传输偏移量；同一帧在后继链路上传输实例的开始时刻，必须大于等于前驱链路上传输实例的完成时刻；

步骤S22所述的最小化端到端时延和流量的总传输时长两个目标函数具体为：

端到端时延表示流f_i最后一帧到达接收端的时刻与第1帧在发送端传输开始时刻之间的时间间隔；

总传输时长表示所有ST流传输完成时刻的最大值；总传输时长γ为所有ST流最后一帧N_i在路径(BR_h,ES’)上开始传输时的帧传输偏移量加上N_i的发送时延的值，即所有ST流从发送到结束时间段；

定义ε为所有ST流端到端时延之和，γ为所有ST流的总传输时长中最大值：

以ε和γ两个指标，构建权重系数w₃，w₄且w₃+w₄＝1，设置辅助变量

步骤S23所述的迭代搜索算法包括以下步骤：

步骤1：获取传输方案ω_i(ω_i∈ω)，初始化X_best；

步骤2：输入ψ_i，结合流量约束条件采用ILP求解器得出门控列表同时计算所有ST流端到端时延之和ε，总传输时长γ；设置权重系数w₃，w₄，根据/>保留/>最小值及其最佳门控列表X_best；

步骤3：判断是否存在未计算的传输方案，如果存在返回步骤2，相反进入步骤4；

步骤4：检查X_best是否为空，如果为空即调度失败情况，增加候选路径解空间数量候选路径K数量并返回候选路径选择阶段，如果不为空则求解成功，输出最优路径的门控列表X_best。

2.根据权利要求1所述的解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法，其特征在于：步骤S1中所述为每个类别的帧分配不同的优先级，具体包括：

尽力而为流的优先级为0，音频或视频流的优先级为1，本地透传流的优先级为2，配置或诊断流的优先级为3，警告或事件流的优先级为4，周期流的优先级为5，同步流的优先级为6，网络控制或紧急事件流的优先级为7；则：

优先级为7的流为紧急事件流ET；

优先级为5-7的流为实时敏感流ST；

优先级为0-4的流为非实时敏感流NST。

3.根据权利要求1所述的解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：

S31：流F_i经过队列选择器将优先级7的流传输到入队缓存队列S7；

S32：与发出紧急流量的报警器的源MAC地址进行对比判断，当与报警器的源MAC地址相同时，流量被判断为优先级7的紧急事件流ET，转入步骤S33；当与报警器的源MAC地址不同时，流量被判断为其他优先级7的ST流，转入步骤S34；

S33：优先级7的紧急事件流ET存入优先级7的优先级队列头部进行入队操作；

S34：其他优先级7的ST流存入优先级队列尾部进行入队操作；

S35：优先级队列#7在队头进行出队操作。

4.根据权利要求1所述的解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下步骤：

将门状态规则改为：ST时隙打开优先级队列5、6、7的门，关闭0、1、2、3、4的门；NST时隙打开优先级队列0、1、2、3、4、7的门，关闭5、6的门；在GB时隙打开优先级队列7的门，关闭剩余所有门；

通过动态调度时间窗口技术临时扩展ST流的时间窗口，同时遵循原始预定义好的门控列表进行精确时间调度。

5.根据权利要求4所述的解决时间敏感网络中紧急事件流的时间感知整形器增强方法，其特征在于：所述动态调度时间窗口技术的具体步骤如下：

首先输入信息TWE_message或TWT_message；其中TWE_message是时间窗口扩展信息，包含参与循环计时器状态机中设置循环开始时间的AdminCycleTimeExtension参数与OperCycleTimeExtension参数，其定义为在安装新的周期配置时允许延长端口的门控周期的最大时间量；TWT_message是时间窗口转换信息，包含列出配置状态机的ConfigChange参数，ConfigChange作为列表配置状态机的启动信号，表明端口的管理变量值已准备好复制到它们相应的操作变量中去，更新当前活跃调度的，转换到下一时间窗口的调度中去；

如果输入的是TWE_message，那么算出ET的字节数，根据字节长度与到达链路速率做比求出ET的传输时间；如果传入时间在ST时间窗口内，GCL在τ中积累了ET传输时间；否则，GCL用ET的传输时间替换τ，并记录当前到最后时间戳的时间；

如果输入的是TWT_message，当它需要转换到原始调度中的下一个状态时，向GCL发送一个TWT消息；然后，增强TAS首先复制下一个时间窗口的信息；

当前时间窗口为ST时间窗口，并且在此窗口期间传输了一个ET时，GCL将τ延迟下一个时间窗口的开始时间，重新安排下一个过渡时间，并将τ初始化为零；

当前时间窗口为GB或NST时，GCL检查是否有一个ET帧在当前时间窗口中开始传输，并将在下一个窗口中完成；GCL重新计算τ，以只获得ET传输将与下一个时间窗口重叠的时间量，并将最后的时间戳初始化为零；

最后，τ和最后时间戳被重新初始化；GCL将X_best门的状态更改为下一个时间窗。