CN116192651B - 一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法，属于工业自动化领域，包括以下步骤：S1：CUC确定网络拓扑参数；S2：将流量信息按照是否需要预留以及优先级排序；S3：建立网络模型，将网络中带宽调度模型转换为约束条件和目标函数组成的方程组进行求解，为TT流构建门控列表，在减少高优先级流量对AVB流影响的同时，满足AVB流的最坏情况下端到端延时。和IEEE Std 802.1Qat标准定义的AVB流预留带宽方法相比，在预留AVB足够带宽的情况下，使TT流和AVB流都是可调度的并有效提升带宽利用率。

Description

一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法

技术领域

本发明属于工业自动化领域，涉及一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法。

背景技术

工业自动化系统的基础设施需要安全的传输服务，关键应用，如运动控制和监控。因此，在工业区的实时网络方面需要有巨大的改进。时间敏感网络(TSN)是一种新兴的工业自动化网络技术，有望满足具有确定性的网络性能，比如在网络管理、同步、流量调度和可靠性方面，保证没有拥塞损失，极低的抖动，以及针对时间触发流的确定性端到端延迟。2005年，IEEE 802.1任务组制定了AVB，以太网音视频桥接技术,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。该标准引入了两个新的AVB流量类，具有有界的最坏情况下端到端时延。2012年，AVB任务组被重新命名为时间敏感网络(TSN)任务组，将焦点转移到扩展协议中的安全关键和时间敏感传输，并引入了新的流量类型，如时间触发流等。

为AVB流分配网络带宽是一项至关重要的任务。当前TSN协议中与带宽预留相关的主要是IEEE 802.1Qat以及IEEE Qcc协议，IEEE 802.1Qat包含带宽预留协商确定过程，阐述发送者发出预留消息到接收者的详细过程。同时在IEEE 802.1Qat的分布式网络需求与资源分配机制基础之上，IEEE 802.1Qcc支持集中式的注册与流预留服务，称为SRP增强模式。IEEE802.1Qcc提供了一套工具，用于全局管理和控制网络，通过网络集中控制器(CNC,central network controller)等交互以提供运行资源的预留、调度以及其他类型的远程管理协议，如NETCONF或RESTCONF。

对工业系统中的流量进行调度是一个关键且复杂的问题。因为不仅要满足TT流的需求，而且必须考虑TT流以外的关键时间流量，如AVB流需要足够的带宽来确保时延不超过最坏情况下端到端延迟。

综上所述，为了能够支持AVB流的带宽需求，本文提出了一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法，能够使预留的带宽确保AVB流不超过最坏情况下端到端延迟的同时提高网络的带宽利用率。

根据IEEE 802.1Qcc中的完全集中式配置管理模型，本文提出的网络架构如图所示，该架构中主要功能组件有：

(1)TSN流：TSN终端设备之间以有限时延传递的数据流；

(2)TSN交换机：用于接收和传输带有TSN特性以太网帧的交换机；

(3)集中式用户配置器(CUC)：用于发现和检索终端设备功能和用户需求，并配置终端设备中时间敏感网络参数的集中式组件；

(4)集中式网络配置器(CNC)：用户配置时间敏感网络资源的集中式组件。

图1描述的完全集中式模型工作流程如下：

(1)发送端使用用户配置协议向CUC发送连接请求，其中CUC具有发现终端节点和用户需求的功能。

(2)CNC发现物理网络拓扑并读取交换机的性能参数。

(3)CNC收到连接需求后计算满足需求的最优传输路径和可行的带宽预留计划；

(4)CNC根据计算所得的路径和带宽预留计划，为传输路径中的交换机进行配置。

(5)CNC将相关配置参数返回给CUC，CUC根据TSN流量配置状态，对每个终端设备进行配置以进行数据的发送。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法，确保AVB流不超过最坏情况下端到端延迟的同时提高网络的带宽利用率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法，包括以下步骤：

S1：CUC确定网络拓扑参数；

S2：将流量信息按照是否需要预留以及优先级排序；

S3：建立网络模型，将网络中带宽调度模型转换为约束条件和目标函数组成的方程组进行求解，为TT流构建门控列表。

进一步，步骤S1中所述网络拓扑参数包括设备信息、连接信息、流量信息、流量的超周期，其中流量信息包括时延要求、优先级、是否需要预留；

所述流量的超周期为所有TT流周期的最小公倍数：

T_f＝LCM(T₁,T₂,…,T_i)

其中LCM表示最小公倍数运算，T_f表示TT流的超周期，T₁,T₂,…,T_i表示第1～i个TT流。

进一步，步骤S3中具体包括以下步骤：

S31：将网络描述为一个无向图G(V,E)，其中V表示网络节点的集合，E代表链路的集合，网络路径为从源节点到目的节点途经的所有节点组成的有序节点集；

S32：将发出带宽预留请求信息的传输流表示为预留请求流F_i，利用带宽调度算法得到满足预留请求流F_i的带宽值；

S33：带宽调度算法根据时隙的顺序依次进行计算，在每次更新的F_i集合中根据流的优先级顺序依次进行资源分配，进而返回所有的带宽预留值，预留请求流F_i的优先级公式P_r如下所示：

P_r＝D_i(T^E-T^S+1)/(i-T^S+1)

其中D为需要传输的数据量，T^S为流量发送的开始时间，T^E为流量发送的截止时间；

S34：对于每一个F_i，在每一个时隙中，经过从源节点s到目的节点d的每一条路径上都对应一个传输流，作为带宽调度问题上的变量，遍历所有时隙和路径；线性规划计算完成得到正数的解为带宽预留值；根据网络中的数据传输，抽象出对传输流量的带宽的约束条件；

S35：为每一个预留请求流F_i引入一条不受链路带宽约束的传输流f'，并且为传输流f'分配的带宽不作为实际预留的带宽；

S36：将传输流的权值与路径及优先级建立相关性；

S37：以最小化端到端时延和流量的预留带宽为目标函数；

S38：基于AVB流的最优传输路径，根据约束条件进行建模并使用求解器计算出AVB流传输路径上交换机的门控列表，在减少高优先级流量对AVB流影响的同时，满足AVB流的最坏情况下端到端延时。

进一步，步骤S34中所述约束条件包括链路带宽约束、预留请求流的带宽约束、带宽非负约束、数据量需求约束，具体如下：

链路带宽约束：

其中B_l,t表示链路l在时隙t上的可用带宽，E_l,p表示路径p上是否存在路径l，值为1时表示存在，为0时表示不存在；

预留请求流的带宽约束：

带宽非负约束：

数据量需求约束：

进一步，帧偏移时隙满足以下约束条件：

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；

传输时间约束：

进一步，所述目标函数的构建方法如下：

定义目标函数中为占用带宽更低的路径上的流分配带宽，同时为高优先级的预留请求流分配带宽，进而提高网络带宽资源的利用率：

定义H为所有AVB流的端到端时延之和，该值越小则调度效果越优，其定义如下：

采用系数加权的方法，以最小化C和H两个指标为调度目标，构建权重系数w₁，w₂，且w₁+w₂＝1，可通过设置不同的w₁和w₂调整调度的目标：

Obj＝w₁*C+w₂*H

本发明的有益效果在于：可以确保在预留AVB足够带宽，不超过最坏情况下端到端延迟的同时，使TT流和AVB流都是可调度的并有效提升带宽利用率。

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为完全集中式模型；

图2为基于带宽预留的时间敏感网络调度方法流程图。

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。

请参阅图2，提出了一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法，包括以下步骤：

S1:CUC确定网络拓扑参数，包括设备信息、连接信息、流量信息(含时延要求、优先级、是否需要预留)、流量的超周期等。

调度的超周期被定义为所有TT流周期的最小公倍数(Least Common Multiple，LCM)，其中T_f表示TT流的超周期，其计算公式如下所示：

T_f＝LCM(T₁,T₂,…,T_i) (1)

S2:将流量信息按照是否需要预留以及优先级排序，当流量进入后，为了防止AVB流带宽分配不足导致时延超过WCDs，设置流量传输约束条件，为TT流构建门控列表(GCL)，以减少TT流冲突对AVB流带来的超过最坏情况下端到端延迟的影响。

本方案中的术语定义如表1所示：

表1

S3:建立网络模型：网络的描述是一个无向图G(V,E)，其中V表示网络节点的集合，E代表链路的集合，网络路径为从源节点到目的节点途经的所有节点组成的有序节点集。

将网络中带宽调度模型转换为约束条件和目标函数组成的方程组进行求解。首先将调度模型中的参数抽象为方程变量，然后抽象出变量的约束条件，最后根据调度性能指标设计出目标函数。

预留请求流F_i：发出带宽预留请求信息的传输流。

带宽调度算法为了得到满足预留请求流F_i的带宽值，通过截止时间和路径来确定每条AVB流的唯一性，并将传输流作为线性规划中约束方程和目标函数的变量。

调度算法根据时隙的顺序依次进行计算，在每次更新的F_i集合中根据流的优先级顺序依次进行资源分配，进而返回所有的带宽预留值。

预留请求流F_i优先级的计算与截止时间及传输的数据量相关。F_i越靠近截止时间优先级越大，并且F_i的传输数据量越小优先级越大。D为需要传输的数据量，T^S为流量发送的开始时间，T^E为流量发送的截止时间，预留请求流F_i的优先级公式P_r如下所示:

P_r＝D_i(T^E-T^S+1)/(i-T^S+1) (2)

对于每一个F_i，在每一个时隙中，经过从源节点s到目的节点d的每一条路径上都对应一个传输流，作为带宽调度问题上的变量，需要遍历所有时隙和路径。线性规划计算完成得到正数的解为带宽预留值。根据网络中的数据传输，抽象出了四种对传输流量的带宽的最基本的约束，分别为链路带宽约束、预留请求流的带宽约束、带宽非负约束、数据量需求约束。下面对四种约束进行详细描述。

①链路带宽约束:

描述的是网络中的链路对所有经过这条链路的传输流带宽之和不能超过链路的可用带宽B_l,t。B_l,t表示链路l在时隙t上的可用带宽。E_l,p表示路径p上是否存在路径l，值为1时表示存在，为0时表示不存在。

②预留请求流的带宽约束：

描述的是所有预留请求流的带宽不能大于预留请求流F_i的最大带宽的限制。

③带宽非负约束：

描述的是所有预留请求流F_i占用的带宽不能为负数。

④数据量需求约束：

描述的是预留请求流F_i在对应时隙都能收到数据量需求的约束，传输流完成的数据量为传输流带宽与对应时隙占用时间的乘积，即B_r,t,p·t。

同时为了保证帧在网络中按序、无冲突传输，帧偏移时隙需要满足以下约束条件：

⑤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。

⑥传输时间约束：

为尽力减小TT流对AVB流端到端时延的影响，周期流量不采取背靠背传输，在调度周期内传输时间应相隔一个最大以太网帧的传输时间；

在满足上述几个约束的情况下，有可能发生网络资源不足，导致线性方程没有解。为了在带宽资源不足的情况下使线性规划问题依然有解，为每一个预留请求流F_i引入一条不受链路带宽约束的传输流f'，并且为传输流f'分配的带宽不作为实际预留的带宽。也就是说，传输流f'是为了保证受到数据量需求约束的情况下，违背链路带宽约束，进而能够保证线性方程有解。通过后面在目标函数中对传输流f'的带宽与普通传输流f进行区分，让分配带宽更倾向于普通传输流f。

为了让普通传输流f比传输流f'分配的带宽更多，将传输流的权值与路径及优先级建立相关性。其中W_f表示普通传输流f的权值，其影响目标函数的值，即影响传输流f的预留结果。对应传输流的路径权值越大则该路径上的链路权值W_l之和越大，传输流的权值越大。F_i的优先级越大，对于带宽资源的迫切程度越大，更有利于得到更多的带宽。

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预留带宽为目标函数。

目标函数：

预留带宽的计算就是对传输流f和非约束流f'通过约束公式进行约束，并最小化目标函数，即总占用带宽C，减少为非约束流f'分配带宽，求出传输流f对应时隙和路径上的预留带宽值。定义目标函数中为占用带宽更低的路径上的流分配带宽，同时为高优先级的预留请求流分配带宽，进而提高网络带宽资源的利用率。

这里定义H为所有AVB流的端到端时延之和，该值越小则调度效果越优，其定义式如公式(9)所示：

采用系数加权的方法，以最小化C和H两个指标为调度目标，构建权重系数w₁，w₂，且w₁+w₂＝1，可通过设置不同的w₁和w₂调整调度的目标：

Obj＝w₁*C+w₂*H (11)

基于AVB流的最优传输路径，根据以上的约束条件进行建模并使用求解器计算出AVB流传输路径上交换机的门控列表，在减少高优先级流量对AVB流影响的同时，满足AVB流的最坏情况下端到端延时。

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 (2)

1.一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：CUC确定网络拓扑参数；

S2：将流量信息按照是否需要预留以及优先级排序；

S3：建立网络模型，将网络中带宽调度模型转换为约束条件和目标函数组成的方程组进行求解，为TT流构建门控列表，在减少高优先级流量对AVB流影响的同时，满足AVB流的最坏情况下端到端延时；

步骤S3中具体包括以下步骤：

S31：将网络描述为一个无向图G(V,E)，其中V表示网络节点的集合，E代表链路的集合，网络路径为从源节点到目的节点途经的所有节点组成的有序节点集；

S32：将发出带宽预留请求信息的传输流表示为预留请求流F_i，利用带宽调度算法得到满足预留请求流F_i的带宽值；

S33：带宽调度算法根据时隙的顺序依次进行计算，在每次更新的F_i集合中根据流的优先级顺序依次进行资源分配，进而返回所有的带宽预留值，预留请求流F_i的优先级公式P_r如下所示：

P_r＝D_i(T^E-T^S+1)/(i-T^S+1)

其中D为需要传输的数据量，T^S为流量发送的开始时间，T^E为流量发送的截止时间；

S34：对于每一个F_i，在每一个时隙中，经过从源节点s到目的节点d的每一条路径上都对应一个传输流，作为带宽调度问题上的变量，遍历所有时隙和路径；线性规划计算完成得到正数的解为带宽预留值；根据网络中的数据传输，抽象出对传输流量的带宽的约束条件；所述约束条件包括链路带宽约束、预留请求流的带宽约束、带宽非负约束、数据量需求约束，具体如下：

链路带宽约束：

其中B_l,t表示链路l在时隙t上的可用带宽，E_l,p表示路径p上是否存在路径l，值为1时表示存在，为0时表示不存在；

预留请求流的带宽约束：

带宽非负约束：

数据量需求约束：

帧偏移时隙满足以下约束条件：

端到端时延约束：

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；

传输时间约束：

S35：为每一个预留请求流F_i引入一条不受链路带宽约束的传输流f'，并且为传输流f'分配的带宽不作为实际预留的带宽；

S36：将传输流的权值与路径及优先级建立相关性；

S37：以最小化端到端时延和流量的预留带宽为目标函数；所述目标函数的构建方法如下：

定义目标函数中为占用带宽更低的路径上的流分配带宽，同时为高优先级的预留请求流分配带宽，进而提高网络带宽资源的利用率：

定义H为所有AVB流的端到端时延之和，该值越小则调度效果越优，其定义如下：

采用系数加权的方法，以最小化C和H两个指标为调度目标，构建权重系数w₁，w₂，且w₁+w₂＝1，可通过设置不同的w₁和w₂调整调度的目标：

Obj＝w₁*C+w₂*H

S38：基于AVB流的最优传输路径，根据约束条件进行建模并使用求解器计算出AVB流传输路径上交换机的门控列表，在减少高优先级流量对AVB流影响的同时，满足AVB流的最坏情况下端到端延时。

2.根据权利要求1所述的基于带宽预留的时间敏感网络调度方法，其特征在于：步骤S1中所述网络拓扑参数包括设备信息、连接信息、流量信息、流量的超周期，其中流量信息包括时延要求、优先级、是否需要预留；

所述流量的超周期为所有TT流周期的最小公倍数：

T_f＝LCM(T₁,T₂,…,T_i)

其中LCM表示最小公倍数运算，T_f表示TT流的超周期，T₁,T₂,…,T_i表示第1～i个TT流。