CN117439959A

CN117439959A - 一种工业异构网络的流量调度方法

Info

Publication number: CN117439959A
Application number: CN202311369869.9A
Authority: CN
Inventors: 陈俊华; 何招仁; 魏旻
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2023-10-23
Filing date: 2023-10-23
Publication date: 2024-01-23

Abstract

本发明属于工业网络技术领域，提出了一种工业异构网络的流量调度方法。所述方法包括获取Powerlink数据帧；根据所述Powerlink数据帧的传输特性，确定其为等时同步流量帧或者为异步流量帧；对等时同步流量帧，采用多路复用机制对周期性数据帧进行帧排序。在每个连续周期的周期时间段参与调度；对异步流量帧，将对非周期流量的调度问题抽象为背包问题，并求解该问题得到最优解，即在满足可用资源的前提下，得到一组优先级之和最大的数据帧，在每个连续周期的非周期时间段参与调度。该流量调度方法可以在不超出给定带宽资源的前提下优先保证实时性周期流量的传输，并最大限度的满足非周期流量的不同服务质量需求。

Description

一种工业异构网络的流量调度方法

技术领域

本发明属于工业网络技术领域，提出了一种工业异构网络的流量调度方法。

背景技术

随着工业4.0的推进，制造业进入智能化领域，实时以太网凭借着开发便捷、互通性强等优势逐渐成为工业生产中使用的主要技术。在实时以太网技术中，常见的工业以太网有工厂自动化以太网(EPA，Ethernet for Plant Automation)、以太网控制自动化技术(EtherCAT，Ethernet for Control Automation Technology)和高速工业以太网(Ethernet Powerlink)等。其中Powerlink是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的技术，凭借着实时性高、成本低、移植性好和拓扑结构灵活等优点成为网络化领域的一个亮点。

时间敏感网络(TSN，Time-Sensitive Networking)是由IEEE802.1TSN工作组开发的一系列协议标准的集合，主要用于构建更可靠、低时延和低抖动的以太网。TSN可以实现对工业控制应用中不同类别和不同优先级流量的合理传输，以保证低时延和可靠性交付。现有的Powerlink网络与TSN融合解决方案通常通过手动配置网络适配器端口给Powerlink流打上单一的VLAN标签，虽然可以实现Powerlink网络和TSN的互联互通，但是由于没有区分Powerlink网络中各种类型流量的优先级，所以并不能进一步提高Powerlink网络中流量的实时性。因此，对于融合TSN的Powerlink数据流，仍需一种合理的流量调度策略结合TSN的流量传输机制来进一步降低Powerlink网络中关键信号流的传输时延，以提高确定性交付和Powerlink网络的实时性。

发明内容

有鉴如此，本发明的目的在于提供一种工业异构网络的流量调度方法，所述工业异构网络包括Powerlink网络和TSN网络。首先，考虑到Powerlink数据帧和TSN数据帧格式上的差异，本方法在Powerlink帧源MAC地址后面添加四个字节的VLAN标签，将其转换为TSN帧，使得TSN交换机可以调度Powerlink数据帧。并且根据Powerlink不同类型数据流对实时性和确定性的不同要求，在VLAN标签中的PCP字段填充不同的值，由此在Powerlink和TSN之间建立一种流量优先级映射关系；其次，对于Powerlink转换为TSN后的数据流，本发明将多路复用机制和01背包问题引入到TSN流量调度模型之中，对于周期性的Powerlink流量，将其转换为TSN流量之后，在每个周期的周期时间段内按照多路复用机制调度该流量。对于非周期的Powerlink流量，转换为TSN流量之后，在TSN交换机的出端口处建立调度模型，将对非周期流量的调度抽象成为01背包问题，在不超出给定带宽的前提下，从多个非周期队列中找出满足条件的优先级之和最大的一组数据帧，在每个周期的非周期阶段执行调度操作。该流量调度方法可以在不超出给定带宽资源的前提下优先保证每种类型的实时性周期流量的传输，并最大限度的满足不同类型的非周期流量的不同服务质量需求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种工业异构网络的流量调度方法，该方法包括以下步骤：

获取Powerlink数据帧；所述Powerlink数据帧添加有VLAN标签，所述VLAN标签用于标识所述Powerlink数据帧的优先级，并对应TSN数据帧的流量优先级；

根据所述Powerlink数据帧的传输特性，确定所述Powerlink数据帧为等时同步流量帧或者为异步流量帧；

若所述Powerlink数据帧为等时同步流量帧，则对所述Powerlink数据帧分配最高优先级，同时将所述Powerlink数据帧按照数据类型分配到不同周期性队列中；

对周期性队列进行排序处理，得到周期TSN流量队列；

若所述Powerlink数据帧为异步流量帧，则将所述Powerlink数据帧按照数据类型分配到不同优先级，同时将所述Powerlink数据帧按照相应优先级分配到不同非周期性队列中；

按照每种非周期性流量的优先级和相应帧长，采用背包算法对所述非周期性队列进行处理，得到优先级之和最大的非周期性TSN流量队列；

在一个循环周期的每个连续周期内，在周期性时间段调度TSN流量队列，在非周期性时间段调度优先级之和最大的TSN流量队列。

本发明的有益效果：

本发明可以在不超出给定带宽资源的前提下，优先保证实时性周期流量的传输，并最大限度的满足非周期流量的不同服务质量需求。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述的一种工业异构网络的流量调度方法的总体结构图；

图2为本发明所述的一种工业异构网络的流量调度方法的流量优先级映射图；

图3为本发明所述的一种工业异构网络的流量调度方法的周期性流量实例调度图。

图4为本发明所述的一种工业异构网络的流量调度方法的非周期性流量实例调度图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明所述的一种工业异构网络流量调度方法的总体结构图；如图1所示，所述工业异构网络包括Powerlink网络和TSN网络，所述方法包括：

101、获取Powerlink数据帧；所述Powerlink数据帧添加有VLAN标签，所述VLAN标签用于标识所述Powerlink数据帧的优先级，并对应TSN数据帧的流量优先级；

在本发明实施例中，考虑到传统的Powerlink数据帧包括服务标识(SID)、目标地址(DA)、源地址(SA)和数据(Data)，本发明在传统的Powerlink数据帧的源MAC地址后面添加四个字节的VLAN标签，使其分别对应于TSN定义的流量优先级，这种方式能够在不改变其他协议的前提下，使得TSN交换机可以调度Powerlink数据帧。

102、根据所述Powerlink数据帧的传输特性，确定所述Powerlink数据帧为等时同步流量帧或者为异步流量帧；

在本发明实施例中，Powerlink数据帧在一个周期内包含等时同步阶段、异步阶段和空闲阶段，对于等时同步阶段、异步阶段，分别对应了周期性流量的传输和非周期性流量的传输，根据这种传输特性，就能够确定Powerlink数据帧为等时同步流量帧还是为异步流量帧。

103、若所述Powerlink数据帧为等时同步流量帧，则对所述Powerlink数据帧分配最高优先级，同时将所述Powerlink数据帧按照数据类型分配到不同周期性队列中；

在本发明实施例中，可以采用先入先出的规则将各个数据类型的Powerlink数据帧分配到对应的不同周期性队列的，举个例子，假设F₁和F₂为不同类型但周期都为100us的周期性数据流，那么F₁和F₂将被划分到同一个周期性队列中，而F₁和F₂数据则可以根据先入先出的规则划分到该周期性队列中。假设F₁和F₃为不同类型且周期一个为100us，一个为200us的周期性数据流，那么F₁和F₃将被划分到不同的周期性队列中。

104、对周期性队列进行排序处理，得到周期TSN流量队列；

在本发明实施例中，为了进一步区分数据帧，本发明定义连续周期T_cont和循环周期T_cycle，将连续周期划分为两个时间段，周期性时间段和非周期性时间段，其中周期性时间段调度网络中的周期性数据帧，非周期性时间段调度网络中的非周期性数据帧。连续周期和循环周期可以根据网络中所有周期性流量的周期T_i计算出。计算公式为：

T_cont＝gcd(T₁,T₂,…,T_r-1,T_r) (1)

T_cycle＝lcm(T₁,T₂,…,T_r-1,T_r) (2)

其中，T_cont为所有周期的最大公因数，它是TSN流量调度的最小调度周期，也即是连续周期；T_cycle为所有周期的最小公倍数，它由若干个T_cont组成，在一个T_cycle内每种类型的流量至少会被调度一次，也即是循环周期。

为了对周期性流量进行排序，需要计算出网络中的每种周期性流量需要多少个连续周期才被调度一次，计算公式为：

其中，N_i表示周期性流量F_i被调度一次需要经过多少个连续周期。

为保证在一个循环周期内可以调度完所有的周期相同但是类型不同的周期性流量，计算在一个连续周期内调度周期相同的流量的类型个数N_t，计算公式为：

其中，t表示周期，比如N_200us表示对于所有周期为200us的不同类型的流量，在每个连续周期内调度N_200us个类型的数据流。

基于上述分析，根据每种数据类型的周期性队列被调度一次需要经过的连续周期数量N_i，确定出在一个循环周期内该种数据类型的周期性队列所出现的顺序；根据每个连续周期内调度周期相同的周期性队列的数据类型数量N_t，确定出在不同连续周期内相同数据类型的周期性队列所出现的顺序；根据每个连续周期中不同数据类型的周期性队列的紧急程度，确定出同一个连续周期内不同数据类型的周期性队列的顺序。

105、若所述Powerlink数据帧为异步流量帧，则将所述Powerlink数据帧按照数据类型分配到不同优先级，同时将所述Powerlink数据帧按照相应优先级分配到不同非周期性队列中；

在本发明实施例中，如图2所示，将所述Powerlink数据帧分配的优先级包括如果所述Powerlink数据帧是等时同步流量帧，那么在VLAN标签的PCP字段填充7，表示该Powerlink数据帧的优先级为7；如果是异步流量帧，那么进一步判断该Powerlink数据帧的数据类型，如果该Powerlink数据帧传输网络管理信息，那么在VLAN标签的PCP字段填充4，表示该Powerlink数据帧的优先级为4；如果所述Powerlink数据帧是传输控制类信息，那么在VLAN标签的PCP字段填充3，表示该Powerlink数据帧的优先级为3；如果所述Powerlink数据帧是传输监控类信息，那么在VLAN标签的PCP字段填充2，表示该Powerlink数据帧的优先级为2；如果所述Powerlink数据帧是传输非实时异步数据，那么在VLAN标签的PCP字段填充1，表示该Powerlink数据帧的优先级为1；如果所述Powerlink数据帧是传输其他数据，那么在VLAN标签的PCP字段填充0，表示该Powerlink数据帧的优先级为0。

可以理解的是，上述优先级编号的数值还可以根据实际情况进行调整，本发明对此不作严格限制，但是需满足周期性流量的优先级高于非周期性流量的优先级，便于流量的传输。

106、按照每种非周期性流量的优先级和相应帧长，采用背包算法对所述非周期性队列进行处理，得到优先级之和最大的非周期性TSN流量队列；

在本发明实施例中，将非周期性队列的优先级和队列中帧的帧长作为参考值，分别转换为01背包问题中物品的价值和重量，01背包问题的目标是在固定背包容量的前提下，选择价值总和最大的物品装入背包中，对应于本方法可以理解为从多个非周期TSN流量队列中选出一组数据帧使得它们的优先级之和达到最大。下面对该调度过程进行建模分析：

首先，定义r个非周期流量队列，表示为：

S＝{S₀,S₁,…,S_r-1,S_r} (5)

其中r∈[0,6]，r表示非周期队列的编号；

其次，定义每个队列里的数据帧表示为：

S_i＝{s_i,0,s_i,1,…,s_i,n-1,s_i,n} (6)

其中n表示队列中数据帧的标号，比如s_i,n表示队列i中的第n帧

接着，定义每个队列中数据帧的优先级表示为：

P_i＝{p_i,0,p_i,1,…,p_i,n-1,p_i,n} (7)

其中n表示队列中数据帧的标号，比如p_i,n表示队列i中的第n帧的优先级；

然后，每个队列中数据帧的帧长表示为：

D_i＝{d_i,0,d_i,1,…,d_i,n-1,d_i,n} (8)

其中i∈[0,r],d_i,n∈[64bytes,1499bytes]，d_i,n表示第i个队列的第n帧的帧长。

最后，对应该问题求解的最佳结果可以表示为：

其中，δ表示优先级之和最大的非周期性TSN流量队列，x_i,j表示第i个非周期性队列的第j个数据帧的调度指示函数，x_i,j＝1表示第i个非周期性队列的第j个数据帧参与调度，x_i,j＝0表示第i个非周期性队列的第j个数据帧不参与调度，p_i,j表示第i个非周期性队列的第j个数据帧的优先级，r表示非周期性队列的个数，n表示一个非周期性队列中数据帧的帧数；bw表示一个连续周期内总的带宽资源，bw_T和bw_nT分别表示一个连续周期中传输周期性流量和非周期性流量所需要占用的带宽资源。

在本实施例中，可以通过动态规划算法求解上述模型，动态规划算法与分治法类似，其基本思想也是将待求解问题分解成若干个子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问题的解。能够保存已解决的子问题的答案，而在需要时再找出已求得的答案，这样就可以避免大量的重复计算，节省时间。可以用一个表来记录所有已解的子问题的答案。不管该子问题以后是否被用到，只要它被计算过，就将其结果填入表中，最终得到相应的调度策略，将这个最优调度策略存入非周期性队列中，以供后续调度使用。

107、在一个循环周期的每个连续周期内，在周期性时间段调度TSN流量队列，在非周期性时间段调度优先级之和最大的TSN流量队列。

下面给出一个具体的实例：

假设Powerlink网络中存在着多种不同类型的周期性数据流F_i和非周期性数据流S，比如存在不同周期的伺服驱动器数据、IO数据、传感器数据和仪表数据等等。具体的信息可参考表1所示。

表1数据流

数据类型	周期性	周期
			F₁ F₂	周期	100us
F₃ F₄ F₅ F₆	周期	200us
			F₇ F₈ F₉	周期	300us
S	非周期

其中，F₁至F₉表示不同的周期性数据流，其中F₁和F₂为不同类型但周期都为100us的流，F₃、F₄、F₅、F₆为不同类型但周期都为200us的流，F₇、F₈、F₉为不同类型但周期为300us的流，因此，将相同周期的周期性数据流划分到一个周期性队列中，不同周期的周期性数据流划分到不同周期性队列中，S表示非周期流的集合，将非周期数据流都划分到同一个非周期性队列中。

那么可以根据所有周期性数据流的周期，采用公式(1)和公式(2)分别计算出连续周期T_cont和循环周期T_cycle，如下所示：

T_cont＝gcd{100,100,200,200,200,200,300,300,300}＝100us

T_cycle＝lcm{100,100,200,200,200,200,300,300,300}＝600us

根据公式(3)，计算每种类型的周期性数据流在多少个连续周期通信一次，具体为：

根据公式(4)，计算单个连续周期调度周期相同的流量的类型个数N_t，具体为：

根据上述所求参数可以得出一个循环周期内调度顺序如图3所示，周期性数据流F₁、F₂在每个连续周期T_cont都需要出现，而F₃、F₄、F₅、F₆则需要每两个周期出现一次，且在同一个连续周期内，有两个类型的数据流需要出现，F₇、F₈、F₉则需要每三个周期出现一次，且在一个连续周期内，只有一个类型的数据流需要出现，基于此，就可以排列出各个周期性数据流的调度顺序，对于循环周期内剩下的周期，那么就被用来调度非周期性数据流。

进一步的，在一个循环周期内，调度完周期流量后，开始调度非周期流量，针对于非周期流集合S的调度实例如下：

假设在非周期数据流集合S中存在5种不同的类型的流量，根据优先级映射关系分配到对应的优先级队列中。现假设在单个连续周期中非周期时间段最大可传输的字节数为600Bytes，并且每个队列的前6个数据帧的信息如表2所示：

表2非周期性数据流

那么可以依据动态规划算法得出在满足最大可传输容量的前提下，第1个连续周期可调度的最大的优先级之和结果为：

即在第1个连续周期调度的非周期流量为：

S₁＝{S_5,1,S_4,1,S_3,1,S_1,1}

第2个连续周期可调度的最大优先级之和为：

即在第2个连续周期调度的非周期流量为：

S₂＝{S_5,2,S_4,2,S_2,1}

同理，可以得出剩下4个连续周期的调度结果如下：

S₃＝{S_5,3,S_3,2,S_1,2}

S₃＝{S_5,4,S_4,3,S_2,2}

S₅＝{S_5,5,S_4,4}

S₆＝{S_5,6,S_4,5,S_3,3,S_2,3,S_1,3}

在每个连续周期中按照SP调度原则将该组数据帧在非周期时间段依次输出。综上所述，可以得出在一个循环周期内非周期流量的调度顺序，如图4所示。

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。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种工业异构网络的流量调度方法，其特征在于，所述工业异构网络包括Powerlink网络和TSN网络，所述方法包括以下步骤：

对周期性队列进行排序处理，得到周期TSN流量队列；

2.根据权利要求1所述的一种工业异构网络的流量调度方法，其特征在于，所述VLAN标签为四个字节，且位于Powerlink数据帧的源MAC地址之后。

3.根据权利要求1所述的一种工业异构网络的流量调度方法，其特征在于，所述对周期性队列进行排序处理包括根据每种数据类型的周期性队列被调度一次需要经过的连续周期数量，确定出在一个循环周期内该种数据类型的周期性队列所出现的顺序；根据每个连续周期内调度周期相同的周期性队列的数据类型数量，确定出在不同连续周期内相同数据类型的周期性队列所出现的顺序；根据每个连续周期中不同数据类型的周期性队列的紧急程度，确定出同一个连续周期内不同数据类型的周期性队列的顺序。

4.根据权利要求1所述的一种工业异构网络的流量调度方法，其特征在于，将所述Powerlink数据帧分配的优先级包括如果所述Powerlink数据帧是等时同步流量帧，那么在VLAN标签的PCP字段填充7，表示该Powerlink数据帧的优先级为7；如果是异步流量帧，那么进一步判断该Powerlink数据帧的数据类型，如果该Powerlink数据帧传输网络管理信息，那么在VLAN标签的PCP字段填充4，表示该Powerlink数据帧的优先级为4；如果所述Powerlink数据帧是传输控制类信息，那么在VLAN标签的PCP字段填充3，表示该Powerlink数据帧的优先级为3；如果所述Powerlink数据帧是传输监控类信息，那么在VLAN标签的PCP字段填充2，表示该Powerlink数据帧的优先级为2；如果所述Powerlink数据帧是传输非实时异步数据，那么在VLAN标签的PCP字段填充1，表示该Powerlink数据帧的优先级为1；如果所述Powerlink数据帧是传输其他数据，那么在VLAN标签的PCP字段填充0，表示该Powerlink数据帧的优先级为0。

5.根据权利要求1所述的一种工业异构网络的流量调度方法，其特征在于，所述采用背包算法对所述非周期性队列进行处理包括根据非周期性队列中各个数据帧的优先级以及是否被调度的指示标签，计算出非周期性队列的优先级之和；将每个连续周期内总的带宽资源，非周期性队列的相应帧长作为约束条件，将非周期流量队列中帧的帧长和优先级分别对应于背包问题中物品的重量和价值，构建背包模型；对所述背包模型进行求解，得到优先级之和最大的非周期性队列，并将其作为非周期性TSN流量队列。

6.根据权利要求5所述的一种工业异构网络的流量调度方法，其特征在于，所述背包模型表示为：

C1:

C2:bw_nT＝bw-bw_T

C3:x_i,j∈{0,1},i∈[0,r],j∈[0,n]

C4:p_i,j∈P_i,i∈[0,r],j∈[0,n]

C5:d_i,j∈D_i,i∈[0,r],j∈[0,n]

其中，δ表示优先级之和最大的非周期性TSN流量队列，x_i,j表示第i个非周期性队列的第j个数据帧的调度指示函数，x_i,j＝1表示第i个非周期性队列的第j个数据帧参与调度，x_i,j＝0表示第i个非周期性队列的第j个数据帧不参与调度，p_i,j表示第i个非周期性队列的第j个数据帧的优先级，r表示非周期性队列的个数，n表示一个非周期性队列中数据帧的帧数；bw表示一个连续周期内总的带宽资源，bw_T和bw_nT分别表示一个连续周期中传输周期性流量和非周期性流量所需要占用的带宽资源；d_i,j表示第i个非周期性队列的第j个数据帧的帧长。

7.根据权利要求1所述的一种工业异构网络的流量调度方法，其特征在于，所述循环周期由所有周期性队列的周期最小公倍数确定；所述连续周期由所有周期性队列的周期最大公因数确定。