CN117560106A - 一种时间敏感网络中时间触发流量的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时间敏感网络中时间触发流量的调度方法，属于时间敏感网络领域，包括以下步骤：S1：提出先行调度算法和后行调度算法，再分别进行后处理，得到先行调度算法和后行调度算法的变体；S2：构造阶段，采用贪心随机算法，逐一为时间敏感网络中的每条TT流预测S1所述四种算法对于当前流的调度结果，选择最优的α种组成候选列表，再从候选列表中随机选择一种用于调度该流，形成初始可行解；S3：搜索阶段，获得步骤S2生成的初始可行解作为当前解，每次从当前解中移除最多β条流的调度信息，然后重新调度这些流形成临近解，通过将临近解与当前解进行比较，选取更优解作为当前解继续进行搜索，到达给定时间后输出一个历史最优解。

Description

一种时间敏感网络中时间触发流量的调度方法

技术领域

本发明属于时间敏感网络领域，涉及一种时间敏感网络中时间触发流量的调度方法。

背景技术

时间敏感网络(Time Senstive Network，TSN)是一套改善当前以太网实时性能的标准，包含了IEEE 802.1标准化组织TSN任务组中定义的一系列标准。由于最近对工业系统功能的需求的增加，工业系统中的数据通信面临着许多挑战，例如自动驾驶汽车和智能化工厂，许多复杂的智能传感器和摄像头被广泛应用，这需要大量的通信带宽，同时满足它们的定时要求伴随着高数据高交换量，需要保证通信的确定性传输。这对此类系统的数据通信设计施加了进一步的压力。

在TSN协议簇中，IEEE 802.1Qbv规定了时间感知整形器(Time Aware Shaper，TAS)调度时间触发流(Time-triggered Flow,TT)和其他流量。在交换机的每个出口端口最多支持8个传输队列，并使用门控列表(Gate Control List,GCL)来周期性开关门，以控制每个队列流量的准确传输时间。TT流量是一种硬实时流量，需要以确定性的低延迟和抖动进行传输，并以流的形式进行调度。TSN之所以能够实现确定性通信，核心原因是它可以实现TT流量的确定性调度。因此，TT流量的调度是TSN面临的关键问题，而减少TT流的端到端时延与TT流队列占用是调度的核心指标。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种时间触发流调度算法，通过逐一对单个流调度构造初始解，然后在初始解的基础上进行邻域搜索，再进行不断迭代最后生成最终解，最终解包括：(1)每条TT流在所有链路中的传输时隙；(2)每条TT流的端到端时延；(3)每条TT流都是可调度的。本方法旨在保证TT流调度成功率以及缩短TT流的平均端到端时延，以满足TT流的实时性需求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种时间敏感网络中时间触发流量的调度方法，包括以下步骤：

S1：提出先行调度算法和后行调度算法，再分别进行后处理，得到先行调度算法和后行调度算法的变体；

S2：构造阶段，采用贪心随机算法，逐一为时间敏感网络中的每条TT流预测步骤S1所述四种算法对于当前流的调度结果，选择最优的α种组成候选列表，再从候选列表中随机选择一种用于调度该流，形成初始可行解；

S3：搜索阶段，获得步骤S2生成的初始可行解作为当前解，每次从当前解中移除最多β条流的调度信息，然后重新调度这些流形成临近解，通过将临近解与当前解进行比较，选取更优解作为当前解继续进行搜索，到达给定时间后输出一个历史最优解。

进一步，所述时间敏感网络的系统模型包括流量模型和时延模型两部分；

在流量模型中，将时间触发流建模为一组从源节点到目的节点的消息元组，时间触发流的集合使用符号F表示；每条时间触发流f用一个3维度的元组表示，即f＝(siz，prd，ddl)，siz表示帧大小，帧长以字节为单位，并且每个帧长由以太网最大传输单元所限制；prd表示每条时间触发流的传输周期；ddl表该流的传输截止时间，在截止时间期限内流从目的节点成功收到从源节点发送的数据流被认为调度成功，否则被认为是调度失败；

在时延模型中，时间敏感网络中时间触发流从源节点到目的节点经过若干台交换机的总时延f_i·D由发送时延传播时延/>处理时延/>和排队时延/>四部分组成，公式如下所示：

其中与数据帧长度有关；/>与链路长度有关；/>与交换机的性能相关；/>依赖于调度算法的性能，通过调度使得目标流的排队时延尽量降低甚至为0；

发生在交换机内部的时延有：发送时延处理时延/>排队时延/>其中发送时延与报文长度大小和交换机端口的数据发送速度V_port有关，即：

设定时隙大小slot·siz为所有流发送时延的最大公因数，则每个流的占用时隙数N_i为：

进一步，本方法的调度解目标为减少TT流传输队列以及TT流端到端时延，目标函数如下：

目标函数越小，调度结果视为越优，式中，Λ表示TT流实际占用总队列数，上界为每个交换机出端口中所有队列都启用的情况，下界为每个交换机出端口仅有一条队列启用的情形；D表示实际TT流平均端到端时延，上界为最坏情况，即每支TT流的时延为其截止时间，下界为假设每条TT流独立传输的情形，即不考虑排队时延的情形；W_Λ和W_d为可更改的参数，用来调整两个调度目标的权重占比。

进一步，所述先行调度算法是根据当前流f_i的传输链路，依次在每条链路上选择最早所能容下该流的空闲时隙作为传输时隙，包括以下步骤：

第一步：读取现有网络所有的信息，选择当前流f_i，计算N_i，并初始化k，n＝1；

第二步：将当前流f_i按照路径选链路L_k，i，判断此链路的L_k，i·Slot_m是否等于0，若L_k，i·Slot_n＝0则代表当前时隙未被占用，此时依次判断L_k，i·Slot_n到之间的时隙是否均等于0，若均等于0，则占用L_k，i·Slot_n到/>之间的时隙，并将这N_i个时隙置为1；如果当前时隙L_k，i·Slot_n＝1，或者L_k，i·Slot_n到/>之间的时隙存在为1的情况，则令n＝n+1并重复第二步；

第三步：判断是否该条TT流f_i所经过的所有链路的时隙是否都已分配完毕，如果没有，则令k＝k+1重新进入第二步；

第四步：输出该流在每条链路上的传输时隙；

所述先行调度算法的变体为：在先行调度算法基础上，按照(L_k-1，i,L_k-2，i,...,L_1，i)的链路顺序，依次将该链路上流f_i的传输时隙偏移到最晚能容下该流的空闲时隙。

进一步，所述后行调度算法为：将当前流f_i的传输链路倒序排序，依次在每一条链路上选择最晚所能容下该流的空闲时隙作为传输时隙；

所述后行调度算法的变体为：在后行调度算法基础上，按照(L_2，i,L_3，i,...,L_k，i)的链路顺序，依次将该链路上流f_i的传输时隙偏移到最早能容下该流的空闲时隙。

进一步，步骤S2中所述的构造阶段根据已知的TT流的周期、长度及路由信息，通过步骤S1提出的调度解结合贪心思想生成一个新的初始可行解，具体包括以下步骤：

S21：获取网络拓扑信息、当前网络中所有TT流的基本信息，将TT流按照周期升序排序，初始化i＝1；

S22：选取当前TT流f_i，预测步骤S1中四种调度解对于f_i的调度结果，计算四种解下的当前目标函数f(x)的大小，选取目标函数值最小的α个可行解构建RCL候选列表，流可行解必须满足其总端到端时延小于截止时间，即d_i<f_i·ddl，在RCL候选列表中随机选取一个解作为当前流的调度解，并清空RCL候选列表；

S23：判断是否为所有TT流构建调度解，如果没有，则令i＝i+1重新进入S22；

S24：输出初始调度解可行解。

进一步，步骤S3所述的搜索阶段中，对初始解进行邻域搜索并持续优化，得到局部最优解，若新的局部最优解比当前历史最优解目标函数更小，则更新当前最优解；多次迭代，构造与搜索交替执行，直到满足终止条件时返回当前最优解，步骤如下：

S31：获取当前网络信息、TT流信息以及S2输出的初始调度解信息；

S32：随机销毁β支流的调度解，然后重新为这β支流进行构造阶段，以寻求新解，若新解的目标函数更小，则新解代替旧解，否则保留旧解，反复执行第二步直到给定时间T1；

S33：输出局部最优解x，与历史最优解x^*比较，若f(x)<f(x^*)，则局部最优解x成为新的历史最优解x^*；

S34：判断是否到达给定时间T2，若否则返回至搜索阶段进行新一轮迭代；

S35：输出历史最优解x^*为最终解。

本发明的有益效果在于：本发明缩短了TT流的平均端到端时延，满足了TT流的实时性需求。

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TSN网络延时示意图；

图2为先行调度算法流程图；

图3为构造阶段算法流程图；

图4为搜索阶段算法流程图。

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。

本发明的时间敏感网络系统模型中，主要包括流量模型、时延模型两部分。在流量模型中对时间触发流各参数进行了定义。在时延模型中对数据流在网络传输过程所包含的时延进行了阐述。

流量模型：在时间敏感网络中，将时间触发流建模为一组从源节点到目的节点的消息元组，时间触发流的集合使用符号F表示。每条时间触发流f都可以用一个3维度的元组表示，即f＝(siz，prd，ddl)，siz表示帧大小，帧长以字节为单位，并且每个帧长由以太网最大传输单元所限制；prd表示每条时间触发流的传输周期；ddl表该流的传输截止时间，在截止时间期限内流从目的节点成功收到从源节点发送的数据流被认为调度成功，否则被认为是调度失败。

时延模型：如图1所示，在时间敏感网络中时间触发流从源节点到目的节点经过若干台交换机的总时延f_i·D由发送时延传播时延/>处理时延/>和排队时延四部分组成，即公式如下所示：

其中与数据帧长度有关；/>主要与链路长度有关，在实际工业自动化场景中，链路的长度较短，并且与传输速度相比可以忽略不计；/>与交换机的性能相关，一般情况下视为定值；/>主要依赖于调度算法的性能，在两个帧在同一时刻到达交换机后，必然会导致一个帧先发一个帧后发的情况，此时后发的那个帧就会产生排队时延，可以通过调度，使得目标流的排队时延尽量降低甚至为0。

发生在交换机内部的时延有：发送时延处理时延/>排队时延/>其中发送时延与报文长度大小和交换机端口的数据发送速度V_port有关，即：

为了简化描述，本文设定时隙大小slot·siz为所有流发送时延的最大公因数，则每个流的占用时隙数N_i为：

本发明提供一种时间敏感网络中时间触发流的调度方法，假设TT流的路由为已知信息，本方法具体包括以下步骤：

S1：提出了先行调度算法和后行调度算法，再通过后处理得到其它两种变体，共计四种算法，该算法每次只调度一条流。

S2：构造阶段，采用贪心随机算法，逐一为每条TT流预测S1中四种算法对于当前流的调度结果，选择最优的α种组成候选列表，再从候选列表中随机选择一种用于调度该流，形成初始可行解。

S3：搜索阶段，获得S2生成的初始可行解作为当前解，每次从当前解中移除最多β条流的调度信息，然后重新调度这些流形成临近解，通过将临近解与当前解进行比较，选取更优解作为当前解继续进行搜索，到达给定时间后输出一个历史最优解。

本调度解目标为减少TT流传输队列以及TT流端到端时延，因此构造一个目标函数，目标函数越小，调度结果视为更优，目标函数如下：

式中，Λ表示TT流实际占用总队列数，上界为每个交换机出端口中所有队列都启用的情况，下界为每个交换机出端口仅有一条队列启用的情形；D表示实际TT流平均端到端时延，上界为最坏情况，即每支TT流的时延为其截止时间，下界为假设每条TT流独立传输的情形，即不考虑排队时延的情形。W_Λ和W_d为可更改的参数，用来调整两个调度目标的权重占比。表1是本发明所用到的参数的定义。

表1

在步骤S1中，步骤S2和S3均基于本阶段提出的针对单个流的调度算法构造解，因为本阶段提出的算法种类更多，解的质量就会更高。原始算法有先行调度算法和后行调度算法两种，通过对原始算法进行后处理得到两种变体算法，共计四种算法。根据当前流的传输路径，可得到其所有传输链路，L_k，i表示流f_i的第k条传输链路，L_k，i·Slot_n表示此链路的第n个传输时隙，N_i表示流f_i传输所需要占用的时隙数量。

如图2所示，先行调度算法原理及步骤：

根据当前流f_i的传输链路，依次在每条链路上选择最早所能容下该流的空闲时隙作为传输时隙。

第一步：读取现有网络所有的信息，选择当前流f_i，计算N_i，并初始化k，n＝1；

第二步：将该流按照路径选链路L_k，i，判断此链路的L_k，i·Slot_n是否等于0(若L_k，i·Slot_n＝0则代表当前时隙未被占用)，若L_k，i·Slot_n＝0则依次判断L_k，i·Slot_n到 之间的时隙是否均等于0，若均等于0，则占用L_k，i·Slot_n到之间的时隙，并将这N_i个时隙置为1；如果当前时隙L_k，i·Slot_n＝1，或者L_k，i·Slot_n到/> 之间的时隙存在为1的情况，则令n＝n+1并重复第二步；

第三步：判断是否该条TT流f_i所经过的所有链路的时隙是否都已分配完毕，如果没有，则令k＝k+1重新进入第二步；

第四步：输出该流在每条链路上的传输时隙；

先行调度算法变体原理：

在先行调度算法基础上，按照(L_k-1，i,L_k-2，i,...,L_1，i)的链路顺序，依次将该链路上流f_i的传输时隙偏移到最晚能容下该流的空闲时隙。

后行调度算法原理：

将当前流f_i的传输链路倒序排序，依次在每一条链路上选择最晚所能容下该流的空闲时隙作为传输时隙。

后行调度算法变体原理：

在后行调度算法基础上，按照(L_2，i,L_3，i,...,L_k，i)的链路顺序，依次将该链路上流f_i的传输时隙偏移到最早能容下该流的空闲时隙。

步骤S2中的贪心随机算法构造初始解，如图3所示，构造阶段根据已知的TT流的周期、长度及路由等信息，通过S1提出的调度解结合贪心思想生成一个新的初始可行解，

第一步：获取网络拓扑信息、当前网络中所有TT流的基本信息，将TT流按照周期升序排序，初始化i＝1；

第二步：选取当前TT流f_i，预测S1四种调度解对于f_i的调度结果，计算四种解下的当前目标函数f(x)的大小，选取目标函数值最小的α个可行解(流可行解必须满足其总端到端时延小于截止时间，即d_i<f_i·ddl)构建RCL候选列表，在RCL候选列表中随机选取一个解作为当前流的调度解，并清空RCL候选列表；

第三步：判断是否为所有TT流构建调度解，如果没有，则令i＝i+1重新进入第二步；

第四步：输出初始调度解可行解。

如图4所示，步骤S3阶段对初始解进行邻域搜索并持续优化，得到局部最优解，若新的局部最优解比当前历史最优解目标函数更小，则更新当前最优解；多次迭代，构造与搜索交替执行，直到满足终止条件时返回当前最优解，步骤如下：

第一步：获取当前网络信息、TT流信息以及S2输出的初始调度解信息；

第二步：随机销毁β支流的调度解，然后重新为这β支流进行构造阶段，以寻求新解，若新解的目标函数更小，则新解代替旧解，否则保留旧解，反复执行第二步直到给定时间T1；

第三步：输出局部最优解x，与历史最优解x^*比较，若f(x)<f(x^*)，则局部最优解x成为新的历史最优解x^*；

第四步：判断是否到达给定时间T2，若否则返回至搜索阶段进行新一轮迭代；

第五步：输出历史最优解x^*为最终解。

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 (7)

1.一种时间敏感网络中时间触发流量的调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：提出先行调度算法和后行调度算法，再分别进行后处理，得到先行调度算法和后行调度算法的变体；

S2：构造阶段，采用贪心随机算法，逐一为时间敏感网络中的每条TT流预测步骤S1所述四种算法对于当前流的调度结果，选择最优的α种组成候选列表，再从候选列表中随机选择一种用于调度该流，形成初始可行解；

S3：搜索阶段，获得步骤S2生成的初始可行解作为当前解，每次从当前解中移除最多β条流的调度信息，然后重新调度这些流形成临近解，通过将临近解与当前解进行比较，选取更优解作为当前解继续进行搜索，到达给定时间后输出一个历史最优解。

2.根据权利要求1所述的时间敏感网络中时间触发流量的调度方法，其特征在于：所述时间敏感网络的系统模型包括流量模型和时延模型两部分；

在流量模型中，将时间触发流建模为一组从源节点到目的节点的消息元组，时间触发流的集合使用符号F表示；每条时间触发流f用一个3维度的元组表示，即f＝(siz，prd，ddl)，siz表示帧大小，帧长以字节为单位，并且每个帧长由以太网最大传输单元所限制；prd表示每条时间触发流的传输周期；ddl表该流的传输截止时间，在截止时间期限内流从目的节点成功收到从源节点发送的数据流被认为调度成功，否则被认为是调度失败；

在时延模型中，时间敏感网络中时间触发流从源节点到目的节点经过若干台交换机的总时延f_i·D由发送时延传播时延/>处理时延/>和排队时延/>四部分组成，公式如下所示：

其中与数据帧长度有关；/>与链路长度有关；/>与交换机的性能相关；依赖于调度算法的性能，通过调度使得目标流的排队时延尽量降低甚至为0；

发生在交换机内部的时延有：发送时延处理时延/>排队时延/>其中发送时延与报文长度大小和交换机端口的数据发送速度V_port有关，即：

设定时隙大小slot·siz为所有流发送时延的最大公因数，则每个流的占用时隙数N_i为：

3.根据权利要求1所述的时间敏感网络中时间触发流量的调度方法，其特征在于：本方法的调度解目标为减少TT流传输队列以及TT流端到端时延，目标函数如下：

目标函数越小，调度结果视为越优，式中，Λ表示TT流实际占用总队列数，上界为每个交换机出端口中所有队列都启用的情况，下界为每个交换机出端口仅有一条队列启用的情形；D表示实际TT流平均端到端时延，上界为最坏情况，即每支TT流的时延为其截止时间，下界为假设每条TT流独立传输的情形，即不考虑排队时延的情形；W_Λ和W_d为可更改的参数，用来调整两个调度目标的权重占比。

4.根据权利要求1所述的时间敏感网络中时间触发流量的调度方法，其特征在于：所述先行调度算法是根据当前流f_i的传输链路，依次在每条链路上选择最早所能容下该流的空闲时隙作为传输时隙，包括以下步骤：

第一步：读取现有网络所有的信息，选择当前流f_i，计算N_i，并初始化k，n＝1；

第二步：将当前流f_i按照路径选链路L_k，i，判断此链路的L_k，i·Slot_n是否等于0，若L_k，i·Slot_n＝0则代表当前时隙未被占用，此时依次判断L_k，i·Slot_n到之间的时隙是否均等于0，若均等于0，则占用L_k，i·Slot_n到/>之间的时隙，并将这N_i个时隙置为1；如果当前时隙L_k，i·Slot_n＝1，或者L_k，i·Slot_n到/>之间的时隙存在为1的情况，则令n＝n+1并重复第二步；

第三步：判断是否该条TT流f_i所经过的所有链路的时隙是否都已分配完毕，如果没有，则令k＝k+1重新进入第二步；

第四步：输出该流在每条链路上的传输时隙；

所述先行调度算法的变体为：在先行调度算法基础上，按照(L_k-1，i,L_k-2，i,...,L_1，i)的链路顺序，依次将该链路上流f_i的传输时隙偏移到最晚能容下该流的空闲时隙。

5.根据权利要求1所述的时间敏感网络中时间触发流量的调度方法，其特征在于：所述后行调度算法为：将当前流f_i的传输链路倒序排序，依次在每一条链路上选择最晚所能容下该流的空闲时隙作为传输时隙；

所述后行调度算法的变体为：在后行调度算法基础上，按照(L_2，i,L_3，i,...,L_k，i)的链路顺序，依次将该链路上流f_i的传输时隙偏移到最早能容下该流的空闲时隙。

6.根据权利要求1所述的时间敏感网络中时间触发流量的调度方法，其特征在于：步骤S2中所述的构造阶段根据已知的TT流的周期、长度及路由信息，通过步骤S1提出的调度解结合贪心思想生成一个新的初始可行解，具体包括以下步骤：

S21：获取网络拓扑信息、当前网络中所有TT流的基本信息，将TT流按照周期升序排序，初始化i＝1；

S22：选取当前TT流f_i，预测步骤S1中四种调度解对于f_i的调度结果，计算四种解下的当前目标函数f(x)的大小，选取目标函数值最小的α个可行解构建RCL候选列表，流可行解必须满足其总端到端时延小于截止时间，即d_i<f_i·ddl，在RCL候选列表中随机选取一个解作为当前流的调度解，并清空RCL候选列表；

S23：判断是否为所有TT流构建调度解，如果没有，则令i＝i+1重新进入S22；

S24：输出初始调度解可行解。

7.根据权利要求1所述的时间敏感网络中时间触发流量的调度方法，其特征在于：步骤S3所述的搜索阶段中，对初始解进行邻域搜索并持续优化，得到局部最优解，若新的局部最优解比当前历史最优解目标函数更小，则更新当前最优解；多次迭代，构造与搜索交替执行，直到满足终止条件时返回当前最优解，步骤如下：

S31：获取当前网络信息、TT流信息以及S2输出的初始调度解信息；

S32：随机销毁β支流的调度解，然后重新为这β支流进行构造阶段，以寻求新解，若新解的目标函数更小，则新解代替旧解，否则保留旧解，反复执行第二步直到给定时间T1；

S33：输出局部最优解x，与历史最优解x^*比较，若f(x)<f(x^*)，则局部最优解x成为新的历史最优解x^*；

S34：判断是否到达给定时间T2，若否则返回至搜索阶段进行新一轮迭代；

S35：输出历史最优解x^*为最终解。