CN117675683A - 针对ieee 802.1cb的实时流瞬时故障容错调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法包括：输入实时流集合、网络拓扑、故障率和不同关键等级的安全标准；在不同关键等级的实时流满足安全标准时，计算其最小不相交冗余路由数；根据最小不相交冗余路由数，基于最短路径算法为TT流或AVB流分配传输所需的路由；分别采用可满足性模理论算法和信用值整形器为TT流和AVB流分配网络资源，若AVB流的传输时延大于其截止期，触发AVB流服务降级；通过分配的网络资源对TT流和AVB流进行调度，计算TT流和AVB流在实际传输时的每小时传输故障的概率；判断TT流和AVB流的每小时传输故障的概率是否满足安全标准，如果都为是，则返回成功；否则返回失败。
Description
技术领域
本发明属于实时网络的容错调度技术领域，涉及一种针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法。
背景技术
随着工业数字化与信息化的进一步深化与改革，工业领域信息系统与控制系统的业务类型不断增加，工业信息网络与控制网络也呈现出融合的趋势，不同需求的业务需要以混合方式进行传输。实现信息网络与控制网络混合的关键技术基础是时间敏感网络(Time-Sensitive Networking，TSN)。
另一方面，在自动驾驶、工业自动化系统等场景中，网络数据传输的可靠性和实时性都是至关重要的。然而在汽车行驶或者复杂的工业生产环境中，由于瞬时故障(如电磁干扰)或者永久故障(如交换机瘫痪或者网线中断)影响网络数据的传输，引起系统失效，发生人员伤亡、工业生产中断甚至更严重的事故。所以采用TSN的实时流容错调度来改善网络数据传输的可靠性和实时性是必要的。通常，TSN的实时流容错调度可以分为时间冗余和空间冗余两个层面。
在时间冗余层面，传统以太网通过循环冗余校验和自动重传请求的容错机制解决此类问题，但重传会增加传输的时延，造成网络传输的不确定性。Feng等人(Feng Z,Wu C,Deng Q,et al.ReT-FTS:Re-transmission-based fault-tolerant scheduling in TSN[J].Journal of Systems Architecture,2023,142:102959.)提出基于IEEE 802.1Qch标准的被动式容错调度算法来容忍瞬时故障的发生，其主要思想是当发生瞬时故障时才进行帧的重传。因为IEEE 802.1Qch标准中规定网络流的帧在一个时隙内传输完成即可，不会增加网络流的端到端延时，从而提供了帧的重传时间。另外，Feng等人引入了瞬时故障发生的概率模型和传输可靠性标准，确定了在满足实时流传输可靠性时其在一个时隙中帧的最小重传次数，目的是为了避免提升传输可靠性而造成网络传输的负载过度增加。这种被动式重传和量化帧的最小重传次数的方式，节省网络资源，在保证实时流的传输可靠性的同时，提高了其可调度性。而且引入队列隔离的机制解决不同关键级别的实时流传输相互干扰的问题。而且，当低关键性的实时流不能传输时，对其进行终止或者服务降级，使其能够满足传输可靠性的要求。
在空间冗余层面，TSN工作组提出IEEE 802.1CB标准(IEEE Standard for Localand metropolitan area networks—Frame Replication and Elimination forReliability)来提高TSN中实时流的传输可靠性。满足IEEE 802.1CB标准中的帧复制和消除机制的中继设备可以主动复制帧和消除帧的副本。以此为基础，在实时流传输前，可以为实时流分配多条不相交的路由；在实时流传输开始时，与源终端连接的节点设备会主动地为即将传输的帧复制n个副本(n的值由不相交路由数决定)；在实时流传输的过程中，每个帧的副本分别沿着各自的路由传输至与目的终端连接的节点设备；该节点设备会主动地消除帧的副本，并将最早到达的且正确的帧传输至终端。
但在空间冗余层面采用IEEE 802.1CB标准提出的方法，需要为每一条实时流分配多条不相交路由，显然，每一条路由或者每一段链路的网络负载将会增加，所以在满足实时流的传输可靠性时，实时流的可调度性将会降低。反之，减少实时流的路由个数可以降低网络传输的负载，提高实时流的可调度性，但是其传输可靠性不能得以保证。所以有必要确定出合适的冗余路由数量来同时满足实时流传输的可靠性和可调度性。
发明内容
本发明的目的是在空间冗余层面提出一种基于IEEE 802.1CB标准的主动式容错调度方法。通过引入实时流传输发生瞬时故障的概率模型和不同关键等级实时流的安全标准，量化实时流在多条不相交路由中传输的路由数，解决TSN容错调度中无法同时保证实时流传输的可靠性和可调度性的痛点。
本发明提供一种针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，包括：
步骤1：输入实时流集合、网络拓扑、故障率和不同关键等级的安全标准，实时流包括TT流和AVB流，TT流的关键等级高于AVB流；
步骤2：在不同关键等级的实时流满足安全标准时，计算其最小不相交冗余路由数；
在不同关键等级的实时流满足安全标准时，计算其最小不相交冗余路由数
步骤3：根据步骤2计算的最小不相交冗余路由数，基于最短路径算法为TT流或AVB流分配传输所需的路由；分别采用可满足性模理论算法和信用值整形器为TT流和AVB流分配网络资源，计算AVB流的传输时延，若AVB流的传输时延大于其截止期，则触发AVB流服务降级；
步骤4：通过步骤3分配的网络资源对TT流和AVB流进行调度，而后计算TT流和AVB流在实际传输时的每小时传输故障的概率；
步骤5：TT流和AVB流的每小时传输故障的概率是否满足安全标准，如果都为是，则返回成功；否则返回失败。
进一步的，所述步骤1中的不同关键等级的安全标准具体为：
为了描述网络传输的可靠性，引入每小时故障概率PFH作为安全标准指标，采用DO-178B标准中的3个关键等级A，B，C来衡量实时流传输的可靠性，3个关键等级的PFH要求分别为PFH(A)＜10-9、PFH(B)＜10-7、PFH(C)＜10-5；TT流属于等级A或者B，AVB流属于等级C。
进一步的，所述网络拓扑中的交换机需要支持TSN的相关协议。
进一步的，所述故障率指一个帧在一条链路中传输失败的频率，并使用指数分布表示实时流在传输过程中瞬时故障发生的概率。
进一步的，所述步骤2具体为：
步骤2.1：TT流或AVB流的每小时传输故障的概率的计算推导过程如下：
其中，代表了一条实时流Si的第j个帧在链路[va，vb]上传输失败的概率，取值范围是[0,1]；λ是故障率，由用户按照设备的工作场景设定；/>是帧在该链路上传输的时间，由帧的长度和端口的参数决定；e是自然常数；
其中，表示一条实时流Si的所有帧在ni条路由中传输失败的概率；ni是实时流Si的不相交冗余路由的数量；NFi是一条实时流Si中帧的个数；Ri,k代表实时流Si的第k条路由的链路集合；
其中，ri(t)表示一条实时流Si在时间t内释放的次数，Ti是实时流Si的周期；
其中，pfh(x)代表了关键等级为x的实时流集合Sx每小时传输故障的概率；x表示关键等级A、B或C；t取值1小时；
步骤2.2：引入一条实时流Si的所有帧在一条路由中传输失败的最大概率和关键等级为x的实时流集合Sx每小时传输故障的最大概率/>计算传输时的最小不相交冗余路由数：
如果pfh(x)有一个上限，当上限满足对应的可靠性要求时，那么该等级的实时流的传输就是可靠的，引入下列公式：
其中，代表实时流Si的第j个帧在一条路由中传输故障的概率的最大值，即式(1)的最大值；/>由参数λ和实时流在一条链路中传输的时间决定，即当λ最大，在一条链路中传输的时间最长，/>才是最大值，并将传输时间最长的链路记为/>当/>取到最大值时，需要每一个链路的传输时间都为最大值，则此时每一条链路都为/> 代表这条路由中含有这样的链路/>的个数；
故一条实时流Si的所有帧在一条路由中传输失败的最大概率为那么ni条路由中传输失败的最大概率即为/>
式(6)中表示pfh(x)的最大值，当/>时，即实时流传输故障的概率的理论最大值满足可靠性要求，而且实时流的实际传输故障的概率不会大于故该等级的所有实时流的传输是可靠的；为了方便计算，规定同一个等级的实时流具有相同的不相交冗余路由数，即x相同，ni相同；此时可以由/>推导出最小的不相交冗余路由数。
进一步的，所述步骤4具体为：
步骤4.1：根据公式(4)计算TT流和AVB流在实际传输时的每小时传输故障的概率；
步骤4.2：当AVB流不能在其截止期前完成传输时，需对AVB流进行服务降级，AVB流服务降级指把AVB流的周期和截止期都延长df倍，根据下式计算AVB流进行服务降级时，其每小时传输失败的概率pfh'(x)：
其中，t取值1小时；表示pfh'(x)的最大值；式(8)表示当AVB流进行服务降级时，AVB流每小时传输失败概率的上限，其与式(6)是类似的，不同的是，式(8)中将AVB流的周期扩大了df倍，而且AVB流的路由只有一条；当/>时，AVB流的传输是可靠的。
进一步的，所述步骤5具体为：
步骤5.1：判断TT流资源和AVB流资源是否分配成功、TT流和AVB流的每小时传输故障的概率是否满足安全标准，如果都为是，则返回成功；否则返回失败；
步骤5.2：返回成功，表示当前网络中实时流是可调度的，实时流的传输是可靠的；返回失败，表示当前网络中实时流的传输是不可靠的或者不可调度，需要重新设定参数，再次测试。
本发明的一种基于IEEE 802.1CB标准的主动式容错调度方法，至少具有以下有益效果：
本发明通过引入网络传输故障发生的概率模型和不同关键等级实时流的安全标准，通过量化实时流在多条不相交路由中传输时的冗余路由数，避免了为提高实时流的传输可靠性而在过多的不相交路由中传输帧，解决了TSN容错调度中无法同时保证实时流传输的可靠性和可调度性的痛点。与IEEE 802.1CB标准提出的方法相比，本发明的方案在保证实时流传输可靠性的前提下，降低了网络的传输负载，提高了实时流传输的可调度性。另一方面，当AVB流不能调度时，引入AVB流服务降级机制，提高了AVB流的可调度性，保证其传输需求。
附图说明
图1是本发明的基于IEEE 802.1CB标准的主动式容错调度方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，包括：
步骤1：输入实时流集合、网络拓扑、故障率和不同关键等级的安全标准，实时流包括TT流和AVB流，TT流的关键等级高于AVB流。
实时流包括：时间触发流(Time-Trigger，TT)即TT流和音频/视频桥接流(AudioVideo Bridging，AVB)即AVB流，TT流的关键等级高于AVB流。
网络拓扑：网络拓扑中的交换机需要支持TSN的相关协议，如IEEE 802.1CB等。
故障率：指一个帧在一条链路中传输失败的频率，并使用指数分布表示实时流在传输过程中瞬时故障发生的概率，因为指数分布可以用来描述大型复杂系统如计算机的故障发生的时间间隔。
不同关键等级的安全标准：为了描述网络传输的可靠性，引入每小时故障概率PFH(probability-of-failure-per-hour，PFH)作为安全标准指标，PFH被大多数的安全和可靠性标准采用，比如DO-178B标准(Authority,F.A.,1992.Software considerations inairborne systems and equipment certification.Document No.RTCA/DO-178B)。不同关键等级的实时流满足的PFH指标的值不同，且随着实时流关键等级的提高，PFH的值会越来越小。
本发明采用DO-178B标准来衡量实时流传输的可靠性，在DO-178B标准中包含了5种关键等级：A、B、C、D和E，它们的PFH要求分别为PFH(A)＜10-9、PFH(B)＜10-7、PFH(C)＜10-5、PFH(C)≥10-5，E没有要求，其中D和E不属于实时流的范畴，因为出错的概率太大了。因此，采用DO-178B标准中的3个关键等级A，B，C来衡量实时流传输的可靠性，TT流属于等级A或者B，AVB流属于等级C，并使用符号x表示A、B或C。
步骤2：在不同关键等级的实时流满足安全标准时，计算其最小不相交冗余路由数，所述步骤2具体为：
步骤2.1：TT流或AVB流的每小时传输故障的概率的计算推导过程如下：
其中，代表了一条实时流Si的第j个帧在链路[va，vb]上传输失败的概率，取值范围是[0,1]；λ是故障率，由用户按照设备的工作场景设定；/>是帧在该链路上传输的时间，由帧的长度和端口的参数决定；e是自然常数。
其中，表示一条实时流Si的所有帧在ni条路由中传输失败的概率；ni是实时流Si的不相交冗余路由的数量；NFi是一条实时流Si中帧的个数；Ri,k代表实时流Si的第k条路由的链路集合。
其中，ri(t)表示一条实时流Si在时间t内释放的次数，Ti是实时流Si的周期。
其中，pfh(x)代表了关键等级为x的实时流集合Sx每小时传输故障的概率；x表示关键等级A、B或C；t取值1小时。
步骤2.2：引入一条实时流Si的所有帧在一条路由中传输失败的最大概率和关键等级为x的实时流集合Sx每小时传输故障的最大概率/>计算传输时的最小不相交冗余路由数。
如果pfh(x)有一个上限，当上限满足对应的可靠性要求时，那么该等级的实时流的传输就是可靠的，引入下列公式：
其中，代表实时流Si的第j个帧在一条路由中传输故障的概率的最大值，即式(1)的最大值；/>由参数λ和实时流在一条链路中传输的时间决定，即当λ最大，在一条链路中传输的时间最长，/>才是最大值，并将传输时间最长的链路记为/>当/>取到最大值时，需要每一个链路的传输时间都为最大值，则此时每一条链路都为/> 代表这条路由中含有这样的链路/>的个数。
故一条实时流Si的所有帧在一条路由中传输失败的最大概率为那么ni条路由中传输失败的最大概率即为/>
式(6)中表示pfh(x)的最大值，当/>时，即实时流传输故障的概率的理论最大值满足可靠性要求，而且实时流的实际传输故障的概率不会大于故该等级的所有实时流的传输是可靠的；为了方便计算，规定同一个等级的实时流具有相同的不相交冗余路由数，即x相同，ni相同；此时可以由/>推导出最小的不相交冗余路由数。
步骤3：根据步骤2计算的最小不相交冗余路由数，基于最短路径算法为TT流或AVB流分配传输所需的路由；分别采用可满足性模理论算法和信用值整形器为TT流和AVB流分配网络资源，计算AVB流的传输时延，若AVB流的传输时延大于其截止期，则触发AVB流服务降级。
步骤4：通过步骤3分配的网络资源对TT流和AVB流进行调度，而后计算TT流和AVB流在实际传输时的每小时传输故障的概率，所述步骤4具体为：
步骤4.1：根据公式(4)计算TT流和AVB流在实际传输时的每小时传输故障的概率。
步骤4.2：当AVB流不能在其截止期前完成传输时，需对AVB流进行服务降级，提高AVB流的可调度性，保证其传输需求，此时AVB流的pfh计算有所变化，且AVB流的路由只有一条。
AVB流服务降级指把AVB流的周期和截止期都延长df倍，根据下式计算AVB流进行服务降级时，其每小时传输失败的概率pfh'(x)：
其中，t取值1小时；表示pfh'(x)的最大值，式(8)表示当AVB流进行服务降级时，AVB流每小时传输失败概率的上限，其与式(6)是类似的，不同的是，式(8)中将AVB流的周期扩大了df倍，而且AVB流的路由只有一条；当/>时，AVB流的传输是可靠的。
在实际的拓扑中，分配的路由不同，不同等级的流的不相交冗余路由数不同，帧的个数不同，即在公式(2)和公式(8)中的参数Ri、ni和NFi的不同，影响TT流和AVB流实际传输过程中的pfh。
步骤5：TT流和AVB流的每小时传输故障的概率是否满足安全标准，如果都为是，则返回成功；否则返回失败，所述步骤5具体为：
步骤5.1：判断TT流资源和AVB流资源是否分配成功、TT流和AVB流的每小时传输故障的概率是否满足安全标准，如果都为是，则返回成功；否则返回失败。
步骤5.2：返回成功，表示当前网络中实时流是可调度的，实时流的传输是可靠的；返回失败，表示当前网络中实时流的传输是不可靠的或者不可调度，需要重新设定参数，再次测试。
本发明提出的一种针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，在实时流传输时，为其分配多条不相交的冗余路由，并提出了实时流评估可靠性的计算公式。通过第五章中列出的计算公式可以求得其最小的冗余路由数，这种方式可以在保证实时流的传输可靠性的前提下，进一步节省网络资源，提高了实时流的可调度性。而且当实时流混合调度时。若出现AVB流不能调度的情况，可以对AVB流进行服务降级，从而提高了AVB流的可调度性，保证其传输需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，其特征在于，包括：
步骤1：输入实时流集合、网络拓扑、故障率和不同关键等级的安全标准，实时流包括TT流和AVB流，TT流的关键等级高于AVB流；
步骤2：在不同关键等级的实时流满足安全标准时，计算其最小不相交冗余路由数；
在不同关键等级的实时流满足安全标准时，计算其最小不相交冗余路由数
步骤3：根据步骤2计算的最小不相交冗余路由数，基于最短路径算法为TT流或AVB流分配传输所需的路由；分别采用可满足性模理论算法和信用值整形器为TT流和AVB流分配网络资源，计算AVB流的传输时延，若AVB流的传输时延大于其截止期，则触发AVB流服务降级；
步骤4：通过步骤3分配的网络资源对TT流和AVB流进行调度，而后计算TT流和AVB流在实际传输时的每小时传输故障的概率；
步骤5：TT流和AVB流的每小时传输故障的概率是否满足安全标准，如果都为是，则返回成功；否则返回失败。
2.如权利要求1所述的针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，其特征在于，所述步骤1中的不同关键等级的安全标准具体为：
为了描述网络传输的可靠性，引入每小时故障概率PFH作为安全标准指标，采用DO-178B标准中的3个关键等级A，B，C来衡量实时流传输的可靠性，3个关键等级的PFH要求分别为PFH(A)＜10-9、PFH(B)＜10-7、PFH(C)＜10-5；TT流属于等级A或者B，AVB流属于等级C。
3.如权利要求1所述的针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，其特征在于，所述网络拓扑中的交换机需要支持TSN的相关协议。
4.如权利要求1所述的针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，其特征在于，所述故障率指一个帧在一条链路中传输失败的频率，并使用指数分布表示实时流在传输过程中瞬时故障发生的概率。
5.如权利要求1所述的针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1：TT流或AVB流的每小时传输故障的概率的计算推导过程如下：
其中，代表了一条实时流Si的第j个帧在链路[va，vb]上传输失败的概率，取值范围是[0,1]；λ是故障率，由用户按照设备的工作场景设定；/>是帧在该链路上传输的时间，由帧的长度和端口的参数决定；e是自然常数；
其中，表示一条实时流Si的所有帧在ni条路由中传输失败的概率；ni是实时流Si的不相交冗余路由的数量；NFi是一条实时流Si中帧的个数；Ri,k代表实时流Si的第k条路由的链路集合；
其中，ri(t)表示一条实时流Si在时间t内释放的次数，Ti是实时流Si的周期；
其中，pfh(x)代表了关键等级为x的实时流集合Sx每小时传输故障的概率；x表示关键等级A、B或C；t取值1小时；
步骤2.2：引入一条实时流Si的所有帧在一条路由中传输失败的最大概率和关键等级为x的实时流集合Sx每小时传输故障的最大概率/>计算传输时的最小不相交冗余路由数：
如果pfh(x)有一个上限，当上限满足对应的可靠性要求时，那么该等级的实时流的传输就是可靠的，引入下列公式：
其中，代表实时流Si的第j个帧在一条路由中传输故障的概率的最大值，即式(1)的最大值；/>由参数λ和实时流在一条链路中传输的时间决定，即当λ最大，在一条链路中传输的时间最长，/>才是最大值，并将传输时间最长的链路记为/>当/>取到最大值时，需要每一个链路的传输时间都为最大值，则此时每一条链路都为/> 代表这条路由中含有这样的链路/>的个数；
故一条实时流Si的所有帧在一条路由中传输失败的最大概率为那么ni条路由中传输失败的最大概率即为/>
式(6)中表示pfh(x)的最大值，当/>时，即实时流传输故障的概率的理论最大值满足可靠性要求，而且实时流的实际传输故障的概率不会大于故该等级的所有实时流的传输是可靠的；为了方便计算，规定同一个等级的实时流具有相同的不相交冗余路由数，即x相同，ni相同；此时可以由/>推导出最小的不相交冗余路由数。
6.如权利要求1所述的针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
步骤4.1：根据公式(4)计算TT流和AVB流在实际传输时的每小时传输故障的概率；
步骤4.2：当AVB流不能在其截止期前完成传输时，需对AVB流进行服务降级，AVB流服务降级指把AVB流的周期和截止期都延长df倍，根据下式计算AVB流进行服务降级时，其每小时传输失败的概率pfh'(x)：
其中，t取值1小时；表示pfh'(x)的最大值；式(8)表示当AVB流进行服务降级时，AVB流每小时传输失败概率的上限，其与式(6)是类似的，不同的是，式(8)中将AVB流的周期扩大了df倍，而且AVB流的路由只有一条；当/>时，AVB流的传输是可靠的。
7.如权利要求1所述的针对IEEE 802.1CB的实时流瞬时故障容错调度方法，其特征在于，所述步骤5具体为：
步骤5.1：判断TT流资源和AVB流资源是否分配成功、TT流和AVB流的每小时传输故障的概率是否满足安全标准，如果都为是，则返回成功；否则返回失败；
步骤5.2：返回成功，表示当前网络中实时流是可调度的，实时流的传输是可靠的；返回失败，表示当前网络中实时流的传输是不可靠的或者不可调度，需要重新设定参数，再次测试。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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