CN117714382A - 面向tsn网络cbs流控机制基于解析的最小带宽配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法，首先获取航空电子系统的TSN网络流量的关联信息，然后对交换机的各个节点端口计算每条流量的长期到达速率和到达突发信息。其次通过综合考虑流量在节点端口的长期到达速率、流量沿路由的聚合与分离、流量端到端的截止期限需求，按流量优先级类型选择参考终端，并构建其它节点与该参考终端节点延迟边界分解的关系，根据不同优先级队列的延迟计算各个节点端口的分解延迟；最后根据节点端口延迟上限分解信息，在考虑有无链路和CBS整形约束情况下，构建网络节点端口延迟保证下不同优先级的最小带宽分配。本发明对流量的端到端延迟进行端口分解，提出一种快速且可扩展的基于延迟感知的最小带宽预留方法。

Description

面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法

技术领域

本发明涉及航空电子系统上的TSN网络，更具体来说，是指一种面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法。

背景技术

机载网络用于实现航空电子系统上的各个设备的连通，是航空电子系统的重要组成部分。机载网络对数据传输的容量、实时性和可靠性等方面提出了更高的需求。时间敏感网络(Time-Sensitive Networking，TSN)作为当前“准时、准确”的端到端传输候选协议，已经引起了航空业界的广泛关注。在TSN协议簇中，基于信用量整形(Credit Based Shaper，CBS)机制的最小带宽预留配置问题是保证TSN网络确定性传输的核心，然而，如何高效快速地确定网络关键配置参数，以满足时间关键性流量的延迟边界保障需求，仍然是一个开放性的问题。

基于信用的整形技术CBS(credit-based shaper)，最初是用于以太网实时传输音视频信号期间信息流的缓冲，解决突发的多媒体数据流导致的缓冲拥堵造成的丢包。

在协议识别标签(Tag Protocol Identifier)为0X8100，标识以太网支持802.1Q标签，可以提供VLAN和QoS服务；3位PCP(Priority Code Point)码定义了8个优先级：0级最低，用于传统的尽力传输的流量；7级最高，可用于关键路由或网管功能(流量类型等级划分参考2022年1月第39卷第1期《微电子学与计算机》公开的“时间敏感网络流量整形技术综述”，作者：张磊，王盼盼)。TSN网络会通过优先级来区分网络流量的重要程度，并根据不同的应用场景进行流量调度和网络配置。

现代实时网络和实时嵌入式系统等系统内的数据交换类型日益复杂、数据量迅速增长，因而面向具有实时通信需求的通信平台的内部设计变得越来越复杂。下一代以太网技术时间敏感网络不但具备高传输带宽、高兼容性的特点，还支持低延迟、低抖动的确定性传输特点的实时通信。然而，保证TSN网络实时通信的前提与保障在于基于其子协议的网络合理配置，现有大量的传统配置方法主要通过配置优化结合实时性能评估反馈，以保证实时性系统网络的可调度性能需求。然而这种基于实时性能后验的配置方法需要分析整个TSN网络搜索空间的所有配置方案，因而非常耗时。

目前，CBS技术尽管结合预留协议(SRP，IEEE 802.1 Qat)可以为流量灵活地提供所需的最大带宽，然而采用方法仅提供避免流量过载的最低要求，而无法保证实时性能需求。带宽分配一直以来都是航空电子系统上实时通信设计的关键所在，预留带宽过剩会导致系统资源的浪费，但是预留带宽过少又会导致系统的实时性能下降甚至造成系统崩溃。

发明内容

为了解决航空电子系统上面向TSN网络中CBS带宽预留配置存在的实时性保障缺失与配置复杂度较高的技术问题，本发明提出了一种面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法。首先对CBS的流控机制进行了改进；然后应用改进的CBS进行不同优先级的流量类型的最小预留带宽配置；最后在延迟保障前提下，对交换机上各个节点端口进行流量调度，从而实现航空电子系统在较低网络资源下达到实时稳定数据流传输。

本发明的目的之一是提出一种改进的CBS流控机制。CBS流控机制的带宽分配改进的技术方案为：

在本发明中，航空电子系统中设备的任意一节点端口上的服务曲线记为：

表示在传输时间t里节点端口h上第i优先级数据流的服务曲线。

t表示数据流的传输时间。

表示服务曲线/>的斜率，即端口预留带宽。

表示第i优先级数据流的信用值上界。

在本发明中，网络流量在源终端以及交换机节点上的流量延迟记为：

h表示任意一节点端口。

η表示任意一参考端口。

i表示流量类型的任意一优先级。

f表示任意一数据流。

F表示数据流的总条数。

表示节点端口h上第i优先级数据流的流量传输延迟。

表示参考端口η上第i优先级数据流的流量传输延迟。

表示对应的源终端上传输数据流f的流量速率。

表示在参考端口η对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量速率之和。

表示当前端口h对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量速率之和。

表示对应的源终端上传输数据流f的流量突发度。

表示在参考端口η对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量突发度之和。

表示在当前端口h对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量突发度之和。

表示在传输数据流f的路径上，且在到达节点端口h之前数据流f所经过的所有端口，简称为流经的所有端口。

表示流经的所有端口的流量延迟之和，简称为流经端口－流量延迟之和。

在本发明中，无整形约束下最高优先级i＝1的数据流的最小端口预留带宽记为：

表示节点端口h上最高优先级的所有数据流的服务曲线的斜率。

C表示物理链路速率。

表示在节点端口h上最高优先级的所有数据流的流量突发度之和。

表示节点端口h上最高优先级的数据流的最大流量传输延迟。

表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧。

在本发明中，无整形约束下第i＝2优先级数据流的最小端口预留带宽记为：

表示节点端口h上第i＝2优先级所有数据流的服务曲线的斜率。

表示在节点端口h上第i＝2优先级所有数据流的流量突发度之和。

表示节点端口h上第i＝2优先级数据流的最大流量传输延迟。

C表示物理链路速率。

表示节点端口h上高优先级j的所有数据流的服务曲线的斜率。

表示在节点端口h上所有高优先级j的数据流的服务曲线斜率之和。

表示节点端口h上高优先级j数据流的流量最大帧。

表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧。

同理在无整形约束下i＝3、i＝4、i＝5、i＝6、i＝7与公式(4)相同方法处理。

在本发明中，有整形约束下最高优先级i＝1的数据流的最小端口预留带宽记为：

表示节点端口h上最高优先级i＝1的所有数据流的服务曲线的斜率。

表示在节点端口h上最高优先级i＝1的拐点坐标。

表示节点端口h上最高优先级i＝1的数据流的最大流量传输延迟。

表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧。

C表示物理链路速率。

在本发明中，有整形约束下第i＝2优先级数据流的最小端口预留带宽记为：

表示节点端口h上第i＝2优先级所有数据流的服务曲线的斜率。

表示在节点端口h上第i＝2优先级数据流的拐点坐标。

表示节点端口h上第i＝2优先级数据流的最大流量传输延迟。

表示节点端口h上高优先级j的所有数据流的服务曲线的斜率。

表示在节点端口h上所有高优先级j的数据流的服务曲线斜率之和。

表示节点端口h上高优先级j数据流的流量最大帧。

表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧。

C表示物理链路速率。

同理在有整形约束下，i＝3、i＝4、i＝5、i＝6、i＝7与公式(6)相同方法处理。

本发明的目的之二是提出一种面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法。首先获取航空电子系统的TSN网络流量的关联信息，然后对交换机的各个节点端口计算每条流量的长期到达速率和到达突发信息。其次通过综合考虑流量在节点端口的长期到达速率、流量沿路由的聚合与分离、流量端到端的截止期限需求，按流量优先级类型选择参考终端，并构建其它节点与该参考终端节点延迟边界分解的关系，根据不同优先级队列的延迟计算各个节点端口的分解延迟；最后根据节点端口延迟上限分解信息，在考虑有无链路和CBS整形约束情况下，构建网络节点端口延迟保证下不同优先级的最小带宽分配。本发明对流量的端到端延迟进行端口分解，提出一种快速且可扩展的基于延迟感知的最小带宽预留方法。

与传统方法相比本发明的技术效果在于：现在大部分的带宽分配问题都属于配置优化问题，其实时性能的保证均基于专门的性能评估模型结果进行反馈，因而在计算量上是非常庞大的，暂时没有有效的方法在保证流量实时需求的同时有效的配置关键参数。本发明提出了一种针对TSN网络基于信用整形器CBS的排队调度策略下任意SR类别在保证流量延迟截止期限前提下的最小带宽分配方法。通过将每一条流量的延迟截止期限分解到每一个端口，并且基于端口的分解延迟求解每个SR类的流量预留最小的带宽。该发明不仅保证了所有受CBS调度的音视频桥接(AVB)流量的延迟截至期限要求，而且由于该方法为基于网络演算模型的先验解析方法，不需要遍历参数的整个求解空间因而显著降低了计算复杂度。

附图说明

图1是本发明面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置的流程图。

图2是面向TSN网络的拓扑结构图。

图3是本发明无整形约束下到达曲线与服务曲线图。

图4是本发明有整形约束下到达曲线与服务曲线图。

图5是本发明有整形约束下的不同方法下带宽预留结果对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。列举出的各参数示范仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

依据2022年1月第39卷第1期《微电子学与计算机》，公开的“时间敏感网络流量整形技术综述”，作者张磊，王盼盼。文中详细说明了基于以太网协议的时间敏感网络(TSN)通过建立网络时间同步、流量调度等手段。而流量调度中涉及的流量类型共有八种，同时也将流量类型与优先级级数进行了对照。这八种流量类型的缩写分别是：第1优先级的流量类型记为BK、第2优先级的流量类型记为EE、第3优先级的流量类型记为CA、第4优先级的流量类型记为VI、第5优先级的流量类型记为VO、第6优先级的流量类型记为IC、第7优先级的流量类型记为NC、第8优先级的流量类型记为BE。所述BK为最高等级，所述BE为最低等级。其中，在TSN网络下流量类型BE不受CBS整形约束。

为了方便说明，在本发明中，流量类型的优先级标识，记为i(也称为流量类型的任意一优先级)，最高优先级级数表示为i＝1，最低优先级级数表示为i＝8，且i取值为1～8。当前优先级级数记为i_当前，则有：用j表示级数比当前优先级i_当前高的优先级(简称为高优先级j，j取值为1～7)，用k表示级数比当前优先级i_当前低的优先级(简称为低优先级k，k取值为2～8)。

在本发明中，将航空电子系统中设备上的任意一个端口称为节点端口，记为h，即h表示节点端口的标识号。若任意一节点端口被选取作为参考终端的端口称为参考端口，记为η。

在航空电子系统中传输的所有数据流记为流量集合MFL，且MFL＝{FL₁,FL₂,…,FL_f,…,FL_F}。

FL₁表示第1条数据流。

FL₂表示第2条数据流。

FL_f表示第f条数据流，下角标f表示数据流标识号。

FL_F表示最后一条数据流，下角标F表示数据流的总数。

为了方便说明，所述FL_f也称任意一条网络流量。

任意一条数据流FL_f携带有流量的名称(flow)、流量的大小(size)、流量周期(period)、流量的最大传输时间(deadline)、流量类型(type)和传输链路(route)这些信息；则有，将网络流量FL_f的流量关联信息记为且

本发明方法对流量操作在Visual Studio2022及以上版本中操作。性能验证调用Matlab软件仿真。

参见图1、图2所示，本发明的一种面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法，包括下列步骤：

步骤一，从航电TSN网络中获取网络流量，并提取出流量关联信息；

步骤11，从航电TSN网络中获取各个网络设备，并记录其身份；

从航电TSN网络中获取各个网络设备，且网络设备至少包括有端系统和交换机。

一个航电TSN网络结构中至少包括有一个交换机和三个端系统。为了方便说明，以图2所示的网络拓扑结构进行详细说明本发明方法。图2中包括有第一个端系统ES₁、第二个端系统ES₂、第三个端系统ES_χ、第四个端系统ES_γ、第五个端系统ES_E和一个交换机SW_W。通过交换机SW_W分别与5个端系统的信息通讯也说明交换机SW_W具备了5个端口port＝{port_1,port_2,port_3,port_4,port_5}。

port_1表示交换机的第1个端口。

port_2表示交换机的第2个端口。

port_3表示交换机的第3个端口。

port_4表示交换机的第4个端口。

port_5表示交换机的第5个端口。

为了方便说明，交换机上的任意一端口，记为port_h。当port_h被选取作为参考端口port_参考时，所述port_h身份转换为port_参考。

步骤12，获取航电TSN网络中的数据流；

从航电TSN网络中获取经交换机传输的数据流，记为数据流量集MFL，且MFL＝{FL₁,FL₂,…,FL_f,…,FL_F}。

FL₁表示第1条数据流。

FL₂表示第2条数据流量。

FL_f表示第f条数据流量，下角标f表示流量标识号。

FL_F表示最后一条数据流量，下角标F表示流量的总条数。

为了方便说明，所述FL_f也称任意一条数据流量。

任意一条数据流量FL_f携带有流量的名称(flow)、流量的大小(size)、流量周期(period)、流量的最大传输时间(deadline)、流量类型(type)和传输链路(vl)这些信息；则有，将数据流量FL_f的流量关联信息记为且

依据图2所示的TSN网络拓扑结构，数据流量集MFL＝{FL₁,FL₂,FL₃,FL₄,FL₅,FL₆,FL_ζ,FL_ω}。

步骤13，设置流量类型；

在本发明中，流量类型(type)按照网络流量对网络服务质量需求高低程度的不同来设置，高于优先级i的是优先级j。所述的BE流量的最大帧长为100(byte)。

下表记录了图2所示的航电TSN网络拓扑结构下网络设备之间的各条流量及其携带的流量关联信息。

FL₁表示第1条数据流。

FL₂表示第2条数据流量。

FL₃表示第3条数据流。

FL₄表示第4条数据流。

FL₅表示第5条数据流。

FL₆表示第6条数据流。

FL_ζ表示第ζ条数据流。

FL_ω表示第ω条数据流。

步骤14，依据流量类型进行数据流的归类；

步骤14A，从MFL＝{FL₁,FL₂,FL₃,FL₄,FL₅,FL₆,FL_ζ,FL_ω}中选取出属于第i优先级的流量，记为属于流量类型i的归类流量集，记为MFL(i)，且MFL(i)＝{FL₁,FL₂,FL₃,FL_ζ}。

步骤14B，从MFL＝{FL₁,FL₂,FL₃,FL₄,FL₅,FL₆,FL_ζ,FL_ω}中选取出属于第j优先级的流量，记为属于流量类型j的归类流量集，记为MFL(j)，且MFL(j)＝{FL₄,FL₅,FL₆,FL_ω}。

步骤15，数据流的路由信息获取；

在本发明中，数据流的路由信息是指每一条流每一跳的路由端口信息。任意一条FL_f的路由信息记为且/>

下表记录了图2所示的TSN网络拓扑结构下的各条流的路由信息。

表示FL₁从源端/>到目的端/>的传输路径。

表示FL₂从源端/>到目的端/>的传输路径。

表示FL₃从源端/>到目的端/>的传输路径。

表示FL_ζ从源端/>到目的端/>的传输路径。

表示FL₄从源端/>到目的端/>的传输路径。

表示FL₅从源端/>到目的端/>的传输路径。

表示FL₆从源端/>到目的端/>的传输路径。

表示FL_ω从源端/>到目的端/>的传输路径。

步骤16，依据交换机的端口带宽进行从大到小的端口排序；

交换机上的端口记为port，交换机上的端口集记为PO＝{port_1,port_2,…,port_h}。为了方便说明，任意一端口记为port_h，h表示端口的标识号。

在本发明中，根据FL_f的路由信息将FL_f存储到交换机对应的端口(port)上。

参见图2所示，依据交换机SW_W的端口带宽从大到小进行的端口编号分别为port_1,port_2,port_3,port_4,port_5。即端口port_h中的h＝5。初始时，交换机SW_W的端口port_h的发送速率(以Mbps为单位)和突发度/>(以bit为单位)是已知的。这个已知是由选取的交换机型号确定的。

交换机SW_W的第1个端口port_1中存储的网络流量有FL₁,FL₂,FL₅。

交换机SW_W的第2个端口port_2中存储的网络流量有FL₁,FL₃,FL_ζ,FL₅,FL₆。

交换机SW_W的第3个端口port_3中存储的网络流量有FL₂,FL₄,FL_ω。

交换机SW_W的第4个端口port_4中存储的网络流量有FL₃,FL_ζ,FL₄。

交换机SW_W的第5个端口port_5中存储的网络流量有FL₆,FL_ω。

步骤二，计算交换机中各端口的延迟分解；

步骤21，选取交换机的参考端口，并获取端口参考延迟；

在本发明中，将数据流量在交换机SW_W的任意端口port_h上分解的端口延迟记为且端口延迟/>包括有发送速率/>和突发度/>即

由于交换机SW_W上并非每一个端口都存在所有的流量类型(j,i)，因此对于每一种流量类型都需要确定一个含有该流量类型的源端作为参考端口，并依据公式(2)计算其端口参考延迟。

依据图2所示的TSN网络拓扑结构，将交换机SW_W上参考端口记为port_参考，流量类型M_i的端口参考延迟记为且/>流量类型M_j的端口参考延迟记为/>且/>

为流量类型M_i在参考端口port_参考上的突发度，且

为流量类型M_i在参考端口port_参考上的发送速率，且

为流量类型M_j在参考端口port_参考上的突发度，且

为流量类型M_j在参考端口port_参考上的发送速率，且

在本发明中，AVB类型流量在交换机的源端端口上的发送速率和突发度是已知的。其他端口上的发送速率已知，但突发度需要进行计算后存储。

在本发明中，根据任意一数据流FL_f的路由信息在交换机SW_W的源端上，且同时满足端口上包含的流量类型最多的作为参考端口port_参考。

在本发明中，将在参考端口port_参考上传输的属于流量类型M_i的全部数据流的流量周期之和记为单位Mbps。将在参考端口port_参考上传输的属于流量类型M_i的全部数据流的流量大小之和记为/>单位bit。

在本发明中，将在参考端口port_参考上传输的属于流量类型M_j的全部数据流的流量周期之和记为单位Mbps。将在参考端口port_参考上传输的属于流量类型M_j的全部数据流的流量大小之和记为/>单位bit。

依据图2所示的网络拓扑结构，参考端口port_参考的选取，一方面由于端口port_2的带宽最大，另一方面由于端口port_2上存储的数据流有并且/>中包含了全部的流量类型M_i和M_j，故将交换机SW_W的端口port_2身份标记为port_参考，那么端口port_2分解的属于流量类型M_i的端口参考延迟为且/>属于流量类型M_j的端口参考延迟为/>且

依据图2，则有属于流量类型M_i的发送速率且/>属于流量类型M_i的突发度/>且/>

依据图2，则有属于流量类型M_j的发送速率且/>属于流量类型M_j的突发度/>且/>

步骤22，分解交换机除参考端口以外的端口的端口延迟；

在本发明中，依据公式(2)计算除参考端口以外的端口分解流量延迟，记为

在本发明中，依据公式(3)计算交换机的端口port_2,port_3,port_4,port_5上的发送速率和突发度。

下表记录了交换机上各端口的分解延迟边界

步骤23，根据流量延迟信息计算端口延迟上限需求；

在本发明中，由于已经将除参考端口以外的其它端口的分解延迟都表示成了包含参考端口分解延迟/>的表达式，因此逐流按照其流量路径进行端口分解延迟进行累加，为了保证网络流量的端到端延迟需求，每条网络流量的端口累加延迟上界应该不超过该流量的截止期限，从而得到一组关于/>的多项式表达式。

以图2所示，由于已经将交换机SW_W的端口port_2,port_3,port_4,port_5的分解延迟都表示成了包含参考端口分解延迟/>的表达式，因此逐流按照其流量路径进行端口分解延迟进行累加，为了保证网络流量的端到端延迟需求，每条流量的端口累加延迟上界应该不超过该流量的截止期限。两种流量类型M_i和M_j的分解延迟的计算结果如下表。

步骤三，无整形约束情况下流量类型的最小带宽分配；

步骤31，无整形约束下，计算到达曲线距服务曲线具有最大水平距离的在到达曲线上的点；

无整形约束下，到达端口服务曲线满足burst－rate形式的仿射曲线，该曲线上的点记为(x,y)，如图3所示。此外，无论在交换机SW_W的端口port_h上的流量类型的带宽分配如何，为了保证TSN网络中流量传输的稳定性，端口port_h的端口聚合流量到达曲线的斜率(即长期到达速率)一定小于该端口服务曲线的斜率(即长期服务速率)。根据网络演算理论可知，聚合流量最坏延迟为相应到达曲线与服务曲线之间的最大水平距离。因而对于无整形约束下的端口聚合流量到达曲线的斜率一定满足小于端口服务曲线的斜率的情况，使得聚合流量延迟达到最大的两个点中位于到达曲线上的点(x,y)一定满足x＝0,/>其中分布在端口服务曲线上的拐点的计算结果如下表所示：

在本发明中，网络演算理论参考2006年第27期《计算机工程与应用》中公开的“网络演算理论及应用研究”，作者：张连明，陈志刚，黄国盛。

步骤32，无整形约束下，根据端口服务曲线的拐点计算服务曲线斜率；

在本发明中，依据公式(1)的服务曲线斜率能够设置在交换机SW_W的端口port_h的到达端口服务曲线上的流量类型最小预留带宽且ll_＞type表示优先级低于当前的流量类型type优先级的所有流量的最大帧长。

在本发明中，计算最高优先级的流量类型在端口port_h的到达端口服务曲线，称为第一种情况。即流量类型M₁(i＝1)的到达端口服务曲线涉及有：与/>相关。

表示流量类型M₁在交换机SW_W的端口port_h上的端口延迟。

表示流量类型M₁在交换机SW_W的端口port_h上的最小预留带宽。

依据公式(4)计算流量类型M₁的最小预留带宽且 表示所有优先级低于当前流量类型M₁优先级的流量的最大帧长，/>表示流量类型M₁在交换机SW_W的端口port_h上的突发度。/>

在本发明中，定义流量类型M_i(i的取值为1－7)的优先级高于流量类型M_k的优先级。计算低优先级的流量类型在端口port_h的到达端口服务曲线，称为第二种情况。即流量类型M_k的到达端口服务曲线涉及有：不仅与/>相关，而且与流量类型M_i的最小预留带宽/>相关。

表示流量类型M_k在交换机SW_W的端口port_h上的端口延迟。

表示流量类型M_k在交换机SW_W的端口port_h上的最小预留带宽。

表示流量类型M_i在交换机SW_W的端口port_h上的最小预留带宽。

注意在第二种情况下，当计算时，由于/>已被计算出并可作为已知参数。依据公式(4)计算流量类型M_k的最小预留带宽/>且

表示流量类型M_k在交换机SW_W的端口port_h上的突发度。

表示流量类型M_k在交换机SW_W的端口port_h上的端口延迟。

表示流量类型M_i在交换机SW_W的端口port_h上的最小预留带宽。

表示端口port_h上所有优先级高于低优先级k的流量的最小预留带宽之和。

表示流量类型M_i的所有流量的最大帧长。

表示所有优先级低于流量类型M_k的优先级的流量中的最大帧长。

以图2所示的网络拓扑结构，无整形约束的服务曲线斜率(预留带宽分配)计算结果如下表：

	Port_1	Port_2	Port_3	Port_4	Port_5
						Mi	14.16250	10.94850	10.7588	8.078010	0
Mk	7.93115	8.79571	4.4441	0.715194	4.9327

步骤四，有整形约束情况下流量类型的最小带宽分配；

步骤41，有整形约束下，计算到达曲线距服务曲线具有最大水平距离的在到达曲线上的点；

有整形约束下，在交换机SW_W的端口port_h的流量类型的到达端口服务曲线的约束除了流量聚合以外，主要考虑了物理链路约束以及CBS约束。另外可以证明，来自不同链路分组下的到达曲线满足分段线性凹函数；同样，无论端口流量类型的带宽分配如何，为了保证网络中消息流量传输的稳定性，有整形约束下的端口聚合流量到达曲线至少存在一个分段(末段)的斜率一定小于该端口服务曲线的斜率。可以证明，在聚合到达曲线上一定存在唯一的点(x,y)，使其到服务曲线的水平距离最大，如图4所示。

在本发明中，定义流量类型M_i的优先级高于流量类型M_k的优先级，M_j的优先级高于流量类型M_i的优先级，依据公式(5)、公式(6)计算有整形约束下的流量类型的到达端口服务曲线为：

σ^link(t)表示物理链路约束。

表示CBS整形约束。

C表示物理链路速率。

t表示数据流的传输时间。

表示经过整形约束后的节点端口h上的到达曲线。

表示没有整形约束的节点端口h上的到达曲线。

表示在前一端口的当前流量类型中流量的最大帧大小。

表示流量类型M_i在节点端口h上的最小预留带宽。

表示流量类型M_i的信用上界。

表示流量类型M_i的信用下界。

表示所有高优先级j的信用下界之和。

表示在节点端口h上所有优先级低于i的流量最大帧大小。

表示在节点端口h上所有优先级高于i的流量最小预留带宽之和。/>

表示在节点端口h上流量类型为M_i的信用减少斜率。

该点(x，y)的计算结果为拐点坐标如下表所示：

	Mi	Mj
			Port_1	(0,2400)	(0,1600)
Port_2	(8.703,2625.635)	(3.692,3726.074)
			Port_3	(6.131,2213.097)	(3.924,2174.651)
Port_4	(0,1600)	(0,800)
			Port_5	(0,0)	(0,2400)

步骤42，有整形约束下，根据(x,y)计算服务曲线斜率；

在本发明中，依据公式(1)的服务曲线斜率能够设置在交换机SW_W的端口port_h的到达端口服务曲线上的流量类型最小预留带宽且ll_＞type表示优先级低于当前的流量类型type优先级的所有流量的最大帧长。

在本发明中，计算最高优先级的流量类型在端口port_h的到达端口服务曲线，称为第一种情况。即流量类型M₁(i＝1)的到达端口服务曲线涉及有： 相关。

表示流量类型M₁的端口延迟。

表示流量类型M₁的最小预留带宽。

表示端口port_h中流量类型为M₁的拐点坐标。

依据公式(5)计算流量类型M₁的最小预留带宽且 表示优先级低于流量类型M₁优先级1的所有流量的最大帧长，/>表示流量类型M₁在交换机SW_W的端口port_h上的拐点坐标。

在本发明中，定义流量类型M_i(i的取值为1－7)的优先级高于流量类型M_k的优先级。计算低优先级的流量类型在端口port_h的到达端口服务曲线，称为第二种情况。即流量类型M_k的到达端口服务曲线涉及有：与/>流量类型M_i的最小预留带宽相关。/>

表示流量类型M_k的端口延迟。

表示流量类型M_k的最小预留带宽。

表示流量类型M_i的最小预留带宽。

注意在第二种情况下，当计算时，由于/>已被计算出并可作为已知参数。依据公式(6)计算流量类型M_k的最小预留带宽/>且

表示所有优先级低于流量类型M_k优先级k的流量中的最大帧长。

表示流量类型M_i中所有流量的最大帧长。

表示端口port_h上流量类型M_k的端口延迟。

表示端口port_h上流量类型M_i的最小预留带宽。

表示流量类型M_k在交换机SW_W的端口port_h上的拐点坐标

有整形约束的服务曲线斜率最终计算结果的预留最小带宽分配如下表所示：

	Port0	Port1	Port2	Port3	Port4
						Class M1	14.16250	9.16022	10.53810	8.078010	0
Class M2	7.93115	8.73257	4.41614	0.715194	5.01516

在图5中，测试使用两种不同的方法给出了SR类在每个端口的带宽预留:本发明方法(idSlMin/NC)，最小空闲斜率计算的标准方法(idSlMin/Std)。从图5可以看出，使用本方法idSlMin/NC计算的SR类的最坏延迟比标准方法(idSlMin/Std)要小，且均满足流量截止期限(Deadline)，因此证明了本方法的有效性和优越性。

Claims (3)

1.一种面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法，其特征在于对CBS流控机制的带宽分配改进为：

航空电子系统中设备的任意一节点端口上的服务曲线记为：

表示在传输时间t里节点端口h上第i优先级数据流的服务曲线；

t表示数据流的传输时间；

表示服务曲线/>的斜率，即端口预留带宽；

表示第i优先级数据流的信用值上界；

网络流量在源终端以及交换机节点上的流量延迟记为：

h表示任意一节点端口；

η表示任意一参考端口；

i表示流量类型的任意一优先级；

f表示任意一数据流；

F表示数据流的总条数；

表示节点端口h上第i优先级数据流的流量传输延迟；

表示参考端口η上第i优先级数据流的流量传输延迟；

表示对应的源终端上传输数据流f的流量速率；

表示在参考端口η对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量速率之和；

表示当前端口h对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量速率之和；

表示对应的源终端上传输数据流f的流量突发度；

表示在参考端口η对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量突发度之和；

表示在当前端口h对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量突发度之和；

表示在传输数据流f的路径上，且在到达节点端口h之前数据流f所经过的所有端口，简称为流经的所有端口；

表示流经的所有端口的流量延迟之和，简称为流经端口－流量延迟之和；

无整形约束下最高优先级i＝1的数据流的最小端口预留带宽记为：

表示节点端口h上最高优先级的所有数据流的服务曲线的斜率；

C表示物理链路速率；

表示在节点端口h上最高优先级的所有数据流的流量突发度之和；

表示节点端口h上最高优先级的数据流的最大流量传输延迟；

表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧；

无整形约束下第i＝2优先级数据流的最小端口预留带宽记为：

表示节点端口h上第i＝2优先级所有数据流的服务曲线的斜率；

表示在节点端口h上第i＝2优先级所有数据流的流量突发度之和；

表示节点端口h上第i＝2优先级数据流的最大流量传输延迟；

C表示物理链路速率；

表示节点端口h上高优先级j的所有数据流的服务曲线的斜率；

表示在节点端口h上所有高优先级j的数据流的服务曲线斜率之和；

表示节点端口h上高优先级j数据流的流量最大帧；

表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧；

同理在无整形约束下i＝3、i＝4、i＝5、i＝6、i＝7与公式(4)相同方法处理；

有整形约束下最高优先级i＝1的数据流的最小端口预留带宽记为：

表示节点端口h上最高优先级i＝1的所有数据流的服务曲线的斜率；

表示在节点端口h上最高优先级i＝1的拐点坐标；

表示节点端口h上最高优先级i＝1的数据流的最大流量传输延迟；

表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧；

C表示物理链路速率；

有整形约束下第i＝2优先级数据流的最小端口预留带宽记为：

表示节点端口h上第i＝2优先级所有数据流的服务曲线的斜率；

表示在节点端口h上第i＝2优先级数据流的拐点坐标；

表示节点端口h上第i＝2优先级数据流的最大流量传输延迟；

表示节点端口h上高优先级j的所有数据流的服务曲线的斜率；

表示在节点端口h上所有高优先级j的数据流的服务曲线斜率之和；

表示节点端口h上高优先级j数据流的流量最大帧；

表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧；

C表示物理链路速率；

同理在有整形约束下，i＝3、i＝4、i＝5、i＝6、i＝7与公式(6)相同方法处理。

2.根据权利要求1所述的面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法，其特征在于包括有下列步骤：

步骤一，从航电TSN网络中获取网络流量，并提取出流量关联信息；

步骤11，从航电TSN网络中获取各个网络设备，并记录其身份；

从航电TSN网络中获取各个网络设备，且网络设备至少包括有端系统和交换机；

一个航电TSN网络结构中至少包括有一个交换机和三个端系统；通过交换机与端系统完成信息通讯；

交换机上的任意一端口，记为port_h；当port_h被选取作为参考端口port_参考时，所述port_h身份转换为port_参考；

步骤12，获取航电TSN网络中的数据流；

从航电TSN网络中获取经交换机传输的数据流，记为数据流量集MFL，且MFL＝{FL₁,FL₂,…,FL_f,…,FL_F}；

FL₁表示第1条数据流；

FL₂表示第2条数据流量；

FL_f表示第f条数据流量，下角标f表示流量标识号；

FL_F表示最后一条数据流量，下角标F表示流量的总条数；

为了方便说明，所述FL_f也称任意一条数据流量；

步骤13，设置流量类型；

流量类型按照网络流量对网络服务质量需求高低程度的不同来设置，高于优先级i的是优先级j；所述的BE流量的最大帧长为100(byte)；

步骤14，依据流量类型进行数据流的归类；

步骤14A，从MFL＝{FL₁,FL₂,FL₃,FL₄,FL₅,FL₆,FL_ζ,FL_ω}中选取出属于第i优先级的流量，记为属于流量类型i的归类流量集，记为MFL(i)，且MFL(i)＝{FL₁,FL₂,FL₃,FL_ζ}；

步骤14B，从MFL＝{FL₁,FL₂,FL₃,FL₄,FL₅,FL₆,FL_ζ,FL_ω}中选取出属于第j优先级的流量，记为属于流量类型j的归类流量集，记为MFL(j)，且MFL(j)＝{FL₄,FL₅,FL₆,FL_ω}；

步骤15，数据流的路由信息获取；

数据流的路由信息是指每一条流每一跳的路由端口信息；任意一条FL_f的路由信息记为且/>

步骤16，依据交换机的端口带宽进行从大到小的端口排序；

交换机上的端口记为port，交换机上的端口集记为PO＝{port_1,port_2,…,port_h}；任意一端口记为port_h，h表示端口的标识号；

根据FL_f的路由信息将FL_f存储到交换机对应的端口上；

步骤二，计算交换机中各端口的延迟分解；

步骤21，选取交换机的参考端口，并获取端口参考延迟；

将数据流量在交换机SW_W的任意端口port_h上分解的端口延迟记为且端口延迟/>包括有发送速率/>和突发度/>即/>

依据网络拓扑结构，参考端口port_参考的选取，一方面由于端口port_2的带宽最大，另一方面由于端口port_2上存储的数据流有并且中包含了全部的流量类型M_i和M_j，故将交换机SW_W的端口port_2身份标记为port_参考，那么端口port_2分解的属于流量类型M_i的端口参考延迟为且/>属于流量类型M_j的端口参考延迟为/>且

步骤22，分解交换机除参考端口以外的端口的端口延迟；

依据公式(2)计算除参考端口以外的端口分解流量延迟，记为

依据公式(3)计算交换机的端口port_2,port_3,port_4,port_5上的发送速率和突发度；

步骤23，根据流量延迟信息计算端口延迟上限需求；

由于已经将除参考端口以外的其它端口的分解延迟都表示成了包含参考端口分解延迟/>的表达式，因此逐流按照其流量路径进行端口分解延迟进行累加，为了保证网络流量的端到端延迟需求，每条网络流量的端口累加延迟上界应该不超过该流量的截止期限，从而得到一组关于/>的多项式表达式；

步骤三，无整形约束情况下流量类型的最小带宽分配；

步骤31，无整形约束下，计算到达曲线距服务曲线具有最大水平距离的在到达曲线上的点；

无整形约束下，到达端口服务曲线满足形式的仿射曲线，该曲线上的点记为(x,y)；无论在交换机SW_W的端口port_h上的流量类型的带宽分配如何，为了保证TSN网络中流量传输的稳定性，端口port_h的端口聚合流量到达曲线的斜率一定小于该端口服务曲线的斜率；根据网络演算理论可知，聚合流量最坏延迟为相应到达曲线与服务曲线之间的最大水平距离；因而对于无整形约束下的端口聚合流量到达曲线的斜率一定满足小于端口服务曲线的斜率的情况，使得聚合流量延迟达到最大的两个点中位于到达曲线上的点(x,y)一定满足x＝0,/>

步骤32，无整形约束下，根据端口服务曲线的拐点计算服务曲线斜率；

依据公式(1)的服务曲线斜率能够设置在交换机SW_W的端口port_h的到达端口服务曲线上的流量类型最小预留带宽

计算最高优先级的流量类型在端口port_h的到达端口服务曲线，称为第一种情况；

依据公式(4)计算流量类型M₁的最小预留带宽

定义流量类型M_i的优先级高于流量类型M_k的优先级；计算低优先级的流量类型在端口port_h的到达端口服务曲线，称为第二种情况；

依据公式(4)计算流量类型M_k的最小预留带宽

步骤四，有整形约束情况下流量类型的最小带宽分配；

步骤41，有整形约束下，计算到达曲线距服务曲线具有最大水平距离的在到达曲线上的点；

有整形约束下，在交换机SW_W的端口port_h的流量类型的到达端口服务曲线的约束除了流量聚合以外，主要考虑了物理链路约束以及CBS约束；有整形约束下的端口聚合流量到达曲线至少存在一个分段的斜率一定小于该端口服务曲线的斜率；

定义流量类型M_i的优先级高于流量类型M_k的优先级，M_j的优先级高于流量类型M_i的优先级；依据公式(5)、公式(6)计算有整形约束下的流量类型的到达端口服务曲线；

步骤42，有整形约束下，根据(x,y)计算服务曲线斜率；

依据公式(1)的服务曲线斜率能够设置在交换机SW_W的端口port_h的到达端口服务曲线上的流量类型最小预留带宽

计算最高优先级的流量类型在端口port_h的到达端口服务曲线，称为第一种情况；

依据公式(5)计算流量类型M₁的最小预留带宽

定义流量类型M_i的优先级高于流量类型M_k的优先级；计算低优先级的流量类型在端口port_h的到达端口服务曲线，称为第二种情况；

依据公式(6)计算流量类型M_k的最小预留带宽

3.根据权利要求1或2所述的面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法，其特征在于：流量类型有8种，且流量类型的优先级等级从高至低排序。