一种面向实时应用需求的TSN调度方法技术

本发明专利技术公开了一种面向实时应用需求的TSN调度方法，属于工业无线网络资源分配技术领域。本发明专利技术在软件定义网络SDN的基础之上，提出了一种时间敏感的软件定义网络TSSDN，对所有时间触发流和网络拓扑进行全局观察，在TSSDN中引入了调度问题，并提出了一种整数线性规划(ILP)公式，将时隙分配给时间触发的流，并将它们路由，以避免网络队列，同时最大化网络中分配时隙的能量利用率，并计算它们的路由和传输时间表。本发明专利技术解决了计算传输时间表的约束优化问题。

【技术实现步骤摘要】
一种面向实时应用需求的TSN调度方法
本专利技术涉及工业无线网络资源分配
，具体为一种面向实时应用需求的TSN调度方法。
技术介绍
工业4.0的一个中心特征是联网的网络物理系统，其中物理过程由计算机控制。由于许多物理过程如一组协作机器人的运动控制是高度时间敏感的，所以需要实时通信网络来控制这些系统。为了保证物理系统在控制下的确定性行为，需要具有确定性有界网络延迟和延迟变化(抖动)的实时网络。传统上，现场总线已被应用于此，后来随着以太网技术的发展，为此提供了确定性的实时属性，但是在同一介质上传输实时和非实时流量的可能性彼此不兼容，这就需要对网络进行资源调度，资源调度是对网络中数据包的传输进行确定性的规划。虽然IEEE802.1qbv定义了基本的调度机制，但是如何配置调度以实现有界端到端的网络延迟已经超出了标准的范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于根据现有网络技术难以提供实时保证的不足，在软件定义网络(SDN)基础之上提出了时间敏感的软件定义网络架构TSSDN，它为网络物理系统中的时间触发的流提供实时保证。在TSSDN中引入了调度问题，并提出了一种整数线性规划(ILP)公式，将时隙分配给时间触发的流，并将它们路由，以避免网络队列，同时最大化网络中分配时隙的能量利用率，解决其计算传输时间表的约束优化问题。本专利技术的目的是通过以下的技术方案来实现的：一种面向实时应用需求的TSN调度方法，该方法包括以下步骤：步骤1)设置网络环境参数：在软件定义网络SDN的基础之上，建立一种时间敏感型软件定义网络TSSDN的逻辑集中式体系结构，对基准网络拓扑和时间触发流进行建模，将基准网络拓扑表示为一个有向图G≡(V,E)，其中V是节点集合，V≡(S∪H)，S和H分别是交换机和主机的集合，E≡{(i,j)|i,j∈V且i,j通过网络链路连接}代表一组网络链接的元组；将时间触发流表示为一个元组tsi≡(si,di)，其中si,di∈H，si和di分别是流的源和目的地；可用于支出的时隙集合表示为T≡{0,1,...,tmax}，tmax由网络控制器的基本周期和时隙长度确定；步骤2)设置ILP公式的输入：被调度的时间触发流的集合TS，TS≡{tsi}；流到网络链路的映射SL，SL≡{fi,j},如果流i通过链路j传输，fi,j＝1，否则为0；流到时隙的映射ST，ST≡{ti,k},如果流i被分配了时隙k，ti,k＝1，否则为0，假设每分配一个时隙消耗一个单位的能量；设置ILP公式的辅助变量：辅助变量W，表示整个网络架构所能达到的最大能源上限；辅助变量SLT，SLT≡{mi,j,k},如果流i通过链路j传输且被分配了时隙k，则mi,j,k＝1，否则为0；辅助变量C＝(|TS|×|E|)+1；步骤3)制定ILP公式目标函数：Maximize步骤4)根据ILP公式制定约束：每个流最多只能分配一个时隙；其中，in(src(i))、out(src(i))分别表示源主机的输入和输出，in(dst(i))、out(dst(i))分别表示目的主机的输入和输出；给定流i的路径从其源主机开始并在其目的地主机处结束；在任何时隙期间，多个流不能同时通过给定的链路进行路由；确保ILP公式为变量提供一致的值，即对于流i、边j和时隙k，只有当变量fi,j和ti,k都是1时，变量mi,j,k才可以是1；步骤5)求解ILP公式，将时隙分配给时间触发的流，并将这些流路由，以避免网络队列，同时最大化网络架构中分配时隙消耗能量的能量利用率。进一步地，所述步骤1)中，使用NetworkX创建Erdo″sR'enyi(ER)模型、随机正则图(RRG)、Baraba'si-Albert(BA)模型和Waxman模型，能够更有效地评估ILP公式。进一步地，所述步骤3)中，目标函数保证淘汰了路径上的循环路径，保持最小的路径长度，最大限度地分配了时隙的数量，这确保了ILP公式同时最大化网络架构中分配时隙的能量利用率。进一步地，所述步骤4)中，各种约束充分保证了最佳的调度，如果所有流量传输周期等于基准周期，则从给定的一组流中调度最大数量的时间触发的流。进一步地，所述步骤5)中，使用来自IBM的商业求解器CPLEX来解决ILP公式。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种整数线性规划(ILP)公式，将时隙分配给时间触发的流，并将它们路由，以避免网络队列，同时最大化网络架构中分配时隙消耗能量的能量利用率，解决了计算传输时间表的约束优化问题。附图说明图1TSSDN网络架构图；图2实施例中被调度流运行时间效果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的目的和效果将更加明显。首先，在软件定义网络SDN的基础之上，建立一种时间敏感型软件定义网络TSSDN的逻辑集中式体系结构，如图1所示；对基准网络拓扑和时间触发流进行建模，我们将基准网络拓扑表示为一个有向图G≡(V,E)，其中V是节点集合，V≡(S∪H),其中S和H分别是交换机和主机的集合，E≡{(i,j)|i,j∈V且i,j通过网络链路连接}是一组代表网络链接的元组；将时间触发流被表示为一个元组tsi≡(si,di)，其中si,di∈H，si和di分别是流的源和目的地；可用于支出的时隙集合表示为T≡{0,1,...,tmax}，tmax由网络控制器的基本周期和时隙长度确定；我们将ILP公式的输入及变量设置如下：网络拓扑G≡(V,E)，被调度的时间触发流的集合TS，TS≡{tsi}；流到网络链路的映射SL，SL≡{fi,j},如果流i通过链路j传输，fi,j＝1，否则为0；流到时隙的映射ST，ST≡{ti,k},如果流i被分配了时隙k，ti,k＝1，否则为0，假设每分配一个时隙消耗一个单位的能量；设置ILP公式的辅助变量W，表示整个网络架构所能达到的最大能源上限；辅助变量SLT，SLT≡{mi,j,k},如果流i通过链路j传输且被分配了时隙k，则mi,j,k＝1，否则为0；辅助变量C＝(|TS|×|E|)+1；目标函数的制定主要是最大化网络架构中分配时隙消耗能量的能量利用率，那么ILP公式目标函数制定如下：Maximize相对应地，我们制定ILP公式的约束条件如下：每个流最多只能分配一个时隙，因为它们在相应的时间内只携带一个MTU大小的数据包。其中，in(src(i))、out(src(i))分别表示源主机的输入和输出，in(dst(i))、out(dst(i))分别表示目的主机的输入和输出；给定流i的路径从其源主机开始并在其目的地主机处结束(即源主机仅具有一个输出链路而不具有输入链路，而目的地主机具有一个不具有输出链路的输入链路)，对于所有其他网络节点而言，进入链路的数量等于出站链路的数量。在任何时隙期间，多个流不能同时通过给定的链路进行路由，这个约束确保了每个流的整个路径仅在其分配的时隙期间被保留给流。最后，我们需要额外的约束来确保ILP求解器为变量提供一致的值，即对于流i、边j和时隙k，只有当变量fi,j和ti,k都是1时，变量mi,j,k才可以是1。求解ILP公式，将时隙分配给时间触发的流，并将它们路由，以避免网络队列，同时最大化网络架构中分配时隙消耗能量的能量利用率，并计算它们的路由和传输时间表。以下通过相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向实时应用需求的TSN调度方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤1)设置网络环境参数：在软件定义网络SDN的基础之上，建立一种时间敏感型软件定义网络TSSDN的逻辑集中式体系结构，对基准网络拓扑和时间触发流进行建模，将基准网络拓扑表示为一个有向图G≡(V,E)，其中V是节点集合，V≡(S∪H)，S和H分别是交换机和主机的集合，E≡{(i,j)|i,j∈V且i,j通过网络链路连接}代表一组网络链接的元组；将时间触发流表示为一个元组tsi≡(si,di)，其中si,di∈H，si和di分别是流的源和目的地；可用于支出的时隙集合表示为T≡{0,1,...,tmax}，tmax由网络控制器的基本周期和时隙长度确定；步骤2)设置ILP公式的输入：被调度的时间触发流的集合TS，TS≡{tsi}；流到网络链路的映射SL，SL≡{fi,j},

【技术特征摘要】
1.一种面向实时应用需求的TSN调度方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤1)设置网络环境参数：在软件定义网络SDN的基础之上，建立一种时间敏感型软件定义网络TSSDN的逻辑集中式体系结构，对基准网络拓扑和时间触发流进行建模，将基准网络拓扑表示为一个有向图G≡(V,E)，其中V是节点集合，V≡(S∪H)，S和H分别是交换机和主机的集合，E≡{(i,j)|i,j∈V且i,j通过网络链路连接}代表一组网络链接的元组；将时间触发流表示为一个元组tsi≡(si,di)，其中si,di∈H，si和di分别是流的源和目的地；可用于支出的时隙集合表示为T≡{0,1,...,tmax}，tmax由网络控制器的基本周期和时隙长度确定；步骤2)设置ILP公式的输入：被调度的时间触发流的集合TS，TS≡{tsi}；流到网络链路的映射SL，SL≡{fi,j},如果流i通过链路j传输，fi,j＝1，否则为0；流到时隙的映射ST，ST≡{ti,k},如果流i被分配了时隙k，ti,k＝1，否则为0，假设每分配一个时隙消耗一个单位的能量；设置ILP公式的辅助变量：辅助变量W，表示整个网络架构所能达到的最大能源上限；辅助变量SLT，SLT≡{mi,j,k},如果流i通过链路j传输且被分配了时隙k，则mi,j,k＝1，否则为0；辅助变量C＝(|TS|×|E|)+1；步骤3)制定ILP公式目标函数：Maximize步骤4)根据ILP公式制定约束：每个流最多只能分配一个时隙；其中，in(src(i))、out(src(i))...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟强，彭轻羽，吴呈瑜，王成群，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33