一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，属于计算机网络领域，包括以下步骤：通过周期约束条件确定门控调度周期；通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间；通过开关门约束条件确定每条流的开门时间，生成门控调度表并更新；通过门事件约束条件，对满足条件的门事件进行合并，优化门事件数量，提升带宽利用率。本发明专利技术能很好地解决多种周期类型流量在同一TSN网络中的调度问题，能够大幅减少调度过程中的门事件数量，提升带宽的利用率。升带宽的利用率。升带宽的利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法


[0001]本专利技术属于计算机网络领域，涉及一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法。

技术介绍

[0002]传统的以太网为“尽力而为”网络，连接机制和通信协议都非常简单，广泛应用于网络连接中。自十九世纪七十年代以太网诞生以来，其网速不断提高，但却缺乏对服务质量(Quality of Service,QoS)的保证。为了满足实时通信的需求，现场总线通信(IEEE 1394)、过程现场网络(Process Field Network,Profinet)、以太网控制自动化技术(Ether Control Automation Technology,EtherCAT)等技术不断发展。然而这些网络通信技术只是在以太网的基础上针对特定的任务功能进行开发，虽然这些协议能够满足工业控制网络中的实时性和确定性需求，在执行特定任务时拥有很好的性能。但如果与标准以太网结合使用，由于网络带宽通常是由多个设备共享，每一个设备在发送流量时都是尽可能多的发送数据帧，这样不同设备发送的流量在时间上就会产生重叠，即流量碰撞。为了促使这两种网络的融合，时间敏感网络(Time Sensitive Networking,TSN)应运而生。
[0003]时间敏感网络作为一种底层网络协议，通过将网络中的数据类型进行划分和分类调度，完美地集成了工业以太网和传统以太网的优点，具备良好的互操作性和开放性，提供了有限的网络延迟和带宽保证。因此，为了保证良好的网络性能，针对时间网络中流量调度算法的研究必不可少。目前时间敏感网络相关标准中对流量调度算法的研究主要集中在对网桥内部流量进行调度，缺乏一种端到端的全局调度方案。
[0004]同时工业控制信号多数为周期信号，在循环周期内的指定时间发送。因此在单应用的简单网络架构中，基本IEEE 802.1Qbv的门控调度周期只需与应用的信号发送周期一致，根据控制流量的报文数量和帧字节长度划分适当的时隙即可满足控制要求。但面对控制网络较为复杂，多周期应用的控制场景时，传统的周期划分及调度方法不再适用。若周期划分不当，则无法在每个周期的固定时隙内为其划分时间片，流量在传输过程中势必会造成很大的延迟及流量碰撞。同时IEEE 802.1Qbv中的门控调度队列只定义了8个优先级，当应用类型及数量较多时队列难以分配，而且调度过程中频繁的开关门事件会消耗过多的系统资源，造成带宽浪费。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种适用于时间敏感网络中多种周期应用的门控调度方法，用于多周期应用在时间敏感(TSN)网络中的流量调度，同时提升带宽的利用率。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，包括以下步骤：
[0008]通过周期约束条件确定门控调度周期；
[0009]通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间；
[0010]通过开关门约束条件确定每条流的开门时间，生成门控调度表并更新；
[0011]通过门事件约束条件，对满足条件的门事件进行合并，优化门事件数量，提升带宽利用率。
[0012]进一步，所述通过周期约束条件确定门控调度周期，即对于多种周期类型的实时流量，定义每条流f
i
的发送周期为p
i
，调度周期H为所有应用周期的最小公倍数：
[0013]H＝LCM(p1,p2...p
n
)
[0014]式中，LCM()为最小公倍数求值函数。
[0015]进一步，所述通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间，具体包括：
[0016][0017]t
i
‑
t
j
≥D
(j,s
‑
1)
+d
jtrans
+d
jproc
‑
D
(i,s)
[0018]其中D
(i,s)
表示流f
i
经过交换机s的网络延迟，d
itrans
表示流f
i
的链路传输延迟，d
kproc
表示交换机k对数据包的处理延迟，d
(i,k)send
表示流f
i
从交换机k中开始发送到离开交换机的发送延迟；t
i
表示流f
i
从源设备开始发送数据的时刻，t
j
表示流f
j
从源设备开始发送数据的时刻，D
(j,s
‑
1)
表示流f
j
经过交换机s
‑
1的网络延迟，d
jtrans
表示流f
j
的链路传输延迟，d
jproc
表示交换机j对数据包的处理延迟。
[0019]进一步，所述通过开关门约束条件确定每条流的开门时间，具体包括：
[0020]每一个调度周期内的任一开门时刻由以下约束表示：
[0021]k为整数
[0022]每一个调度周期内的任一关门时刻由以下约束表示：
[0023]k为整数
[0024]对应于每一个调度周期内的所有开关门时刻用以下集合表示：
[0025]k为整数}
[0026]式中，p
i
表示流f
i
的发送周期，d
isend
表示流f
i
的发送延迟；k表示对应调度周期内的传输时隙，每一个k值表示一个传输时隙。
[0027]进一步，所述对满足条件的门事件进行合并，具体包括以下步骤：
[0028]在一个调度周期H中，每一条流f
i
发送的数据帧个数为对应每一个数据帧的传输都会有一组开关门操作；一个门事件由一组开关门组成，对于每一个开关门操作，都都一个动作时间θ，对于在同一调度周期内传输的两条流量f
i
和f
j
，对应的传输时隙分别为：
[0029][0030][0031]对于任意的门事件，若存在任意使得：
[0032]T
(j,s,l)open
‑
T
(i,s,k)close
≤2θ
[0033]则对两个门事件进行合并，合并前的原传输时隙为：
[0034]{(T
(i,s,k)open
,T
(i,s,k)close
)(T
(j,s,l)open
,T
(j,s,l)close
)}
[0035]合并门事件后，传输时隙为：
[0036]{(T
(i,s,k)open
,T
(j,s,l)close
)}
[0037]定义提升的带宽利用率为U，则：
[0038本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，其特征在于：包括以下步骤：通过周期约束条件确定门控调度周期；通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间；通过开关门约束条件确定每条流的开门时间，生成门控调度表并更新；通过门事件约束条件，对满足条件的门事件进行合并，优化门事件数量，提升带宽利用率。2.根据权利要求1所述的适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，其特征在于：所述通过周期约束条件确定门控调度周期，即对于多种周期类型的实时流量，定义每条流f
i
的发送周期为p
i
，调度周期H为所有应用周期的最小公倍数：H＝LCM(p1,p2...p
n
)式中，LCM()为最小公倍数求值函数。3.根据权利要求1所述的适用于时间敏感网络中多周期应用的门控调度方法，其特征在于：所述通过延迟约束条件确定流量开始发送的时间，具体包括：t
i
‑
t
j
≥D
(j,s
‑
1)
+d
jtrans
+d
jproc
‑
D
(i,s)
其中D
(i,s)
表示流f
i
经过交换机s的网络延迟，d
itrans
表示流f
i
的链路传输延迟，d
kproc
表示交换机k对数据包的处理延迟，d
(i,k)send
表示流f
i
从交换机k中开始发送到离开交换机的发送延迟；t
i
表示流f
i
从源设备开始发送数据的时刻，t
j
表示流f
j
从源设备开始发送数据的时刻，D
(j,s
‑
1)
表示流f
j
经过交换机s
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，钟龙，王平，魏旻，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：