一种时间敏感网络交换机模型及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种时间敏感网络交换机模型及其实现方法，所述交换机模型包括依次连接的多个入端口、交换结构、出口模块和多个出端口；出口模块包括队列分配器、多个队列、多个传输可行性检查模块、时间感知整型查询模块和出端口传输控制模块；当数据帧进入交换机模型之后，队列分配器根据数据帧中的信息将数据帧分配到合适的队列；队列用于数据帧的排队；传输可行性检查模块用于判断数据帧在后续环节的可通过性，如果可通过则向后递交，否则暂时存储在本模块；时间感知整型查询模块用于实现802.1Qbv协议中规定的TAS机制；出端口传输控制模块用于实现严格优先级以及出端口的控制功能。本发明专利技术提供了基于软件仿真的交换机模型实现方案。实现方案。实现方案。

【技术实现步骤摘要】
一种时间敏感网络交换机模型及其实现方法


[0001]本专利技术涉及网络通信
，特别涉及一种时间敏感网络交换机模型及其实现方法。

技术介绍

[0002]时间敏感网络具有确定时延保障和多业务承载能力，解决了工业互联网的中数据在同一网络进行数据传输的难题，成为现在工业现场网络的研究热点。当前的时间敏感网络研究时间触发业务流大都是周期性的，时间感知整形技术可以对周期性时间触发业务流进行预定义的静态配置，对传输的数据流进行定时控制，数据业务流的传输变得可预测和确定的，因此保障端到端时间触发业务流传输的服务质量。然而由于非周期的时间触发业务流到达时间的不确定，导致无法通过资源预留或预配置方式来对交换机资源和门控进行管理。因此，如何动态的对交换机资源和门控进行调度成为非周期时间触发业务流确定性传输的关键。
[0003]时间敏感网络起源于音视频领域，主要是解决音视频数据传输的不确定性，在2005年建立了AVB任务组，建立了一些标准，在保持完全兼容现有以太网体系的基础上，对层二的数据进行转发、整型等部分进行扩展，使得以太网具有保障带宽、限制延时、精确时钟同步的能力，在标准的以太网架构下为音视频数据业务提供高质量、低时延、时间同步的保障，兼容其它数据业务的传输，提供多业务承载的解决方案。在2012年AVB工作组改名为时间敏感网络工作组，进一步研究工业控制网络中的数据传输，在传统以太网的基础上加入了时间同步、传输调度、路径控制、资源预留、可靠冗余的机制，保障了任务关键数据的服务质量，同时也解决多个数据业务不能统一承载的难题。
[0004]IEEE 802.1Qbv标准中规定的TAS算法是一种能够严格保障TT流时延确定性的同步时间调度算法。图1展示了802.1Qbv标准定义的典型分组调度结构。它设置八个固定优先级(从最低0到最高7)的FIFO队列，用于缓存待调度的分组。IEEE 802.1Q标准规定了如何根据分组头中的PCP和VLAN ID域来定义分组所属的类，类决定了分组的优先级和送往哪个队列进行缓存。一般而言，优先级最高的队列被分配给TT流，优先级次之的若干队列被分配给AVB流，其余队列被分配给BE流。对于AVB流的队列，可以在其队首设置一个CBS门控：只有该队列的信用值为正时，CBS门控才处于开启状态(即允许分组通过)。所有的队列都会连接一个TAS门控，其开关状态由门控列表GCL控制。分组队列Q7用于缓存TT分组，并且在时间段T0到T1，队列Q7的TAS门控处于开启状态而其它队列的门控都处于关闭状态，所以在时间段T0到T1内，只有Q7中的TT流可以独占端口。门控列表的每一项都对应于某段时间各队列的TAS门控状态，被称为一个时间窗口。通过为不同队列分配不同长度的时间窗口，TAS最终实现一种特殊的时分复用。最后，调度器会从所有TAS门控和CBS门控都为开启状态的队列中，选择优先级最高的队列进行调度。通过为TT流离线规划合理的时间窗口，TAS能够保证TT流在每一跳交换机的固定时间段内被调度和转发，从而保证端到端的时延确定性。
[0005]在TT窗口的开始时刻，正在传输的低优先级流将阻碍高优先级流的传输，从而影
响TT流的按时调度。为解决这个问题，802.1Qbv标准提出了保护带机制：在下一个TT窗口开始之前的一个最大以太网帧的传输时间内停止调度器的工作。在此基础上，802.1Qbv提出了改进的保护带机制，即只要调度决策分组可以在下一个TT窗口开始前传输完成，则继续调度；否则，调度停止。通过保护带机制，TAS能够为TT流提供独占的、无干扰的时间窗口。
[0006]TSN的协议中对TAS只规定了其机制但是没有给出门控的求解方法，因此目前相关领域的很多研究者都在研究门控的求解算法。当算法求解门控过程中或者求解完成之后需要通过某些方法进行验证。一般而言，可以通过软件仿真验证或者直接在实物系统中进行验证。很多时候还是使用仿真而不是实物系统进行机制和算法的研究以及验证，这是因为相比实物系统，仿真系统有如下三个优势：
[0007]1.与新标准的跟进速度更加可控。各个厂家对标准进行实现的时候会综合考虑很多因素，因此发布的产品和标准中的规定可能存在一定差别。此外，协议中某些部分可能被厂家认为重要性不足导致在很长时间内不会实现。
[0008]2.成本更低。完全运行一套时间敏感网络的实物系统至少需要几台TSN的交换机，多个能够支持TSN的端设备，整体开销比较大。仿真系统只需要一台普通的计算机即可。
[0009]3.网络拓扑的设置更加灵活。在仿真系统修改网络拓扑或者增加系统中设备是一件没有额外开销的工作。但在实物系统中上述操作就需要相当的人力物力。
[0010]目前已有一些基于802.1Qbv规定的TAS机制的仿真方案。有的研究者基于omnet++或者opnet等现有的网络仿真软件搭建TAS的仿真框架。但是，几乎没有人脱离已有仿真软件提供独立的TAS软件仿真方案。

技术实现思路

[0011]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种时间敏感网络交换机模型及其实现方法，针对独立的TAS软件仿真中最为关键的交换机的实现提供一种可行的解决方案。
[0012]为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供如下方案：
[0013]一方面，提供了一种时间敏感网络交换机模型，所述交换机模型包括依次连接的多个入端口、交换结构、出口模块和多个出端口；其中，所述出口模块包括队列分配器、多个队列、多个传输可行性检查模块、时间感知整型查询模块和出端口传输控制模块；
[0014]当数据帧进入交换机模型之后，所述队列分配器根据数据帧中的信息将数据帧分配到合适的队列；所述队列用于数据帧的排队；所述传输可行性检查模块用于判断数据帧在后续环节的可通过性，如果可通过则向后递交，否则暂时存储在本模块；所述时间感知整型查询模块用于实现802.1Qbv协议中规定的TAS机制；所述出端口传输控制模块用于实现严格优先级以及出端口的控制功能。
[0015]优选地，所述交换机模型中各模块间数据交互的方式包括以下两种：数据管道和事件；
[0016]所述交换机模型实现过程中遵循的基本规则是：如果数据只是逻辑上的交互而不需要时间的流动，采用数据管道的方式；如果数据交互需要或者会导致时间的流动，则采用事件的方式；
[0017]其中，事件定义为：一个过程中的关键时间点以及其对应的状态信息的集合。
[0018]优选地，所述交换机模型所在的时间敏感网络中还包含端节点模型和事件表；所
述端节点模型分为源节点模型和目的节点模型；
[0019]所述事件表包含时间敏感网络中所有事件的数据结构以及对应方法，将事件按照时间信息进行排序后存储在链表中，并从链表的头部依次触发事件，有的事件被触发之后会产生新的事件，新的事件也按照时间信息插入到链表中的合适位置；各个模型之间的事件包含：数据帧发送事件、数据帧发送完成事件、数据帧接收完成事件；
[0020]所述源节点模型是数据帧产生的位置，只接收数据帧发送事件；当数据帧发送事件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时间敏感网络交换机模型，其特征在于，所述交换机模型包括依次连接的多个入端口、交换结构、出口模块和多个出端口；其中，所述出口模块包括队列分配器、多个队列、多个传输可行性检查模块、时间感知整型查询模块和出端口传输控制模块；当数据帧进入交换机模型之后，所述队列分配器根据数据帧中的信息将数据帧分配到合适的队列；所述队列用于数据帧的排队；所述传输可行性检查模块用于判断数据帧在后续环节的可通过性，如果可通过则向后递交，否则暂时存储在本模块；所述时间感知整型查询模块用于实现802.1Qbv协议中规定的TAS机制；所述出端口传输控制模块用于实现严格优先级以及出端口的控制功能。2.根据权利要求1所述的时间敏感网络交换机模型，其特征在于，所述交换机模型中各模块间数据交互的方式包括以下两种：数据管道和事件；所述交换机模型实现过程中遵循的基本规则是：如果数据只是逻辑上的交互而不需要时间的流动，采用数据管道的方式；如果数据交互需要或者会导致时间的流动，则采用事件的方式；其中，事件定义为：一个过程中的关键时间点以及其对应的状态信息的集合。3.根据权利要求1所述的时间敏感网络交换机模型，其特征在于，所述交换机模型所在的时间敏感网络中还包含端节点模型和事件表；所述端节点模型分为源节点模型和目的节点模型；所述事件表包含时间敏感网络中所有事件的数据结构以及对应方法，将事件按照时间信息进行排序后存储在链表中，并从链表的头部依次触发事件，有的事件被触发之后会产生新的事件，新的事件也按照时间信息插入到链表中的合适位置；各个模型之间的事件包含：数据帧发送事件、数据帧发送完成事件、数据帧接收完成事件；所述源节点模型是数据帧产生的位置，只接收数据帧发送事件；当数据帧发送事件到达源节点模型的时候，源节点模型会按照数据帧发送事件中的信息产生数据帧并在成功检测链路连通性之后向事件表注册一个数据帧发送事件并通过数据帧发送事件产生一个数据帧发送完成事件用于未来提醒自己数据帧发送完成；所述目的节点模型接收到数据帧接收完成事件之后会得到数据帧的信息并进行统计，包含传输时延抖动的计算以及数据帧在传输过程中状态信息的记录。4.一种时间敏感网络交换机模型的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：数据帧从入端口进入交换机模型；交换结构按照MAC表以及交换规则将数据帧交换到对应的出口模块；队列分配器按照优先级将数据帧放入对应队列；数据帧在传输可行性检查模块等待检查；时间感知整型查询模块对数据帧进行是否通过的检查，如果不能通过则给传输可行性检查模块失败反馈，如果能通过则进行后续步骤；出端口传输控制模块对数据帧进行是否通过的检查，如果不能通过则给传输可行性检查模块失败反馈，如果能通过则进行后续步骤；数据帧从出端口传输。5.根据权利要求4所述的时间敏感网络交换机模型的实现方法，其特征在于，所述队列分配器的工作流程如下：
初始时队列分配器处于空闲状态，当队列分配器接收到一个数据帧之后会转移到队列分配状态然后根据定义好的分配规则将数据帧转移到对应的数据管道由数据管道将数据帧发送到对应的队列中；之后队列分配器处于反馈等待状态，当队列通过数据管道通知队列分配器分配成功之后，队列分配器会再次进入空闲状态等待下一个数据帧的到达；所述队列的工作流程如下：当队列分配器将数据帧分配到队列后会触发队列开始工作；队列定义了两种工作情况，分别是：1.队列分配器分配数据帧到队列；2.传输可行性检查模块请求数据；针对情况1：当队列通过数据管道接收到队列分配器发送的数据帧之后会通过数据管道查询传输可行性检查模块的状态，如果传输可行性检查模块为空，则将刚才被分配的数据帧通过数据管道传递给传输可行性检查模块，否则存入队列中；不论是存入队列还是传递给传输可行性检查模块，当操作完成之后会通过数据管道给队列分配器反馈；针对情况2：当传输可行性检查模块向队列发送数据请求，如果当前队列中还有正在排队的数据帧会通过数据管道递交一个数据帧，如果此时队列已经为空则会通过数据管道给传输可行性检查模块反馈。6.根据权利要求4所述的时间敏感网络交换机模型的实现方法，其特征在于，所述传输可行性检查模块的工作流程如下：传输可行性检查模块初始处于空闲状态，当其接收到一个数据帧之后，会通过数据管道查询后续的时间感知整型查询模块的状态；如果不对时间感知整型查询模块的具体实现进行考虑的话，当前的数据帧如果希望通过时间感知整型查询模块有四种可能的情况，分别是：1.能成功通过，且知道通过的时间；2.能成功通过，但是不知道通过时间；3.本次不能通过，但是可知下次可能通过的时间；4.本次不能通过，对下次的信息一无所知；但是结合事件表要求时间必须有时间信息的前提，情况2实际上无法作为一个合理的时间放入事件表，所以等同于情况4；最终时间感知整型查询模块检查能提供1、3、4三种情况；如果时间感知整型查询模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙雷，孙志权，王健全，毕紫航，王卓群，王慧姊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：