面向IEEE802.1TSN时间感知整形器的容错调度方法技术

本发明专利技术的面向IEEE 802.1TSN时间感知整形器的容错调度方法，包括离线容错调度与在线可靠度恢复调度。离线容错调度阶段，根据实时流属性和网络系统硬件属性，选择出所有需要调度实时流的冗余路由和备用路由；将实时流属性、冗余路由与网络系统硬件属性作为输入进行ILP调度问题求解得到实时流在系统中的调度。在线可靠度恢复阶段，针对链路失效而导致可靠度降低的实时流，为这些实时流在备用路由中选择新的冗余路由并进行在线调度来恢复可靠度；当备用路由不足时通过已有路由进行瞬时冗余度恢复来恢复可靠度。本方法在实时流调度算法中加入永久冗余度和瞬时冗余度，通过离线调度与在线调度结合的方式提高了网络系统在运行时的实时性与可靠性。实时性与可靠性。实时性与可靠性。

【技术实现步骤摘要】
面向IEEE 802.1 TSN时间感知整形器的容错调度方法


[0001]本专利技术属于网络资源调度
，涉及一种面向IEEE 802.1 TSN时间感知整形器的容错调度方法。

技术介绍

[0002]随着智能制造与无人驾驶的发展，工业互联网中需要连接的设备急剧增加，传统的总线结构如CAN无法满足数据传输带宽的需求，增加了软件系统与网络系统的设计难度与生产成本。传统以太网拥有的传输速率，但是无法满足工业互联网对于确定性与实时性的需求，因此IEEE在以太网协议的基础上推出了TSN协议，通过全局时钟同步和时间敏感整型器保证实时流在以太网上的确定性与实时性传输。
[0003]在TSN运行的场景中环境干扰会使网络中的链路暂时或永久性失效，导致实时流传输失败，无法保证网络系统的实时性与可靠性。差错重传技术可以检测到暂时性失效，但是重传机制引入了不确定性破坏了实时性，并且无法解决永久性失效。
[0004]虽然目前已经有关于TSN容错的技术，TSN协议中也给出了FRER协议通过空间进行容错，但是大多数容错技术只使用空间冗余或只使用时间冗余，而没有将两者结合使用。
[0005]目前的技术基本只在离线调度阶段通过时间或空间冗余进行容错，没有有效的手段在运行时发生永久性故障时通过在线调度对空间和时间冗余进行恢复以保证系统继续安全运行。

技术实现思路

[0006]针对现有技术在TSN实时调度上缺少将离线容错调度与在线容错调度结合的容错调度技术以及在网络系统发生故障时不能实时恢复网络系统可靠性的不足，本专利技术的目的是提供一种面向IEEE 802.1TSN时间感知整形器的容错调度方法。
[0007]本专利技术提供一种面向IEEE 802.1 TSN时间感知整形器的容错调度方法，包括：
[0008](a)离线容错调度阶段：
[0009]步骤1：获取实时流的属性和网络系统的硬件属性，根据这些属性计算实时网络系统的超周期并初始化链路占用情况记录与输出端口等待队列占用情况记录；
[0010]步骤2：为每条实时流计算出多条候选路由并在其中选择用来进行下一步离线流调度的冗余路由和用于在发生故障时进行流恢复的备用路由；
[0011]步骤3：将实时流的属性和其对应的冗余路由作为已知量与网络系统的硬件属性一起构造出一个离线ILP优化问题并使用求解器求解得到调度的最优解；
[0012](b)在线可靠度恢复调度阶段：
[0013]步骤4：当检测到链路故障时，筛选出由于链路故障导致传输受影响的所有实时流，回收这些实时流受影响的冗余路由上的所有占用资源，更新在当前硬件属性下仍能作为候选的备用路由；
[0014]步骤5：按传输受影响的所有实时流的传输周期升序排序，循环执行步骤6
‑
8进行
每个实时流的在线路由选择和在线流调度；
[0015]步骤6：计算受影响的实时流的所有备用路由的端到端传输延迟上界，选择延迟上界最小的备用路由作为下一步在线流调度的输入，如果没有备用路由则执行步骤8；
[0016]步骤7：使用在线流调度算法对受影响的实时流的备用路由进行实时流的调度，若调度成功实时流的永久冗余度恢复，更新调度和资源占用即结束该实时流的恢复操作，否则进入下一步；
[0017]步骤8：选出无法恢复永久冗余度的实时流中仍可用已调度的路由，进行瞬时冗余度恢复。
[0018]在本专利技术的面向IEEE 802.1 TSN时间感知整形器的容错调度方法中：
[0019]实时流属性包括：源节点、目的节点、传输周期、传输数据大小、流的优先级、永久冗余度需求和瞬时冗余度需求；
[0020]网络系统硬件属性包括：网络系统中的终端节点、交换机、连接终端节点和交换机的链路、每条可用链路上各个方向传输信息的速度。
[0021]在本专利技术的面向IEEE 802.1 TSN时间感知整形器的容错调度方法中，所述步骤2具体包括：
[0022]步骤2.1：根据每条实时流的源节点与目的节点使用广度优先搜索生成所有经过链路数小于等于5的候选路由P
i
；
[0023]步骤2.2：计算每条候选路由的负载均衡度量值；
[0024]步骤2.3：根据度量值升序选择前条候选路由作为进行下一步离线流调度的冗余路由，其它路由保存作为在发生故障时进行流恢复的备用路由，优先对优先级高周期短的流进行路由选择；为永久冗余度需求。
[0025]在本专利技术的面向IEEE 802.1 TSN时间感知整形器的容错调度方法中，所述步骤2.2中根据下式计算每条候选路由的负载均衡度量值：
[0026][0027]其中，NH
min
为该实时流所有候选路由中跳数最少值；NH
in
为当前计算度量值的路由的跳数；为正在计算度量值的路由的所有途经链路中剩余带宽量最小的链路的剩余带宽量，即当前路由中链路瓶颈的剩余带宽；为所有候选路由中链路瓶颈剩余带宽最大的值。
[0028]在本专利技术的面向IEEE 802.1 TSN时间感知整形器的容错调度方法中，所述步骤6中根据下式计算端到端传输延迟上界：
[0029][0030]其中，CP
i
＝{CP
i1
,CP
i2
,
…
,CP
in
}为受影响的实时流f
i
的所有备用路由的集合，为实时流在CP
in
的链路[v
a
,v
b
]上的延迟上界；
[0031][0032]公式(3)是一个迭代计算式，其迭代初始值为不断计算更新迭代值直到收敛或是超出截止期；是受影响的实时流f
i
在链路[v
a
,v
b
]上的链路传输时间；
[0033][0034]其中，I
s
(i,Δ,v
a
)是受影响的实时流f
i
由于实时流之间的链路冲突进行的等待上界，是所有经过[v
a
,v
b
]的已调度实时流，Δ为任意一段时间在计算时带入当前迭代值；T
j
是已调度的实时流f
j
的传输周期，是已调度的实时流f
j
在链路[v
a
,v
b
]上的链路传输时间；
[0035][0036]其中，I
o
(i,Δ,v
a
)是受影响的实时流f
i
由于实时流之间的输出端口等待队列冲突进行的等待上界，Q
i
为f
i
的优先级，Q
j
为f
j
的优先级。
[0037]在本专利技术的面向IEEE 802.1 TSN时间感知整形器的容错调度方法中，所述步骤7具体为：
[0038]步骤7.1：根据要恢复可靠度的实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向IEEE 802.1TSN时间感知整形器的容错调度方法，其特征在于，包括：(a)离线容错调度阶段：步骤1：获取实时流的属性和网络系统的硬件属性，根据这些属性计算实时网络系统的超周期并初始化链路占用情况记录与输出端口等待队列占用情况记录；步骤2：为每条实时流计算出多条候选路由并在其中选择用来进行下一步离线流调度的冗余路由和用于在发生故障时进行流恢复的备用路由；步骤3：将实时流的属性和其对应的冗余路由作为已知量与网络系统的硬件属性一起构造出一个离线ILP优化问题并使用求解器求解得到调度的最优解；(b)在线可靠度恢复调度阶段：步骤4：当检测到链路故障时，筛选出由于链路故障导致传输受影响的所有实时流，回收这些实时流受影响的冗余路由上的所有占用资源，更新在当前硬件属性下仍能作为候选的备用路由；步骤5：按传输受影响的所有实时流的传输周期升序排序，循环执行步骤6
‑
8进行每个实时流的在线路由选择和在线流调度；步骤6：计算受影响的实时流的所有备用路由的端到端传输延迟上界，选择延迟上界最小的备用路由作为下一步在线流调度的输入，如果没有备用路由则执行步骤8；步骤7：使用在线流调度算法对受影响的实时流的备用路由进行实时流的调度，若调度成功实时流的永久冗余度恢复，更新调度和资源占用即结束该实时流的恢复操作，否则进入下一步；步骤8：选出无法恢复永久冗余度的实时流中仍可用已调度的路由，进行瞬时冗余度恢复。2.如权利要求1所述的面向IEEE 802.1TSN时间感知整形器的容错调度方法，其特征在于：实时流属性包括：源节点、目的节点、传输周期、传输数据大小、流的优先级、永久冗余度需求和瞬时冗余度需求；网络系统硬件属性包括：网络系统中的终端节点、交换机、连接终端节点和交换机的链路、每条可用链路上各个方向传输信息的速度。3.如权利要求1所述的面向IEEE 802.1TSN时间感知整形器的容错调度方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤2.1：根据每条实时流的源节点与目的节点使用广度优先搜索生成所有经过链路数小于等于5的候选路由P
i
；步骤2.2：计算每条候选路由的负载均衡度量值；步骤2.3：根据度量值升序选择前K
ip
条候选路由作为进行下一步离线流调度的冗余路由，其它路由保存作为在发生故障时进行流恢复的备用路由，优先对优先级高周期短的流进行路由选择；K
ip
为永久冗余度需求。4.如权利要求3所述的面向IEEE 802.1TSN时间感知整形器的容错调度方法，其特征在于，所述步骤2.2中根据下式计算每条候选路由的负载均衡度量值：
其中，NH
min
为该实时流所有候选路由中跳数最少值；为当前计算度量值的路由的跳数；为正在计算度量值的路由的所有途经链路中剩余带宽量最小的链路的剩余带宽量，即当前路由中链路瓶颈的剩余带宽；为所有候选路由中链路瓶颈剩余带宽最大的值。5.如权利要求1所述的面向IEEE 802.1TSN时间感知整形器的容错调度方法，其特征在于，所述步骤6中根据下式计算端到端传输延迟上界：其中，CP
i
＝{CP
i1
,CP
i2
,
…
,CP
in
}为受影响的实时流f
i
的所有备用路由的集合，为实时流在CP
in
的链路[v
a
,v
b
]上的延迟上界；公式(3)是一个迭代计算式，其迭代初始值为不断计算更新迭代值直到收敛或是超出截止期；是受影响的实时流f
i
在链路[v
a
,v
b
]上的链路传输时间；其中，I

【专利技术属性】
技术研发人员：邓庆绪，于海川，冯智伟，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：