技术特征：
1.一种基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，包括调度信息模块、调度模块和并行缓存模块；所述调度信息模块维护整个交换架构的数据信息和状态信息，包括地址查找表，流信息表，并行缓存管理表，调度表和信息元组合器；所述调度模块将信息元组合器得到的信息元进行输入排序，并提取输出流信息；所述并行缓存模块包括并行缓存和缓存管理器，管理数据流的存储。2.如权利要求1所述的基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，首先选择一个tsn协议，配置流信息表和每个端口的调度表；之后将流信息表和调度表下发到每个交换节点；最后开始数据调度。3.如权利要求1所述的基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，通过选择不同的调度算法计算每个数据流的排序值；时间敏感(ts,time sensitive)流的排序值与到达时间有关，非ts流的排序值与优先级有关。4.如权利要求1所述的基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，所述地址查找表根据数据流的目的地址找出目的输出端口；所述流信息表包含每个ts数据流的入队编号和排序值；所述并行缓存管理表记录并行缓存的使用情况；所述调度表配置在每个输出端口，调度流的传输，保证ts流的确定性传输；所述信息元组合器每当有数据输入时，从地址查找表中获得输出端口编号，从并行缓存管理表中获得流的缓存编号，从流信息表中获得入队编号和排序；之后将以上信息组合起来作为一个数据流的信息元发送给调度模块。5.如权利要求1所述的基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，所述并行缓存管理表包含空闲缓存表和尽力而为(be,best effort)流缓存表；所述空闲缓存表保存当前未占用的并行缓存编号；所述be流缓存表包含当前未发送be流的缓存编号；当有ts流输入时，如果空闲缓存表为空时，则允许ts流抢占未发送be流的内存。6.如权利要求1所述的基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，所述调度表包含端口号、入队编号、流排序表和当前端口输出队列编号；所述流排序表为所有数据流的信息元按照其排序值由小到大排列的有序列表，输出队列编号为当前端口选择发送的队列。7.如权利要求1所述的基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，所述调度模块根据ieee 802.1q识别数据流类型，并将数据流信息元分配到相应虚拟队列；所述调度模块根据发送队列编号选择将相应数据流转发到输出端口；所述调度模块包括以下步骤：步骤7.1、获取信息：当有输入或输出请求时，调度模块首先获取该端口的流排序表，以及输入信息和输出信息；将这些信息暂存在入队缓存表或出队缓存表中；步骤7.2、入队排序和出队排序：对于入队排序操作，调度模块根据输入信息元的排序值计算入队位置；得到的新排序表存放在入队排序表中；对于出队排序操作，调度模块获取所有虚拟队列号等于发送队列号的信息元，并提取出其中排序值最小的作为出队信息元；输出端口通过该信息元的缓存编号来获取要从并行缓存中提取和发送的数据；得到的信排序表存放在出队排序表中；步骤7.3、仲裁：判断当前的入队和出队操作是否是同一个端口；如果是，则将入队排序列表和出队排序列表结合起来，即从入队排序列表中移除出队元素，得到新的流信息列表
即为最终的流排序表；如果入队操作和出队操作是不同的输出端口，则保留入队排序列表和出队排序列表；步骤7.4、更新排序表：根据仲裁的结果更新输出端口的流信息列表。8.如权利要求1所述的基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，所述并行缓存模块，暂存不能立即传输的数据流，所有类型的流量共享全部缓存。9.如权利要求1所述的基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，所述缓存管理器，根据数据流类型和并行缓存管理表管理数据流的存储；所述缓存管理器包括以下步骤：步骤9.1、申请缓存：当数据流到达交换机时，缓存管理器立即查找并行缓存管理表；如果并行缓存管理表中的空闲缓存表不为空，则取出其中的一个缓存编号分配给数据流；如果空闲缓存表为空，说明此时所有的缓存都被占用；若此时输入的为ts流，则缓存管理器将丢弃be流缓存表中的一些be流来存储ts流；若此时输入的为be流，则将其丢弃，不进行缓存；步骤9.2、存储数据：数据流首先被缓存到输入端口fifo中；用于跨时钟域数据处理和数据暂存，直到分配的并行缓存可用；之后数据流将从输入端口fifo传输到分配的缓存中；步骤9.3、更新并行缓存管理表：所有未发送的be流的内存编号存储在be流缓存表中；当有be流开始发送时，其缓存编号将从be流缓存表中删除；步骤9.4、归还缓存：输出端口根据调度结果从并行缓存中取出数据流进行发送；发送完成后，将该缓存编号归还到空闲缓存表中，以供后续存储使用。10.如权利要求1所述的基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，其特征在于，将数据流的存储管理和调度机制分离设计，通过并行缓存管理模块解决多个数据流同时存储到同一内存空间造成的冲突问题。
技术总结
本发明公开了一种基于虚拟队列的时间敏感网络交换架构，涉及工业自动化领域领域。包括调度信息模块、调度模块和并行缓存模块；调度信息模块维护整个交换架构的数据信息和状态信息；调度模块将信息元进行输入排序，并提取输出流信息；并行缓存模块管理数据流的存储。本发明构建一种灵活的交换架构，使调度策略不受固定队列的限制，从而灵活满足多种类型的调度需求；每个端口的各类数据流能够共享全部的存储资源，提高资源利用率和应对突发流量的能力；构建调度模块，使其能够根据不同的调度策略下正确快速的排序各类数据流，且不需要根据不同的调度策略搭建多层调度架构，降低调度复杂性。度复杂性。度复杂性。
技术研发人员：许齐敏 郧绮雯 陈彩莲 陈营修 张延洲 关新平
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2021.10.12
技术公布日：2021/12/21