一种时间敏感网络混合流量协同传输方法

本发明属于工业互联网中时间敏感网络，涉及一种时间敏感网络混合流量协同传输方法。

背景技术：

1、以智能制造为核心的产业变革的兴起，使工业信息系统与互联网的全面融合连接成为必然的发展趋势。为了降低布线成本，打破信息之间的壁垒，势必需要在通用物理介质中传输不同时间敏感性的数据。而传统的现场总线和工业以太网(如ttethernet,ethercat,profinet等)往往互不兼容，为此ieee 802.1小组提出了时间敏感网络(time-sensitive network,tsn)概念，致力于建立一个统一标准的数据链路层协议，实现时间敏感流量和尽力而为流量的共网传输，同时为工业通信提供了高可靠性、低时延和低抖动等性能保障。

2、流量整形与调度是tsn研究中的核心内容之一，通过一定的调度算法在所有交换机出端口确定每个数据帧的传输时间和顺序，保证所有帧在出口链路上依次传输而不发生冲突，并满足流量各自的延时、抖动等性能要求。针对时延确定性问题，ieee 802.1小组也提出了很多tsn标准。比如ieee 802.1qbv标准中提出了时间感知整形机制(time-awareshaper,tas)，为高时间敏感流提供时延保证；ieee 802.1qch标准定义的循环排队转发机制(cyclic queuing and forwarding,cqf)可以较好的解决帧传输的有界延时问题。但是这些都聚焦于时间敏感流而忽视了be流的性能。

3、由于be流量尽力而为的传输特性，因此其性能需求往往不被考虑，这也使得混合流量的最终传输效果并不理想。同时目前的研究大多集中在高优先级的时间敏感流量调度上，对于不同类型流量的混合传输协同调度研究较少，因此有必要面向多种类型流量混合传输的工业现场，提出混合流量协同传输方法，实现混合流量的共网传输。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对工业互联网中不同实时性要求的流量混合传输的问题，提出一种时间敏感网络混合流量协同传输方法，通过不同流量队列开关的交替开启，保障混合流量的共网传输。同时，有效解决了低优先级的be流长时间得不到传输造成的饥饿。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种时间敏感网络混合流量协同传输方法，该方法包括以下步骤：

3、s1，将网络中对于传输时延有确定性要求的周期性流量定义为周期性时间敏感流pts；将网络中对于传输时延有确定性要求的非周期性流量定义为非周期性时间敏感流sts；其它的流量定义为非时间敏感流be；

4、s2，建立交换机输出端口的混合流量协同传输模型，所述混合流量协同传输模型由优先级过滤器、队列管理器和传输选择器三部分构成；

5、所述优先级过滤器采用8个优先级，优先级从0到7依次递增；每一个优先级唯一地对应一个队列，所述传输模型中共有8个队列；

6、所述队列管理器维护着一个门控列表，所述门控列表用于控制pts、sts和be这三种流的开关，任意时刻三个开关中只能有一个处于开启状态，表示所对应的流可以发送；所述队列管理器周期性地交替开启pts、sts和be的开关；开关的交替周期t由链路带宽bw、最大队列深度depth以及网络处理时延processdelay共同确定；

7、s3，优先级过滤器对等待调度的数据流进行入队操作，将队列7分配给pts流，将队列5和6分配给sts流，将队列0、1、2、3、4分配给be流；

8、s4，以t为周期，队列管理器轮询处理pts、sts和be流，当pts流的开关开启时，进入s5；当sts流的开关开启时，进入s6；当be流的开关开启时，进入s7；

9、s5，根据先到先服务的原则，从队列7的首部连续取出n个数据包放到输出队列，从当前队列取出的n个数据包表示为p1，p2，...，pn，令len(pi)代表数据包pi的字节数，那么n需要满足以下公式：

10、且

11、s6，在队列5和6之间交替传输，从其中一个队列首部取出n1个数据包转移至输出队列，并在下一次轮询时机到来时，从另一个队列首部取出n2个数据包转移至输出队列；其中n1和n2的计算方法和pts周期中n的计算方法相同；

12、s7，通过加权轮询机制对be流所对应的队列0、1、2、3、4进行加权排序，具体步骤如下：

13、s71，每个be队列流量的特征参数用五元组<p,w,c,l,s>表示，其中p表示优先级，p∈[0,4]；w表示权重；c表示本轮传输的数据包字节数；l表示数据流总字节数；s表示当前已经发送的数据流累计字节数；

14、s72，分别为队列0、1、2、3、4初始化w和s，令s＝0，w＝α×(p+1)，其中α是由用户设定的调节因子；

15、s73，对5个队列进行轮询比较，选出w最大的队列作为当前be周期的唯一调度队列并记为queue，从queue首部取出n3个数据包，n3的计算方法和n相同；将这n3个数据包转移至输出队列；

16、s74，更新queue的w和s，先更新s＝s+c，再更新w＝w-α×s/l；

17、s75，当s≥l时，表示该队列传输完成，将该队列的权重w置为0，重新查询除该队列外的w最大的队列，重复s73；当5个队列w均为0时，重新执行s72；

18、s8，传输选择器按照先到先服务的原则，将输出队列的数据发送出去，完成混合流量的协同传输。

19、进一步地，开关的交替周期t的计算公式为：t＝depth/bw+processdelay。

20、进一步地，当流量到达优先级过滤器时，根据流量的pcp码进行优先级分配，从而进入对应优先级的缓存队列中。

21、与现有技术相比，本发明有益效果如下：本发明对不同优先级的流量队列采取不同数量的开关控制，隔绝了不同类型流量之间的相互干扰，解决了混合流量协同传输的问题。同时利用加权轮询算法有效解决了低优先级的be流长时间得不到传输造成的饥饿问题，提高了整体网络性能。

技术特征：

1.一种时间敏感网络混合流量协同传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的时间敏感网络混合流量协同传输方法，其特征在于，开关的交替周期t的计算公式为：t＝depth/bw+processdelay。

3.根据权利要求1所述的时间敏感网络混合流量协同传输方法，其特征在于，当流量到达优先级过滤器时，根据流量的pcp码进行优先级分配，从而进入对应优先级的缓存队列中。

技术总结
本发明公开了一种时间敏感网络混合流量协同传输方法，属于工业网络技术领域。根据混合流量的实时性和周期性分为周期性实时流PTS，非周期性实时流STS和非实时流BE三种类型。通过优先级过滤器根据流量的PCP码将流量分发至8个缓存队列中。通过队列管理器设计的门控列表，周期性地交替开启PTS、STS和BE的开关，实现不同流量的隔离传输，解决了时间敏感网络混合流量协同传输的调度问题。同时对BE流采取加权轮询算法进行调度转发，解决了低优先级数据长时间得不到传输而造成的饥饿现象。

技术研发人员：谢佳平,余长宏,高明,尉铭轩
受保护的技术使用者：浙江工商大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12