一种时延敏感网络中数据对齐方法与流程

本发明属于网络数据对齐领域，尤其涉及一种时延敏感网络中数据对齐方法。

背景技术：

1、时间敏感网络(time-sensitive networking，tsn)是工业4.0的一种很有使用价值的技术，该技术为关键流提供确定的低延迟和高可靠的数据传输服务。时间敏感网络(tsn)使以太网技术能够在具有严格时延限制的关键型系统中使用。例如在汽车环境中，时间敏感网络(tsn)协议能精确地保证汽车以太网关键信号的时间确定性，车载以太网将在下一代车辆网络架构中扮演重要角色。

2、传统的太网在设计时所考虑的问题和现在对网络的需求已有很大差异，传统以太网为数据传输提供尽力而为的服务，已经不能满足新兴业务对服务质量(qos)的严格要求，这给以太网的使用带来了挑战，因为它缺乏对设计确定性行为的支持，然而时间敏感网络(tsn)标准中提供了解决方案，将实时、低延迟和确定性通信引入到以太网生态系统中。

3、时间敏感网络定义了一组向以太网添加确定性低延迟服务的标准，高可靠性是tsn的一个重要基本特征。ieee 802.1cb协议为tsn网络引入frame replication andelimination for reliability(frer)机制，它通过两条不相交路径传输重复数据帧，在目的节点消除一个副本数据，以提高服务可靠性，然而在源节点和目的节点之间找到两条不相交路径并非易事。

4、tsn网络中帧的复制与消除功能，需要通过不同的路径进行数据帧传输，当路径跳数相等时，路径时延相差相对较小，当路径跳数不相等时，路径时延相差相对较大，对于零抖动业务和对抖动要求高的业务，当传输路径发生故障时，原始的帧复制与消除功能不能满足业务抖动要求，那么在满足业务时延要求的前提下，如何保障数据帧在跳数相等或不相等的路径中同时达到目的节点，本专利提出了一种时延敏感网络中数据对齐方法。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明提出一种时延敏感网络中数据对齐方法，该方法通过流量服务质量要求，计算出frame replication and elimination for reliability(ieee 802.1cb)协议中的不相交路径，如图1网络结构示意图所示，其中，包括6个tsn交换机switch1、switch2a、switch2b、switch23b、switch3a、switch3b、1个synsource节点和1个destination节点，synsource节点使用sequence encode function功能模块把序列号编码到数据包，利用stream splitting fuction功能模块对数据包进行复制与分发，通过路径1:synsource-switch1-switch2a-switch3a-destination和路径2：synsource-switch1-switch2b-switch23b-switch3b-destination进行冗余数据的传输，在destination节点使用sequence decode function功能模块对数据包进行解码，使用sequence recoveryfunction功能模块对数据包进行恢复与副本消除。

2、技术方案：为实现本发明的目的，本发明提出一种时延敏感网络中数据对齐方法，该方法包括以下步骤：

3、(1)将底层网络设备连接到控制器，控制器根据设备信息构建底层网络全局视图；

4、(2)当网络中有数据流进行发送时，发送节点将流量请求信息发送给控制器，控制器结合流量请求信息和底层网络全局视图计算出从发送节点到接收节点之间的两条不相交的流传输路径；

5、(3)将控制器计算出的两条流传输路径按链路进行分段，每条链路为一个流片段，如图2所示，所述流片段包括调度时间、到达时间、调度时间信息，流片段之间的连接规则为前一个流片段的调度时间等于后一个流片段的发出时间；

6、(4)把流量信息与流片段信息添加到求解器z3，并把数据流无碰撞约束、端到端时延约束、数据帧对齐约束添加到求解器z3，使用求解器z3对约束进行求解，得出在流片段进行数据转发时所需的时隙信息；

7、(5)控制器通过调用z3求解器的求解结果，获得数据流在相应流片段中的调度时间、到达时间、调度时间，控制器通过netconf协议根据求解结果配置底层数据转发交换机的门控列表；

8、(6)数据流沿数据路径并在门控列表设置中相应的时隙进行数据转发，接收节点同时收到通过不同转发路径发送的多个副本数据包。

9、进一步的，步骤(1)的方法如下：

10、启动互联网中配置网络资源的集中式控制器，并配置底层tsn网络转发设备，使网络转发设备连接到控制器，控制器通过lldp协议获取底层网络的全局视图，用g＝(v,e)表示，其中，v表示节点集合，网络中连接节点的边用集合e表示，连接节点的边包括两个方向的数据链路，用集合l表示：

11、

12、其中，式(1)中(v1，v2)表示节点之间的无向链路连接，[v1，v2]表示从节点v1到节点v2的有向数据链路，[v2，v1]表示从节点v2到节点v1的有向数据链路。

13、进一步的，步骤(2)的方法如下：

14、数据流集合用f表示，网络中的数据流用fi∈f表示，其中，i表示为数据流的编号，对数据流的描述信息表示为：

15、fi＝{fi.period，fi.offset，fi.length，fi.limiteddelay}       (2)

16、式(2)中，fi.period代表数据包的发送周期，fi.offset代表数据包的发送偏移量，fi.length代表数据包的发送大小，fi.limiteddelay代表数据包的时延要求；

17、数据流传输路径使用集合p表示，数据流fi∈f的路径fi(path1),fi(path2)由控制器结合流量信息和底层网络拓扑计算获得，fi(path1)路表示数据流fi∈f的第一条路径，fi(path2)路表示数据流fi∈f的第二条路径，路径fi(path1),fi(path2)由多个有向链路组成，共同表示如下：

18、{[v1，v2]，[v2，v3]，...，[vx-1，vx]，...，[vn-1，vn]}  (3)

19、式(3)中，[vx-1，vx]∈l，[vx-1，vx]表示从vx-1节点到vx之间的有向数据链路，多个有向链路构成服务数据流的传输路径。

20、进一步的，步骤(3)的方法如下：

21、(3.1)在数据流进行对齐时，首先需要对流按链路信息进行分段，流片段示意图如图2所示，每条数据流路径被分成流多个流片段，流片段中dt代表数据包的离开时间，流片段中at代表数据包的到达时间，流片段中st代表数据包的调度时间，数据流片段的集合使用se表示。用表示数据流fi∈f在链路[vx-1，vx]∈l上的流片段，则流片段的离开时间为到达下一个节点的时间为服务数据包在下一个节点被调度的时间为

22、(3.2)服务流片段之间的连接通过设置前一个节点的调度时间等于后一个节点的离开时间来实现，任意一条数据流fi，在相邻的两个流片的链路[vm，vx]、[vx，vy]上进行数据传递时，流片段需相互连接：

23、

24、式(4)中，表示数据流fi∈f在链路[vm，vx]∈l上的流片段，表示数据流fi∈f在链路[vx，vy]∈l上的流片段，表示为流片段的调度时间，表示为流片段的离开时间，表示相邻两个流片段中前一个流片段的调度时间等于后一个流片的离开时间；

25、进一步的，步骤(4)的方法如下：

26、(1)无碰撞约束

27、不同的两条数据流用fi和fj表示，在任意一条链路上同一时间内只允许一条数据流的数据帧进行发送，否则将发生碰撞：

28、

29、式(5)中，vm表示链路的头节点，vx表示链路的尾节点，fi.period表示数据流fi的数据据包发送周期，用表示数据流fi∈f经过链路[vm，vx]，表示数据流fi的数据包在链路[vm，vx]的发送偏移量，fi.length表示数据流fi的数据包大小，fj.period表示数据流fj的数据据包发送周期，用表示数据流fj经过链路[vm，vx]，表示数据流fj的数据包在链路[vm，vx]的发送偏移量，fj.length表示数据流fj的数据包大小，f.period表示所有流量的周期，lcm(f.period)为所有服务数据流周期的最小公倍数，α与β表示为在所有服务数据流周期的最小公倍数中所包含该流周期的个数。

30、(2)端到端时延约束

31、任意一条数据流fi，用表示数据流fi的最后一个流片段的尾节点到数据流fi目的节点fi.destination的链路传播时延，端到端的时延约束为：

32、

33、式(6)中，表示数据流fi的第一个流片段，表示数据流fi的第一个流片段的离开时间，表示数据流fi的最后一个流片段，表示数据流fi的最后一个流片段调度时间，为数据流fi的最后一个流片段的尾节点，fi.destination为数据流fi的目的节点，fi.limiteddelay表示为数据流fi的端到端时延要求；

34、(3)数据帧对齐约束

35、从发送节点到目的节点的数据帧对齐约束为：

36、

37、式(7)中，path(fi)表示数据流fi的所有传输路径，包括fi(path1),fi(path2)两条路径，fi(pathq)表示数据流fi从发送者到目的地的第q条路径，q＝1或2；

38、表示数据流fi的第q条路径的最后一个流片段的尾节点，fi.destination为数据流fi的目的节点，表示数据流fi的在第q条路径中最后一个流片段的尾节点到数据流fi目的节点fi.destination的链路传播时延，表示数据流fi的在第q条路径中最后一个流片段的调度时间。

39、有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

40、对时延敏感网络中ieee 802.1cb协议的帧复制与消除机制进行了增强，使通过不同路径传输的数据帧副本同时到达接收节点，当传输路径发生故障，接收数据发生路径切换时，依然可以保障零抖动，进而使时延敏感网络支持零抖动业务或对抖动要求高的业务，进一步增强了时延敏感网络的可靠性。