面向TSN网络CBS流控机制基于解析的最小带宽配置方法

本发明涉及航空电子系统上的tsn网络，更具体来说，是指一种面向tsn网络cbs流控机制基于解析的最小带宽配置方法。

背景技术：

1、机载网络用于实现航空电子系统上的各个设备的连通，是航空电子系统的重要组成部分。机载网络对数据传输的容量、实时性和可靠性等方面提出了更高的需求。时间敏感网络(time-sensitive networking，tsn)作为当前“准时、准确”的端到端传输候选协议，已经引起了航空业界的广泛关注。在tsn协议簇中，基于信用量整形(credit based shaper，cbs)机制的最小带宽预留配置问题是保证tsn网络确定性传输的核心，然而，如何高效快速地确定网络关键配置参数，以满足时间关键性流量的延迟边界保障需求，仍然是一个开放性的问题。

2、基于信用的整形技术cbs(credit-based shaper)，最初是用于以太网实时传输音视频信号期间信息流的缓冲，解决突发的多媒体数据流导致的缓冲拥堵造成的丢包。

3、在协议识别标签(tag protocol identifier)为0x8100，标识以太网支持802.1q标签，可以提供vlan和qos服务；3位pcp(priority code point)码定义了8个优先级：0级最低，用于传统的尽力传输的流量；7级最高，可用于关键路由或网管功能(流量类型等级划分参考2022年1月第39卷第1期《微电子学与计算机》公开的“时间敏感网络流量整形技术综述”，作者：张磊，王盼盼)。tsn网络会通过优先级来区分网络流量的重要程度，并根据不同的应用场景进行流量调度和网络配置。

4、现代实时网络和实时嵌入式系统等系统内的数据交换类型日益复杂、数据量迅速增长，因而面向具有实时通信需求的通信平台的内部设计变得越来越复杂。下一代以太网技术时间敏感网络不但具备高传输带宽、高兼容性的特点，还支持低延迟、低抖动的确定性传输特点的实时通信。然而，保证tsn网络实时通信的前提与保障在于基于其子协议的网络合理配置，现有大量的传统配置方法主要通过配置优化结合实时性能评估反馈，以保证实时性系统网络的可调度性能需求。然而这种基于实时性能后验的配置方法需要分析整个tsn网络搜索空间的所有配置方案，因而非常耗时。

5、目前，cbs技术尽管结合预留协议(srp，ieee 802.1 qat)可以为流量灵活地提供所需的最大带宽，然而采用方法仅提供避免流量过载的最低要求，而无法保证实时性能需求。带宽分配一直以来都是航空电子系统上实时通信设计的关键所在，预留带宽过剩会导致系统资源的浪费，但是预留带宽过少又会导致系统的实时性能下降甚至造成系统崩溃。

技术实现思路

1、为了解决航空电子系统上面向tsn网络中cbs带宽预留配置存在的实时性保障缺失与配置复杂度较高的技术问题，本发明提出了一种面向tsn网络cbs流控机制基于解析的最小带宽配置方法。首先对cbs的流控机制进行了改进；然后应用改进的cbs进行不同优先级的流量类型的最小预留带宽配置；最后在延迟保障前提下，对交换机上各个节点端口进行流量调度，从而实现航空电子系统在较低网络资源下达到实时稳定数据流传输。

2、本发明的目的之一是提出一种改进的cbs流控机制。cbs流控机制的带宽分配改进的技术方案为：

3、在本发明中，航空电子系统中设备的任意一节点端口上的服务曲线记为：

4、

5、表示在传输时间t里节点端口h上第i优先级数据流的服务曲线。

6、t表示数据流的传输时间。

7、表示服务曲线的斜率，即端口预留带宽。

8、表示第i优先级数据流的信用值上界。

9、在本发明中，网络流量在源终端以及交换机节点上的流量延迟记为：

10、

11、h表示任意一节点端口。

12、η表示任意一参考端口。

13、i表示流量类型的任意一优先级。

14、f表示任意一数据流。

15、f表示数据流的总条数。

16、表示节点端口h上第i优先级数据流的流量传输延迟。

17、表示参考端口η上第i优先级数据流的流量传输延迟。

18、表示对应的源终端上传输数据流f的流量速率。

19、表示在参考端口η对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量速率之和。

20、表示当前端口h对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量速率之和。

21、表示对应的源终端上传输数据流f的流量突发度。

22、表示在参考端口η对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量突发度之和。

23、表示在当前端口h对应的源终端上所有第i优先级数据流的流量突发度之和。

24、表示在传输数据流f的路径上，且在到达节点端口h之前数据流f所经过的所有端口，简称为流经的所有端口。

25、表示流经的所有端口的流量延迟之和，简称为流经端口－流量延迟之和。

26、在本发明中，无整形约束下最高优先级i＝1的数据流的最小端口预留带宽记为：

27、

28、表示节点端口h上最高优先级的所有数据流的服务曲线的斜率。

29、c表示物理链路速率。

30、表示在节点端口h上最高优先级的所有数据流的流量突发度之和。

31、表示节点端口h上最高优先级的数据流的最大流量传输延迟。

32、表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧。

33、在本发明中，无整形约束下第i＝2优先级数据流的最小端口预留带宽记为：

34、

35、表示节点端口h上第i＝2优先级所有数据流的服务曲线的斜率。

36、表示在节点端口h上第i＝2优先级所有数据流的流量突发度之和。

37、表示节点端口h上第i＝2优先级数据流的最大流量传输延迟。

38、c表示物理链路速率。

39、表示节点端口h上高优先级j的所有数据流的服务曲线的斜率。

40、表示在节点端口h上所有高优先级j的数据流的服务曲线斜率之和。

41、表示节点端口h上高优先级j数据流的流量最大帧。

42、表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧。

43、同理在无整形约束下i＝3、i＝4、i＝5、i＝6、i＝7与公式(4)相同方法处理。

44、在本发明中，有整形约束下最高优先级i＝1的数据流的最小端口预留带宽记为：

45、

46、表示节点端口h上最高优先级i＝1的所有数据流的服务曲线的斜率。

47、表示在节点端口h上最高优先级i＝1的拐点坐标。

48、表示节点端口h上最高优先级i＝1的数据流的最大流量传输延迟。

49、表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧。

50、c表示物理链路速率。

51、在本发明中，有整形约束下第i＝2优先级数据流的最小端口预留带宽记为：

52、

53、表示节点端口h上第i＝2优先级所有数据流的服务曲线的斜率。

54、表示在节点端口h上第i＝2优先级数据流的拐点坐标。

55、表示节点端口h上第i＝2优先级数据流的最大流量传输延迟。

56、表示节点端口h上高优先级j的所有数据流的服务曲线的斜率。

57、表示在节点端口h上所有高优先级j的数据流的服务曲线斜率之和。

58、表示节点端口h上高优先级j数据流的流量最大帧。

59、表示在节点端口h上所有低优先级k的数据流的采样流量的最大帧。

60、c表示物理链路速率。

61、同理在有整形约束下，i＝3、i＝4、i＝5、i＝6、i＝7与公式(6)相同方法处理。

62、本发明的目的之二是提出一种面向tsn网络cbs流控机制基于解析的最小带宽配置方法。首先获取航空电子系统的tsn网络流量的关联信息，然后对交换机的各个节点端口计算每条流量的长期到达速率和到达突发信息。其次通过综合考虑流量在节点端口的长期到达速率、流量沿路由的聚合与分离、流量端到端的截止期限需求，按流量优先级类型选择参考终端，并构建其它节点与该参考终端节点延迟边界分解的关系，根据不同优先级队列的延迟计算各个节点端口的分解延迟；最后根据节点端口延迟上限分解信息，在考虑有无链路和cbs整形约束情况下，构建网络节点端口延迟保证下不同优先级的最小带宽分配。本发明对流量的端到端延迟进行端口分解，提出一种快速且可扩展的基于延迟感知的最小带宽预留方法。

63、与传统方法相比本发明的技术效果在于：现在大部分的带宽分配问题都属于配置优化问题，其实时性能的保证均基于专门的性能评估模型结果进行反馈，因而在计算量上是非常庞大的，暂时没有有效的方法在保证流量实时需求的同时有效的配置关键参数。本发明提出了一种针对tsn网络基于信用整形器cbs的排队调度策略下任意sr类别在保证流量延迟截止期限前提下的最小带宽分配方法。通过将每一条流量的延迟截止期限分解到每一个端口，并且基于端口的分解延迟求解每个sr类的流量预留最小的带宽。该发明不仅保证了所有受cbs调度的音视频桥接(avb)流量的延迟截至期限要求，而且由于该方法为基于网络演算模型的先验解析方法，不需要遍历参数的整个求解空间因而显著降低了计算复杂度。