[发明专利]一种时间敏感网络门控机制流量整形与路由规划调度方法

说明书

本发明公开了一种时间敏感网络门控机制流量整形与路由规划调度方法，涉及有线通信网络技术领域。根据实时需求和优先级的高低先对周期性的TC流进行路由和传输联合调度，在不影响TC流确定性实时传输的前提下再进行非TC流的通信传输调度；根据TC队列GCL设计以及GCL循环空闲时段规划，生成各个交换机端口输出队列GCL，并基于TC流和非TC流的最优通信传输路径集，生成混合流量传输的最优联合调度方案，通过相关的配置软件生成交换机端口和终端设备的配置文件，配置到各个交换机以及终端设备上。本发明在保证具有不同实时需求的多周期TC流确定性实时传输前提下，尽可能提高非TC流的通信传输性能，避免通信资源浪费以及可调度解空间下降问题。

技术领域

本发明涉及有线通信网络技术领域，尤其涉及一种时间敏感网络门控机制流量整形与路由规划调度方法。

背景技术

近年来，在航空航天、汽车和工业自动化等领域中，对时间关键数据流(TimeCritical，TC)的确定性实时通信需求越来越高，传统以太网技术由于“尽力而为”特性难以满足需求。目前市场中以EtherCAT、Profinet等为核心的实时通信技术得到了全面推广，但是这些实时以太网技术都具备各自的专用机制，使得在工作状态下彼此不兼容，限制了实时以太网的进一步发展。为此，IEEE 802.1工作组希望提出一种能够连接来自不同供应商的工业设备的通用通信协议，以实现QoS(Quality of Service)异构数据的确定性实时传输。TSN(Time Sensitive Networking)技术进入了产业视野，它提供了与当前工业以太网协议匹配或超过该协议性能的实时连接功能，并且还增加了IEEE标准的灵活性。TSN由一系列子标准构成。其中，IEEE 802.1Qbv和IEEE802.1AS-Rev是保证TC流确定性实时通信的核心子标准，IEEE 802.1Qbv定义了一种可编程的门控机制，使用时间传输门和门控列表来确定交换机端口哪些队列用于传输，又称为时间感知整形器(Time-aware Shaper，TAS)。值得注意的是，为了保证TAS部署成功，所有设备需要基于IEEE 802.1 AS-Rev实现时钟同步。然而，虽然IEEE802.1Qbv规定了门控机制的行为，但是如何调度配置以实现TC流的确定性延迟和有界抖动是极具挑战性的。

针对TSN网络中TC流的确定性实时传输调度问题，目前最常用的建模方法主要是整数线性规划(Integer linear programming，ILP)方法和可满足性模块理论(Satisfiability Modulo Theories，SMT)方法。ILP方法和SMT方法都是通过构造一系列约束以实现TC流的确定性实时通信传输，两者之间最大的不同就是SMT方法构造的约束表达式是具有相应理论背景的一阶逻辑公式。值得注意的是，在复杂网络拓扑中，传输调度的前提是需要明确各个TC流的传输路径，但是现有的研究大多提前给定各个TC流的传输路径，这不仅会减小可调度解空间，使得不能获取全局最优解，还可能导致一个可调度系统得到不可调度的解。

此外，在TSN网络中除了传输TC数据，还需要传输BE(Best Effort)和RC(RateConstrain)数据，TC数据一般都是周期性数据，具有高优先级，数据量小以及高实时、确定性通信需求，而BE和RC数据大多都是非周期型数据，优先级较低，没有严格的实时通信要求。TSN网络的核心诉求就是周期性关键数据和非周期性数据在同一个网络中传输，但是如何结合TSN技术在保证周期性TC流的确定性实时通信前提下，尽可能提高非周期数据通信性能，是一个极具挑战性的问题。