[发明专利]一种应用于TSN网络的冗余流调度方法

说明书

本发明公开了一种应用于TSN网络的冗余流调度方法，包括：确定TSN网络拓扑；确定待调度流的集合；初始化调度表参数；对已有路由集合进行排序；按顺序调度路由集合中每条端到端路由。本发明在调度冗余流时：将超周期被划分为若干个时间片，每个时间片的长度刚好能够容纳一个最小数据帧，调度以时间片为最细粒度进行，以提高调度计算效率；优先调度长路由，当短路由与长路由发生交叠时，允许在一定时间范围内延迟短路由的时间段来复用长路由已经分配好的时间片，以提高时间资源利用率。

技术领域

本发明涉及TSN网络调度的研究领域，特别涉及一种应用于TSN网络的冗余流调度方法。

背景技术

流(Stream)是TSN(Time Sensitive Networking)标准中的核心抽象。TSN标准对流的定义是一种从单源点到多终点的单向数据流，它的每周期最大数据发送长度和周期长度是固定的。每个TSN流都是用独一无二的流ID索引，它是一个64位的非负整数，其中高48位是源点的MAC地址，低16位是一个独一无二的无符号整数。流能够承载一个或多个TSN数据帧。

时间是TSN网络的核心概念。传统以太网网络设备没有时间的概念，可靠地交付数据比在特定时间内交付更重要，因此对延迟或同步精度没有限制。但是，即使平均跳跃延迟非常低，网络抖动也可能使得个别延迟非常的高。网络拥塞是通过在传输层限制和重传丢弃的数据包来处理的，但是没有办法防止链路层的拥塞。TSN标准是一系列技术标准的集合，其中关于多网络设备时间同步和定时的技术规范由IEEE 802.1AS标准定义。

一些实时以太网实现采用优先级和VLAN标记来分离实时流量和尽力而为的流量。TSN标准对实时流量类做了进一步区分，分为适用于软实时应用的音视频桥接(Audio-Video-Bridging，AVB)类型和适用于硬实时应用的控制数据流量(Control Data Traffic，CDT)类型。前者在IEEE 802.1Qav标准中定义，后者在IEEE 802.1Qbv标准中定义，本发明只关注后者的调度。CDT流量采用时分多址的概念，通过全局预配置的传输调度为每个流建立特定时间段的虚拟通信信道，将CDT业务与非CDT业务分离。确定性调度可以实现流在终端之间的无竞争传输，从而实现确定性的端到端延迟，即零抖动。CDT流量与非CDT流量分离是通过IEEE 802.1Qbv标准中定义的门控机制实现的。如图1所示，TSN网络工作在全双工模式，每个TSN交换机的物理端口逻辑上可以分为接收端口和发送端口。每个TSN交换机的物理端口逻辑又分为最多8个发送队列，分别对应8个由低到高的优先级。所有发送队列都配置了传输门，并交给门控列表控制。门控列表决定每个队列的传输门所开启的时间和保持开启状态的时长，它需要预先配置。在任意时刻，只有传输门是打开状态且优先级最高的发送队列中的数据帧允许被发送。

冗余流技术在流的源点和终点之间建立多条传输路径，能够显著提高流的端到端可靠性。然而，在冗余流存在的网络中，携带大量重复数据包的冗余流会使网络不堪重负，导致低吞吐量和链路瓶颈的出现。IEEE 802.1CB标准中定义的重复数据帧消除技术可以用来缓解这种现象。所述重复数据帧消除为：当有多个相同数据帧从不同的端口进入同一个交换机，并从相同的端口发送时，只有一个数据帧会被发送了，其余重复的数据帧会被丢弃，从而防止的链路传输多个相同的数据帧。另一方面，流工作在组播模式，该特性使得流的冗余路由往往呈现复杂的网状拓扑，其中不可避免地存在环路。把冗余路由成约束成有向无环图可以避免环路问题，代价是提高了计算路由的难度。数据帧消除技术可以防止数据帧在环路中旋转，因此可以允许冗余路由存在环路，降低计算路由的难度。路由的计算不在本发明讨论范围内，但是计算存在冗余路由的流调度方案时需要考虑重复数据帧消除的情况。