[发明专利]一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法

说明书

本发明涉及一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法，属于工业自动化领域，包括以下步骤：S1：CUC确定网络拓扑参数；S2：将流量信息按照是否需要预留以及优先级排序；S3：建立网络模型，将网络中带宽调度模型转换为约束条件和目标函数组成的方程组进行求解，为TT流构建门控列表，在减少高优先级流量对AVB流影响的同时，满足AVB流的最坏情况下端到端延时。和IEEE Std 802.1Qat标准定义的AVB流预留带宽方法相比，在预留AVB足够带宽的情况下，使TT流和AVB流都是可调度的并有效提升带宽利用率。

技术领域

本发明属于工业自动化领域，涉及一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法。

背景技术

工业自动化系统的基础设施需要安全的传输服务，关键应用，如运动控制和监控。因此，在工业区的实时网络方面需要有巨大的改进。时间敏感网络(TSN)是一种新兴的工业自动化网络技术，有望满足具有确定性的网络性能，比如在网络管理、同步、流量调度和可靠性方面，保证没有拥塞损失，极低的抖动，以及针对时间触发流的确定性端到端延迟。2005年，IEEE 802.1任务组制定了AVB，以太网音视频桥接技术,是一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的协议，有效的解决了数据在以太网中传输的时序性、低时延和流量整形问题。该标准引入了两个新的AVB流量类，具有有界的最坏情况下端到端时延。2012年，AVB任务组被重新命名为时间敏感网络(TSN)任务组，将焦点转移到扩展协议中的安全关键和时间敏感传输，并引入了新的流量类型，如时间触发流等。

为AVB流分配网络带宽是一项至关重要的任务。当前TSN协议中与带宽预留相关的主要是IEEE 802.1Qat以及IEEE Qcc协议，IEEE 802.1Qat包含带宽预留协商确定过程，阐述发送者发出预留消息到接收者的详细过程。同时在IEEE 802.1Qat的分布式网络需求与资源分配机制基础之上，IEEE 802.1Qcc支持集中式的注册与流预留服务，称为SRP增强模式。IEEE802.1Qcc提供了一套工具，用于全局管理和控制网络，通过网络集中控制器(CNC,central network controller)等交互以提供运行资源的预留、调度以及其他类型的远程管理协议，如NETCONF或RESTCONF。

对工业系统中的流量进行调度是一个关键且复杂的问题。因为不仅要满足TT流的需求，而且必须考虑TT流以外的关键时间流量，如AVB流需要足够的带宽来确保时延不超过最坏情况下端到端延迟。

综上所述，为了能够支持AVB流的带宽需求，本文提出了一种基于带宽预留的时间敏感网络调度方法，能够使预留的带宽确保AVB流不超过最坏情况下端到端延迟的同时提高网络的带宽利用率。

根据IEEE 802.1Qcc中的完全集中式配置管理模型，本文提出的网络架构如图所示，该架构中主要功能组件有：

(1)TSN流：TSN终端设备之间以有限时延传递的数据流；

(2)TSN交换机：用于接收和传输带有TSN特性以太网帧的交换机；

(3)集中式用户配置器(CUC)：用于发现和检索终端设备功能和用户需求，并配置终端设备中时间敏感网络参数的集中式组件；

(4)集中式网络配置器(CNC)：用户配置时间敏感网络资源的集中式组件。

图1描述的完全集中式模型工作流程如下：

(1)发送端使用用户配置协议向CUC发送连接请求，其中CUC具有发现终端节点和用户需求的功能。

(2)CNC发现物理网络拓扑并读取交换机的性能参数。

(3)CNC收到连接需求后计算满足需求的最优传输路径和可行的带宽预留计划；

(4)CNC根据计算所得的路径和带宽预留计划，为传输路径中的交换机进行配置。