CN112019392A - 一种用于tsn网络的多特征流接入方法 - Google Patents

一种用于tsn网络的多特征流接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于TSN网络的多特征流接入方法，将网络中的流按照特征分为周期性的时间敏感流、带宽保证流、尽力转发流，通过在数据发送端进行条件约束来调度时间敏感流的发送时间点和带宽保证流的发送数据量，以及通过改进的CBS算法来对带宽保证流进行整形，来保证经过CQF交换机后时间敏感流的时间确定性和带宽保证流的流量确定性，并确保经过CQF交换机后不会因为循环队列的溢出或者超过端口的最大带宽而造成数据的丢失。

Description

一种用于TSN网络的多特征流接入方法
技术领域
本发明涉及计算机网络技术领域，具体地涉及一种用于TSN网络的一种多特征流的接入方法。
背景技术
时间敏感网络（timesensitive network，TSN）是目前国际产业界正在积极推动的 全新工业通信技术。其中子协议IEEE Std 802.1Qch定义了一种对时间敏感流提供确定性 传输延迟的方案，它提供了一种基于CQF(cyclicqueuingand for forwarding，循环队列) 的确定性传输技术，假设路径有h跳，数据在每个交换机停留时间是d，则经过CQF交换机后 的最大延时是
Figure 308956DEST_PATH_IMAGE001
, 最小延时是
Figure 694938DEST_PATH_IMAGE002
。
现有的CQF交换机侧的调度基本原理如下：
在交换机的输出端口为时间敏感帧设置两个由时间门控制的队列Q0和Q1。偶数时间 槽，队列Q0保存输入端口接收的帧（接收模式，不发送帧），同时队列Q1发送在上一个奇数时 间槽缓存的数据帧（发送模式，不接收帧）；奇数时间槽，两个队列的操作正好相反。因此，两 个队列循环地进行分组缓存和调度输出操作，这也是CQF名称的来由。每个时间槽的时间长 度是
Figure 943517DEST_PATH_IMAGE003
。
实际网络中存在多种特性的流，主要包括周期性的时间敏感流，带宽保证流，还有尽力转发流，一般为了考虑多种特性流的并存，交换机将对时间最敏感的流映射到对应于trafficclass是7和6的队列，优先级最高，可以抢占其他流。带宽保证流映射到次一级的trafficclass，尽力转发流映射到最低级的trafficclass。
TSN交换机很多都是采用CQF方案，但是这个方案有几个缺陷：
1.在队列接收周期，如果来自与多个端口的时间敏感流超过了Q0或者Q1的大小，势必造成时间敏感数据的丢包，从而无法保证确定性时延。
2.如果来自于多个端口的带宽保证流和时间敏感流在同一时间从同一个端口发出，超过了端口的总带宽，会造成带宽保证流的丢包，从而破坏了可靠性，需要牺牲额外的带宽来进行重传。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于TSN网络的一种多特征流的接入方法。
该方法通过在数据发送端调度时间敏感流的发送时间点和带宽保证流发送数据量，从而在基于CQF的TSN交换机网络环境中避免上述情况的出现。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于TSN网络的多特征流接入方法，包括以下步骤：
步骤一：同步用户主机和网络设备；
步骤二：TSN网络中的CUC功能单元收集用户主机发送端的需求。TSN网络中共有R个时 间敏感流和S个带宽保证流，对第i个时间敏感流，用户主机提供发送周期
Figure 541989DEST_PATH_IMAGE004
，每个周期内发 送的最大数据量为
Figure 825202DEST_PATH_IMAGE005
字节；对第j个带宽保证流，用户主机提供需要预留的带宽
Figure 116506DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 852381DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤三：所述CUC功能单元收集到用户主机发送端需求后，反馈给CNC功能单元，CNC功 能单元根据TSN网络的信息和CUC功能单元提供的用户主机发送端的需求，根据约束条件计 算每个用户主机发送端的调度信息，所述TSN网络信息包括CQF交换机的队列长度Q和交换 机端口的带宽
Figure 511334DEST_PATH_IMAGE008
，所述调度信息包括时间敏感流的发送起始时间
Figure 649054DEST_PATH_IMAGE009
和带宽保 证流每个时间槽内传输的数据量
Figure 111260DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤四：CNC功能单元通过CUC功能单元将调度信息传递给对应的用户主机发送端，对 于时间敏感流，传递时间敏感流的发送起始时间
Figure 334431DEST_PATH_IMAGE009
、时间槽长度d和周期
Figure 274705DEST_PATH_IMAGE011
，对于带 宽保证流，传递每个时间槽内传输的数据量
Figure 266931DEST_PATH_IMAGE010
、时间槽长度d和周期
Figure 165617DEST_PATH_IMAGE011
。所述用户主机拿 到调度信息后，进行数据发送，发送的数据包括：时间敏感流、带宽保证流和尽力转发流。对 于时间敏感流，在离当前最近的一个时间点
Figure 876084DEST_PATH_IMAGE012
，启动数据发送，
Figure 620049DEST_PATH_IMAGE013
，T 为调度周期，N为系数且为整数，并将所述时间敏感流优先级映射为7；对于带宽保证流采用 改进的CBS算法来实现，并将带宽保证流的优先级映射为5；对于尽力转发流的优先级映射 小于5。
所述改进的CBS算法的具体方法为：
（a）数据发送的队列中存在着Frame0,Frame1,Frame2.......
Figure 732362DEST_PATH_IMAGE014
个带宽保证流 对应的帧，但是时间敏感流对应的帧、尽力转发流对应的帧正在发送，或者优先级更高的时 间敏感需要发送，使得Frame0,Frame1,Frame2.......
Figure 536370DEST_PATH_IMAGE014
个带宽保证流对应的帧得 不到发送，此时信用值不断增加，所述信用值的上限是IEEE802.1Qav规定的hiCredit，
hiCredit = maxInterferenceSize ×(idleSlope/portTransmitRate)，
其中，maxInterferenceSize 表示端口能够发送的最大帧长度，idleSlope表示信用值增长的斜率，portTransmitRate表示端口的发送速率；
（b）待时间敏感流对应的帧、尽力转发流对应的帧发送完毕，或者优先级更高的时间敏 感发送完毕，Frame0,Frame1,Frame2.......
Figure 468554DEST_PATH_IMAGE014
个带宽保证流对应的帧得到发送的 机会，Frame0发送，信用值不断下降，直到Frame0发送完成；
（c）如果信用值仍然大于0，但是此时间槽内剩余的用来传输带宽保证流的字节数小于 Frame1的大小，Frame1得不到发送，信用值不断增加。在t时间槽内，
Figure 16210DEST_PATH_IMAGE014
能够得到发 送需要的条件除了IEEE802.1Qav定义的信用值必须大于0，还需要满足：
Figure 983029DEST_PATH_IMAGE010
-
Figure 955008DEST_PATH_IMAGE015
(4)
Figure 374488DEST_PATH_IMAGE010
是来自于CNC的第j个带宽保证流能够在t时间槽发送的总数据量，
Figure 725835DEST_PATH_IMAGE016
表示 此带宽保证流已经发送的带宽保证流的总数据量，即Frame0到
Figure 547161DEST_PATH_IMAGE017
的总大小，
Figure 958551DEST_PATH_IMAGE018
表示
Figure 865327DEST_PATH_IMAGE014
的帧大小；
（d）一个新的时间槽开始，周期内的信用值大于0，而且分配的
Figure 754785DEST_PATH_IMAGE019
大于0，Frame1得到 发送，信用值减小；
（e）信用值仍然大于0，时间槽内剩余的用来传输带宽保留流的字节数大于Frame2的大小，Frame2继续传输，信用值不断减小；
（f）将队列里的帧发送完毕以后，如果没有新来的带宽保证流数据，信用值回到0；如果还有帧没有得到发送，继续重复上述步骤（a）-（e）来发送。
进一步地，所述约束条件具体为：
Figure 696196DEST_PATH_IMAGE020
(1)
Figure 278488DEST_PATH_IMAGE021
（2）
Figure 406981DEST_PATH_IMAGE022
（3）
其中，
Figure 100130DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 364889DEST_PATH_IMAGE024
表示在第t个时间槽的第k个交换机的第p个端口，进 入端口p缓冲队列的第i个时间敏感流的数据量大小，
Figure 118082DEST_PATH_IMAGE025
表示在第t个时间槽的第k个交 换机的第p个端口，从端口p发送的第j个带宽保证流数据量大小，
Figure 999450DEST_PATH_IMAGE026
表示在第t个时间 槽的第k个交换机的第p个端口，从端口p发送的第i个时间敏感流的数据量大小；N为端口p 缓存队列的时间敏感流总条数，L为发送的时间敏感流条数，M为从p端口发送的带宽保证流 的总条数。
进一步地，所述时间槽长度d为所有时间敏感流周期的最大公约数。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：综合考虑了全网多特征流的特性，通过在用户主机发送端的调度，使流经过TSN网络以后既保证了时间敏感流的传输确定性和带宽保证流的带宽，又确保不会因为网络拥塞和CQF队列溢出造成丢包。因此,该多特征流的接入方法具有确定性传输以及带宽保证无丢包的特点。
附图说明
图1为CQF调度示意图；
图2为本发明多特征流的接入方法的流程图；
图3为改进的CBS算法图。
具体实施方式
为了使本发明的目的更加明白，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明提供了一种用于TSN网络的多特征流接入方法，包括以下步骤：
步骤一：同步用户主机和网络设备；本领域技术人员可采用1588,1588V2，IEEE802.1AS等进行同步；
步骤二：TSN网络中的CUC功能单元收集用户主机发送端的需求。TSN网络中共有R个时 间敏感流和S个带宽保证流，对第i个时间敏感流，用户主机提供发送周期
Figure 496290DEST_PATH_IMAGE004
，每个周期内发 送的最大数据量为
Figure 149644DEST_PATH_IMAGE005
字节；对第j个带宽保证流，用户主机提供需要预留的带宽
Figure 808159DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 176823DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤三：所述CUC功能单元收集到用户主机发送端需求后，反馈给CNC功能单元，CNC功 能单元根据TSN网络的信息和CUC功能单元提供的用户主机发送端的需求，根据约束条件计 算每个用户主机发送端的调度信息，如图1所示，所述TSN网络信息包括CQF交换机的队列长 度Q和交换机端口的带宽
Figure 211775DEST_PATH_IMAGE008
，所述调度信息包括时间敏感流的发送起始时间
Figure 982285DEST_PATH_IMAGE009
和带宽保证流每个时间槽内传输的数据量
Figure 811701DEST_PATH_IMAGE010
；
对于时间敏感流i的约束条件为：因为CQF的特性，只要确定它的发送起始时间
Figure 667661DEST_PATH_IMAGE009
， 还有传输路径，那么流进入和离开每个交换机的时间都是确定的，所以假设在第t个时间槽 的第k个交换机的第p个端口，进入端口p缓存队列的时间敏感流一共有N条，则调度算法需 要满足进入队列的数据量不能超过队列长度Q：
Figure 771884DEST_PATH_IMAGE020
(1)
对于带宽保证流j，需要确定每个时间槽t内能够传输的数据量
Figure 131321DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 397217DEST_PATH_IMAGE023
,
Figure 209315DEST_PATH_IMAGE027
是一个完整的调度周期，在第t个时间槽的第k个交换机的第p 个端口，从端口p发送的带宽保证流一共有M条，发送的时间敏感流一共有L条，则需要满足 端口的带宽约束条件：
Figure 851649DEST_PATH_IMAGE028
（2）
对于带宽保证流j满足各自的带宽约束条件：
Figure 331172DEST_PATH_IMAGE022
（3）
表示CNC功能单元预留出来的带宽应该大于用户要求的带宽，用户执行的时候需要用 改进的CBS（creditbasedshaper）算法控制自己的发送数据，使实际使用的带宽小于或者等 于要求的带宽。CNC功能单元根据上述三个约束条件，并结合每个流的传输路径，可以计算 时间敏感流的
Figure 767970DEST_PATH_IMAGE029
和带宽保证流每个时间槽内能够传输的数据量
Figure 332943DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 778968DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 844489DEST_PATH_IMAGE024
表示在第t个时间槽的第k个交换机的第p个端口，进 入端口p缓冲队列的第i个时间敏感流的数据量大小，
Figure 717767DEST_PATH_IMAGE025
表示在第t个时间槽的第k个交 换机的第p个端口，从端口p发送的第j个带宽保证流数据量大小，
Figure 770036DEST_PATH_IMAGE026
表示在第t个时间 槽的第k个交换机的第p个端口，从端口p发送的第i个时间敏感流的数据量大小；N为端口p 缓存队列的时间敏感流总条数，L为发送的时间敏感流条数，M为从p端口发送的带宽保证流 的总条数。
步骤四：CNC功能单元通过CUC功能单元将调度信息传递给对应的用户主机发送 端，对于时间敏感流，传递时间敏感流的发送起始时间
Figure 223014DEST_PATH_IMAGE009
，对于带宽保证流，传递每个 时间槽内传输的数据量
Figure 677129DEST_PATH_IMAGE010
、时间槽长度d和周期
Figure 455730DEST_PATH_IMAGE011
。所述用户主机拿到调度信息后，进行 数据发送，发送的数据包括：时间敏感流、带宽保证流和尽力转发流，具体流程图如图2。对 于时间敏感流，在离当前最近的一个时间点
Figure 995295DEST_PATH_IMAGE012
，启动数据发送，
Figure 517544DEST_PATH_IMAGE013
，T 为调度周期，N为系数且为整数，并将所述时间敏感流优先级映射为7；对于带宽保证流采用 改进的CBS（creditbasedshaper）算法来实现，并将带宽保证流的优先级映射为5；对于尽力 转发流的优先级映射小于5。
所述改进的CBS算法的具体方法如图3：传统的CBS算法只考虑了如何确保带宽保证流的带宽，改进后的CBS算法考虑了其和时间敏感流共存的情况，适用于多种特征流共存的场景。
（a）数据发送的队列中存在着Frame0,Frame1,Frame2.......
Figure 560586DEST_PATH_IMAGE014
个带宽保 证流对应的帧，但是时间敏感流对应的帧、尽力转发流对应的帧正在发送，或者优先级更高 的时间敏感需要发送，使得Frame0,Frame1,Frame2.......
Figure 510087DEST_PATH_IMAGE014
个带宽保证流对应的 帧得不到发送，此时信用值不断增加，所述信用值的上限是IEEE802.1Qav规定的hiCredit，
hiCredit = maxInterferenceSize ×(idleSlope/portTransmitRate)，
其中，maxInterferenceSize 表示端口能够发送的最大帧长度，idleSlope表示信用值增长的斜率，portTransmitRate表示端口的发送速率；
（b）待时间敏感流对应的帧、尽力转发流对应的帧发送完毕，或者优先级更高的时间敏 感发送完毕，Frame0,Frame1,Frame2.......
Figure 271370DEST_PATH_IMAGE014
个带宽保证流对应的帧得到发送的 机会，Frame0发送，信用值不断下降，直到Frame0发送完成；
（c）如果信用值仍然大于0，但是此时间槽内剩余的用来传输带宽保证流的字节数小于 Frame1的大小，Frame1得不到发送，信用值不断增加。在t时间槽内，
Figure 597309DEST_PATH_IMAGE014
能够得到发 送需要的条件除了IEEE802.1Qav定义的信用值必须大于0，还需要满足：
Figure 760437DEST_PATH_IMAGE010
-
Figure 880840DEST_PATH_IMAGE015
(4)
Figure 394998DEST_PATH_IMAGE010
是来自于CNC的第j个带宽保证流能够在t时间槽发送的总数据量，
Figure 259049DEST_PATH_IMAGE016
表示 此带宽保证流已经发送的带宽保证流的总数据量，即Frame0到
Figure 603832DEST_PATH_IMAGE017
的总大小，
Figure 160715DEST_PATH_IMAGE018
表示
Figure 896590DEST_PATH_IMAGE030
Figure 564332DEST_PATH_IMAGE031
的帧大小；
（d）一个新的时间槽开始，周期内的信用值大于0，而且分配的
Figure 436473DEST_PATH_IMAGE019
大于0，Frame1得到 发送，信用值减小；
（e）信用值仍然大于0，时间槽内剩余的用来传输带宽保留流的字节数大于Frame2的大小，Frame2继续传输，信用值不断减小；
（f）队列里的帧发送完毕以后，如果没有新来的带宽保证流数据，信用值回到0；如果还有帧没有得到发送，继续重复上述步骤（a）-（e）来发送。
将该方法可以应用在工业互联网、高端装备等领域，具有的优点是既可以确保控制流的时间确定性又能够保证一些需要固定带宽的业务的带宽确定性，同时也提供了相对可靠地传输。

Claims (3)

1.一种用于TSN网络的多特征流接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：同步用户主机和网络设备；
步骤二：TSN网络中的CUC功能单元收集用户主机发送端的需求；TSN网络中共有R个时 间敏感流和S个带宽保证流，对第i个时间敏感流，用户主机提供发送周期
Figure 433956DEST_PATH_IMAGE001
，每个周期内发 送的最大数据量为
Figure 657127DEST_PATH_IMAGE002
字节；对第j个带宽保证流，用户主机提供需要预留的带宽
Figure 862981DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 855207DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤三：所述CUC功能单元收集到用户主机发送端需求后，反馈给CNC功能单元，CNC功 能单元根据TSN网络的信息和CUC功能单元提供的用户主机发送端的需求，根据约束条件计 算每个用户主机发送端的调度信息，所述TSN网络信息包括CQF交换机的队列长度Q和交换 机端口的带宽
Figure 753893DEST_PATH_IMAGE005
，所述调度信息包括时间敏感流的发送起始时间
Figure 198781DEST_PATH_IMAGE006
和带宽保 证流每个时间槽内传输的数据量
Figure 208325DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤四：CNC功能单元通过CUC功能单元将调度信息传递给对应的用户主机发送端，对 于时间敏感流，传递时间敏感流的发送起始时间
Figure 320638DEST_PATH_IMAGE006
，对于带宽保证流，传递每个时间槽 内传输的数据量
Figure 124646DEST_PATH_IMAGE007
、时间槽长度d和调度周期
Figure 322409DEST_PATH_IMAGE008
；所述用户主机拿到调度信息后，进行数 据发送，发送的数据包括：时间敏感流、带宽保证流和尽力转发流；对于时间敏感流，在离当 前最近的一个时间点
Figure 870065DEST_PATH_IMAGE009
，启动数据发送，
Figure 836884DEST_PATH_IMAGE010
，T为调度周期，N为系数且 为整数，并将所述时间敏感流优先级映射为7；对于带宽保证流采用改进的CBS算法来实现， 并将带宽保证流的优先级映射为5；对于尽力转发流的优先级映射小于5；
所述改进的CBS算法的具体方法为：
（a）数据发送的队列中存在着Frame0,Frame1,Frame2.......
Figure 811793DEST_PATH_IMAGE011
个带宽保证流 对应的帧，但是时间敏感流对应的帧、尽力转发流对应的帧正在发送，或者优先级更高的时 间敏感需要发送，使得Frame0,Frame1,Frame2.......
Figure 496852DEST_PATH_IMAGE011
个带宽保证流对应的帧得 不到发送，此时信用值不断增加，所述信用值的上限是IEEE802.1Qav规定的hiCredit，
hiCredit = maxInterferenceSize ×(idleSlope/portTransmitRate)，
其中，maxInterferenceSize 表示端口能够发送的最大帧长度，idleSlope表示信用值增长的斜率，portTransmitRate表示端口的发送速率；
（b）待时间敏感流对应的帧、尽力转发流对应的帧发送完毕，或者优先级更高的时间敏 感发送完毕，Frame0,Frame1,Frame2.......
Figure 851129DEST_PATH_IMAGE011
个带宽保证流对应的帧得到发送的 机会，Frame0发送，信用值不断下降，直到Frame0发送完成；
（c）如果信用值仍然大于0，但是此时间槽内剩余的用来传输带宽保证流的字节数小于 Frame1的大小，Frame1得不到发送，信用值不断增加；在t时间槽内，
Figure 672455DEST_PATH_IMAGE011
能够得到发 送需要的条件除了IEEE802.1Qav定义的信用值必须大于0，还需要满足：
Figure 83844DEST_PATH_IMAGE012
(4)
Figure 990620DEST_PATH_IMAGE007
是来自于CNC的第j个带宽保证流能够在t时间槽发送的总数据量，
Figure 880079DEST_PATH_IMAGE013
表示 此带宽保证流已经发送的带宽保证流的总数据量，即Frame0到
Figure 821490DEST_PATH_IMAGE014
的总大小，
Figure 138202DEST_PATH_IMAGE015
表示
Figure 532274DEST_PATH_IMAGE011
的帧大小；
（d）一个新的时间槽开始，周期内的信用值大于0，而且分配的
Figure 225424DEST_PATH_IMAGE016
大于0，Frame1得到 发送，信用值减小；
（e）信用值仍然大于0，时间槽内剩余的用来传输带宽保留流的字节数大于Frame2的大小，Frame2继续传输，信用值不断减小；
（f）将队列里的帧发送完毕以后，如果没有新来的带宽保证流数据，信用值回到0；如果还有帧没有得到发送，继续重复上述步骤（a）-（e）来发送。
2.根据权利要求1所述用于TSN网络的多特征流接入方法，其特征在于，所述约束条件具体为：
Figure 21342DEST_PATH_IMAGE017
(1)
Figure 774534DEST_PATH_IMAGE018
（2）
Figure 655902DEST_PATH_IMAGE019
（3）
其中，
Figure 887163DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 537588DEST_PATH_IMAGE021
表示在第t个时间槽的第k个交换机的第p个端口，进入 端口p缓冲队列的第i个时间敏感流的数据量大小，
Figure 727260DEST_PATH_IMAGE022
表示在第t个时间槽的第k个交换 机的第p个端口，从端口p发送的第j个带宽保证流数据量大小，
Figure 830346DEST_PATH_IMAGE023
表示在第t个时间槽 的第k个交换机的第p个端口，从端口p发送的第i个时间敏感流的数据量大小；N为端口p缓 存队列的时间敏感流总条数，L为发送的时间敏感流条数，M为从p端口发送的带宽保证流的 总条数。
3.根据权利要求1所述用于TSN网络的多特征流接入方法，其特征在于，所述时间槽长度d为所有时间敏感流周期的最大公约数。
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