CN117378215A - 在分组交换网络中实现的用于调度以太网帧的传输的方法、计算机程序和设备 - Google Patents

在分组交换网络中实现的用于调度以太网帧的传输的方法、计算机程序和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在分组交换网络中实现的用于调度以太网帧的传输的方法，该方法包括以下步骤：a)基于所述以太网帧中给出并与所述以太网帧所属的流有关的数据的标识来确定要发送的各个以太网帧的优先级别，所述数据由此区分：*属于要通过连续循环突发发送的流并具有第一优先级别的帧、*属于速率控制流并具有第二优先级别的帧、以及*属于非时间关键业务流、具有低于所述第一优先级别和第二优先级别的第三优先级别的帧；b)在具有最高优先级别的帧当中确定具有要发送候选帧的最近下一时间的帧，作为用于传输的候选；以及c)估计所述候选的传输结束时间，并且检查是否没有优先级高于候选的帧的下一传输时间出现在候选的传输结束时间之前，并且最终发送所述候选。

Description

在分组交换网络中实现的用于调度以太网帧的传输的方法、 计算机程序和设备
技术领域
本发明涉及诸如工业自动化(IA)网络的网络的管理。
背景技术
联合IEC/IEEE 60802标准通过定义从IEEE 802.1和802.3标准集合选择的特征来指定用于工业自动化(IA)网络的TSN(时间敏感网络)简档。
由于支持IA网络中遇到的不同类型的业务的必要性，这种选择是有正当理由的。这些业务类型及其基本特征在以下小节中描述。
以下描述了一些IEC/IEEE 60802业务类型类别。
为了易于将应用相关业务类型映射到TSN流上，首先定义四个业务类型类别，其表征见于工业自动化(IA)网络中的通信。
图1从上到下示出以下特征：
-IA时间感知流；
-IA流；
-IA业务工程非流；
-IA非流。
以下呈现IEC/IEEE 60802业务类型描述。
第一类型与等时业务有关。这是使用时间触发传输来循环发送的IA时间感知流业务类型。监听者具有单独的截止时间要求。循环时间通常在微秒至几十毫秒的范围内。帧大小通常低于500个八位字节(octet)。说话者-监听者对被同步到工作时钟。网络被设计以为这种业务类型提供零拥塞损失。这种类型的业务通常用在控制回路任务中。
第二类型的业务是循环同步的，并且涉及使用时间触发传输来循环发送的IA时间感知流业务。说话者-监听者对具有单独的延迟要求。循环时间通常在几百微秒至几百毫秒的范围内。帧大小不受约束。说话者-监听者对被同步到工作时钟。网络被设计以为这种业务类型提供零拥塞损失。
第三类型的业务是循环异步的，并且涉及循环发送并且由应用时钟界定的IA流业务类型。说话者-监听者对具有单独的延迟要求。循环时间通常在毫秒至秒的范围内。帧大小不受约束。说话者-监听者对之间的数据交换通常不依赖于工作时钟。这种业务类型通常容忍拥塞损失。网络被设计以在不丢失的情况下处理这种业务类型，最高达特定数量的帧或数据大小。
第四类型的业务用于管理警报和事件，并且是非循环发送的IA业务工程非流类型。这种业务预期有界延迟，包括毫秒至几百毫秒范围内的用于重传的时间。警报或事件的来源通常限制分配给这种业务的带宽。帧大小不受约束。预期缓解帧丢失的重传。网络被设计以处理这些帧，包括帧突发，最高达所定义周期内的特定数量的帧或数据大小。
第五类型的业务与配置和诊断有关，并且对应于非循环发送的IA业务工程非流类型。这种业务预期有界延迟，最高达秒，包括用于重传的时间。配置或诊断帧的来源通常限制分配给这种业务的带宽。帧大小不受约束。预期缓解帧丢失的重传。网络被设计以处理这些帧，包括帧突发，最高达所定义周期内的特定数量的帧或数据大小。
第六类型与网络控制有关，并且是可循环或非循环发送的IA业务工程非流。这种业务预期有界延迟，包括用于重传的时间。帧大小不受约束。网络被设计以处理这些帧，包括帧突发，最高达所定义周期内的特定数量的帧或数据大小。这种类型包含网络控制帧。示例包括时间同步、环路预防和拓扑检测。
最后，第七类型的业务是为“尽力型”调度的，并且是IA非流类型。网络被设计以确保这些帧不干扰其它业务类型。
标准IEC/IEEE 60802提出了以太网中可用的业务类型、业务类型类别和优先级之间的以下映射：
业务类型 业务类型类别 业务类
等时 IA时间感知流 7
循环同步 IA时间感知流 6
循环异步 IA流 5
网络控制 IA业务工程非流 4
警报和事件 IA业务工程非流 3
配置和诊断 IA业务工程非流 2
尽力型 IA非流 1
尽力型 IA非流 0
在IEC/IEEE 60802中选择的IA网络的网络机制主要是IEEE 802.1所指定的各种TSN标准中定义的那些。就服务质量而言，这些机制几乎是专门为桥，而非为终端站定义的。
然而，终端站通过其网络接入不得不生成符合网络内提供的机制的业务，有时扩展那些机制。
特别是，IEEE 802.1Q标准中使用的典型每业务类排队模型不足以完全描述与支持上述不同业务类型的TSN流的不同定时要求关联的行为。不得不引入每流队列和每帧时间传输控制。
这些标准和附加机制的组合提供一种方式来对所有业务类支持训练有素的网络接入。
为了克服这种情况，OPC UA FLC已提出了并入每流队列和时间感知偏移控制的终端站模型(“OPC”是“开放平台通信”，“UA”是“统一架构”，“FLC”是“现场级通信”)。
这些附加功能允许中间件和应用与以太网接口解耦，同时支持不同的服务质量(QoS)要求。图2总结了这种模型。
实际上，终端站可能是多个TSN流的源，不同流的数据由终端站中运行的应用或中间件生成。在这种模型中，不同的流被映射到图2所示的不同的每流队列。
只要数据帧在传输时间之前被排入其相应每流队列中，时间感知偏移控制就能够将数据帧释放到每业务类队列中，然后可每标准化IEEE 802.1Q机制处理每业务类队列，以下呈现其中一些。
来自每流队列的帧和来自非时间感知业务的帧在终端站的出端口(egress port)处排队(IEEE 802.1Q-2018条款8.6.8)。终端站的出端口具有八个队列来管理业务流。每流队列和非TSN流队列中的每一个被映射到八个每业务类队列之一。每业务类队列的使用继而基于VLAN-Tag中的优先级码点(PCP)字段(业务类-优先级映射)。PCP值与流或非时间感知业务/帧的业务类关联。PCP字段和队列之间的映射由网络管理功能处理。
传输选择算法级针对各个业务类应用每业务类传输选择算法，以从对应队列选择要发送的帧。使用IEEE 802.1Q-2018的8.6.8.1节中定义的严格优先级传输选择算法。
非时间感知数据帧也被映射到不同的每业务类队列。根据所需的QoS的类型和级别，TSN流的数据帧可使用不同于非时间感知业务的每业务类队列。
此外，门控制列表描述每业务类队列的传输门操作。相对于已知时间尺度调度八个每业务类队列中的每一个，使得发送数据帧的定时和速率可根据IEEE 802.1Q-2018条款8.6.8.4(ex-802.1Qbv)控制。在图2所示的模型中，每个每业务类队列使用单个传输门。由于802.1Q允许最多达八个业务类，可存在最多达八个传输门并且必须通过门控制列表控制。
传输选择可用于基于传输选择算法和门控制列表来选择可用帧并传送到可抢占MAC或快速MAC。根据其业务类的等级来选择可用数据帧。此过程描述于IEEE 802.1Q-2018条款8.6.8中。TSN说话者中的传输选择以与桥中相同的方式操作(从这一视角，TSN说话者可被认为就像是单端口桥一样)。
MAC控制(“MAC”是“媒体访问控制”)以及可抢占MAC(pMAC)、快速MAC(eMAC)和MAC合并子层用于支持终端站的出端口中的帧抢占能力。通过使用MAC合并子层将eMAC和pMAC附接到单个协调子层(RS)服务，MAC合并子层支持以可抢占业务点缀快速业务(IEEE802.1Q-2018条款6.7.1和IEEE 802.3条款99.4)。
如果支持帧抢占，则各个PCP值被指派指示可抢占性的值是“快速”还是“可抢占”的抢占状态(参考IEEE 802.1Q-2018条款6.7.2)。
具有与快速对应的PCP值的帧能够抢占可抢占帧的正在进行的传输，从而允许快速帧避免与等待可抢占帧的传输完成有关的延迟。
能够支持IEC/IEEE 60802中定义的各种业务类型的终端站中的出端口操作的模型依赖于IEEE 802.1Q和OPC UA FLC标准中指定的各种机制的层叠。
然而，尽管在第一种方法中是模块化的，这种调度架构可能以复杂度增加而告终，并且导致低效的实现，特别是硬件。
发明内容
本发明旨在改进这种情况。
为此，提出了一种在分组交换网络中实现的用于调度以太网帧的传输的方法，该方法包括以下步骤：
a)基于所述以太网帧中给出并与所述以太网帧所属的流有关的数据的标识来确定要发送的各个以太网帧的优先级别，所述数据由此区分：
*属于要通过连续循环突发发送的流并具有第一优先级别的帧，
*属于速率控制流并具有第二优先级别的帧，以及
*属于非时间关键业务流、具有低于所述第一优先级别和第二优先级别的第三优先级别的帧，
b)在具有最高优先级别的帧当中确定要发送候选帧的下一时间最近的帧，作为用于传输的候选，以及
c)估计所述候选的传输结束时间，并且检查是否没有优先级高于候选的帧的下一传输时间出现在候选的传输结束时间之前，并最终发送该候选。
因此，本发明能够公平调度不同类型的帧，例如属于要通过循环突发发送的流的帧(如下面评论的图7中以深灰色和浅灰色示出的)(“CB流突发”)，而其它类型的帧(RC是“速率控制”帧，以及“尽力型”帧(EF))可在不发送循环突发时发送。归功于向各个类型的流指派优先级别而执行这种实现。
在实施方式中，在b)之后，如果上述最近下一传输时间(在下面评论的图11中以“MinNextTxTimep”引用)高于(在步骤S4)由分组交换网络的公共时钟给出的当前时间(T)，则只要在b)中确定的最近下一传输时间高于所述当前时间(T)，就以从所述最高优先级别递减得到的优先级别(p＝p-1)重复b)。
因此，只要候选帧的传输时间还未期满，就寻求发送较低优先级别，通常第三优先级别(最低优先级别)的帧(或者当非时间关键业务为可抢占的时，帧的片段)。
实际上，如果具有较高优先级别的候选帧的传输时间即将期满，则属于非时间关键业务流(例如，尽力型“EF”流)的帧可被分段，以仅发送这种帧的片段。通常可对这种帧进行分段直至最小片段，从而确定：
-这种帧(或帧片段)的传输持续时间，以及
-其传输结束时间，以实现如上面所定义的步骤c)。
这种推理也可能可应用于速率控制流(当它们是可抢占的时)。
因此，在如图11所示的实施方式中(测试S3)，属于非时间关键业务流进而具有最低(第三)优先级别的帧被识别为属于可抢占业务，并且每当没有第一优先级别和第二优先级别的帧要发送时可发送。因此，在测试所述最近下一传输时间(MinNextTxTimep)是否高于(S4)所述当前时间(T)之前，确定所述候选是否为具有所述第三优先级别的帧(从测试S3的箭头，是)，并且最终所述候选被限定为至少部分地发送(即，至少候选的片段)。
在图12所示的实施方式中，以太网帧在其传输之前可分别根据其优先级别层叠在FIFO队列中，各个队列因此对应于一个优先级别，并且具有优先级别p的帧当中的具有相同优先级别p和最近下一传输时间(minNextTxTimep)的队列头帧可被定义为优先级别p的所有帧当中的下一传输候选帧。
对于现在属于循环突发流的帧(以下称为“CB帧”)，为了以属于要通过连续循环突发发送的流的CB帧(各个CB流具有其自己的预定突发传输周期)实现b)，可基于所述CB帧所属的相应流的预定突发传输周期来计算CB帧的下一传输时间，以确定上述最近下一传输时间。
实际上，循环突发流要在预定义的调度时间发送，并且无法承受任何延迟。其帧因此具有最高优先级别。
因此，其传输的调度应该遵循严格的定时。
为此，在实施方式中，网络循环的基本周期(如图7所示的CyclePer)被确定为CB帧所属的流的突发传输周期之间的最大公约数，并且相对于一个网络循环或连续网络循环的开始时间来确定属于具有相应不同突发传输周期的相应流的CB帧的下一传输时间。
此外，CB帧的突发传输不应遭受其它帧的传输的任何干扰。
为此，在实施方式中，如果当前时间还未到达至少一个CB帧所属的突发的估计的传输结束，则所述至少一个CB帧被选为下一CB帧传输候选。
因此，在此实施方式中，对于CB帧候选，所述下一CB帧的传输结束时间基于所述下一CB帧的给定长度来计算，并且与所述CB帧候选所属的突发的估计的突发传输结束进行比较：仅当其传输结束时间出现在估计的突发传输结束之前时，才发送CB帧候选。
CB流具有最高优先级别。即使CB流的队列为空，也在该CB流的各个周期循环预留与该CB流的突发的传输持续时间对应的时间窗口。
如上所述，CB帧具有最高优先级别。因此，中间(第二)优先级别(低于第一优先级别)可被指派给速率控制业务帧(以下称为RF帧)。
在实施方式中，对于属于快速速率控制流并具有所述第二优先级别的RC帧，在发送RC帧之前，基于所述RC帧的给定长度来计算所述RC帧的传输结束时间，并且所述RC帧被确定为仅当所述传输结束时间出现在为优先级别高于RC帧的任何帧确定的最近下一时间当中的最小值之前时才发送。
RC帧的上述传输结束时间基于RC帧的给定长度除以网络的传输速率来计算，从而限定所述RC帧直至所述传输结束时间的传输持续时间。
在实施方式中，在该RC帧传输时，与正在发送的RC帧相同的流的下一RC帧的下一传输时间基于正在发送的RC帧的给定长度来计算。然后考虑所计算的下一传输时间来更新上述最近下一时间的确定。这里，在实施方式中，可选择基于正在发送的RC帧的给定长度除以所述RC帧所属的流的传输速率来计算RC帧下一传输时间。
通常，可在帧的帧描述符字段中指示帧长度参数(或直接帧传输持续时间)。更一般地，在实施方式中，可从各个帧中指示的数据推导以下中的至少一个：
-流的类型，
-循环突发流的周期，
-帧长度，
所述数据限定流上下文。
通常，例如，帧的字段中的源和目的地的地址使得可识别流并向该流指派索引。归功于新到来的帧的分析，然后可检索这些地址并确定相关流上下文(循环突发传输或速率控制业务等)。在观测到通过连续突发的帧传输的循环定时的情况下，然后也可确定循环突发流的周期。
本发明还涉及一种包括指令的计算机程序，该程序由处理电路执行时，所述指令使得处理电路执行如上面所定义的方法。本发明还涉及一种非暂时性计算机存储介质，其存储这种计算机程序的指令。
图5、图9、图10、图11通常是流程图，其可示出这种程序的一般算法。
本发明还涉及一种设备，包括：
-处理电路(PROC、MEM，如下面评论的图3的示例中所呈现的)，其被配置为实现如上面所定义的方法，以及
-通信接口(COM、EGP)，其被配置为连接到分组交换网络并且由处理电路引导以在处理电路调度以太网帧的传输时发送所述以太网帧。
本发明的更多细节和优点将从以下详细的可能和可选实施方式的说明书并且还从附图显现。
附图说明
[图1]图1示出工业自动化网络中的流的特征。
[图2]图2示出终端站中运行的中间件和应用的解耦，同时支持不同的QoS要求。
[图3]图3示出根据本发明的实施方式的装置的示例。
[图4]图4示出FIFO(“先入先出”)队列中的不同帧和相关描述符字段。
[图5]图5示出不同类型的帧的限定流上下文的参数。
[图6]图6是用于执行CB流帧的传输的算法的流程图的示例。
[图7]图7示出不具有相同循环突发传输周期的两个后续CB流的相应形状的示例。
[图8]图8是为快速RC流帧传输实现的算法的示例的流程图。
[图9]图9是为可抢占RC流帧传输实现的算法的示例的流程图。
[图10]图10是为EF(“尽力型”)流帧传输实现的算法的示例的流程图。
[图11]图11是为调度具有不同类型BC、RC和EF的帧传输实现的算法的示例的流程图。
[图12]图12示出通过优先级别分组的每流队列。
具体实施方式
如下面的实施方式中所呈现的，本发明使得可在单个调度引擎中集中支持不同标准的业务类型所需的所有功能，例如：
·不同的IEC/IEEE 60802业务类型
·与IA网桥中实现的TSN标准QoS机制的兼容性
ο802.1Q Cl.8.6.8.4，调度业务增强
ο802.1Q Cl.37，增强传输选择
·与帧抢占/分段的兼容性
ο802.1Q Cl.6.7.2，802.3Cl.99.4
·传输复用的最优占用。
所提出的机制实现了帧传输机制，其对符合IEC/IEEE 60802标准(用于工业自动化网络的TSN简档)的工业终端站所发射的业务进行成形。它依赖于单个调度器，该调度器基于流的基础特性的组合对流传输机会和各个帧传输二者进行排序。
流的基础特性通常可以是：
·其时间行为参数：形状类型和速率或循环周期，以及
·其访问传输资源的优先级。
代替如IEEE 802标准中通常所考虑那样操纵对流进行分组的业务类，利用由终端站处理的流的数量有限这一事实，调度器基于从应用要求推导的上述特性单独地处理流。
所提出的调度器是能够根据不同的IEEE 802.1标准(基于信用的成形器、调度业务增强、增强传输选择、异步业务成形)生成业务形状的单个流成形能力，而非求助于实现那些中的每一个的单独功能。
还能够与终端站网络接口的MAC层可能提供的帧抢占功能互通。
如图3所示，终端站DEV可包括处理电路CIR，处理电路CIR包括处理器PROC以及至少存储根据本发明的计算机程序的指令数据的存储器MEM。处理器PROC可访问存储器MEM以读取并执行存储在存储器中的指令。此外，终端站DEV还至少包括具有出端口EGP的通信接口COM以及使得处理器PROC能够与接口COM所连接至的网络NTW的时钟同步操作的时钟CLK。时钟CLK使得可保证使用诸如IEEE 802.1AS的时间同步协议。
此外，归功于出端口EGP和处理电路CIR的配置，终端站能够发送属于IEEE 802.1Q中定义的8(八)个业务类的流。
此外，终端站被配置为支持根据IEEE 802.3Cl.99.4和802.1Q Cl.6.7.2的帧抢占。此外，终端站支持根据IEEE 802.1Q Cl.37的增强传输选择以及根据IEEE 802.1CB和802.1CBdb的流识别。
属于终端站所发送的不同流的帧基于每流来排队，即，为各个流提供至少一个队列。
以下，词语“流形状”定义流的帧传输的时间行为。流形状y具有下面所列的不同类型：
·循环突发(CB)：CB流帧按组背靠背发送。各组背靠背帧被称为“突发”。突发根据为各个流定义的周期来循环发送，并且不能长于为流定义的最大突发大小。每当需要它们来实现其配置的比特率时，在每一个循环中为CB流预留传输机会。CB流突发经历最小传输抖动。
·速率控制(RC)：以不能比为流定义的最大比特率快的速率逐一发送RC流帧。如果循环(异步，即，其循环不直接同步到网络时钟)通信被映射到RC流上，则后者可经历传输抖动(与流循环周期相比以最小比例)
·弹性公平(EF)：按照保证所有EF流得到分配给它们的总带宽的公平份额的方式逐一发送EF流帧。
可定义八个流优先级别，以便与IEEE 802.1Q和IEC/IEEE 60802中定义的业务类优先级别保持一致。
流的“流速率”根据流形状使用不同的参数来定义。
在CB流的情况下，流速率由突发循环和最大允许突发大小定义。这些参数可被转换为流的最大比特率。
在RC流的情况下，流速率用于基于其相应长度来确定两个连续帧传输之间的最小间隙。它是流的理论最大比特率，在流保持空闲的周期之后或者当其它流的活动减少留下更多资源可用时会超过它。
对于EF流，定义流速率的一种方式是分配分配给所有EF流的总比特率的比率。分配给各个EF流的带宽份额然后根据该比率加权，并且当它们全部处于活动时实际分配给它们。有时它们会使用比其公平份额更多的资源，例如，当其它EF流中的一些空闲时。
流的“同步性”指示其帧的传输时间是否同步到网络时钟或任意本地或应用时钟。
“流可抢占性”指示：
-流是抢占(或快速)的，即，其帧通过快速MAC(eMAC)发送，
-还是可抢占的，即，其帧通过可抢占MAC(pMAC)发送，并且可能在传输之前分段，以仅发送帧的一个或多个片段。
因此，支持IEC/IEEE 60802中定义的不同业务类型的流可由以下的组合表征：
·形状，
·优先级别，
·速率，
·同步性，
·可抢占性
下表列出了与各个IEC/IEEE 60802业务类型关联的组合。
业务类型 形状 优先级别 速率 同步性 可抢占性
等时 CB 7 最大突发大小/循环 网络 抢占
循环同步 CB 6 最大突发大小/循环 网络 抢占
循环异步 RC 5 最大突发大小/循环 应用 抢占
网络控制 RC 4 承诺速率 网络 抢占
警报和事件 RC 3 承诺速率 网络 抢占
配置和诊断 RC 2 承诺速率 应用 可抢占
尽力型 EF 0；1 权重(可用带宽的份额) 应用 可抢占
给定流的帧按FIFO顺序存储在每流队列中。流及其队列由通过应用IEEE802.1CB-2017和IEEE 802.1CBdb-2021中定义的流识别功能之一而获得的标识符唯一地标识。
指示队列是否为空的标志与各个队列关联。
帧描述符与存储在队列中的各个帧关联。该帧描述符包括以下信息：
-帧长度(由以下称为“FrameLength”的变量指定)，以字节表示，
-帧持续时间(由以下称为“FrameDur”的变量指定)，以比特时间表示。比特时间是在传输链路上一比特的传输的持续时间。帧持续时间表示帧的传输所需的传输链路的实际占用及其关联的MAC和物理层开销，它们是针对所使用的传输介质定义的。
这些参数示出于图4中。归功于帧所属的流的传输速率的知识，可从第一个推导第二个。
每流队列按优先级别分组，如图12所示。
在下文中，“网络循环”由基本周期(由以下称为“CyclePer”的变量表示)定义。例如，如果必须分别每200μs、800μs和每600μs调度循环突发传输，则该基本周期可为200μs。
变量“TCycle”以下在任何时间指定当前网络循环的开始时间。它是当前时间“T”除以变量CyclePer(如上所述的基本网络循环的周期)的整数部分。
当除法的余数等于零时，T的对应值则标记新网络循环的开始。
流上下文包含以下参数：
-Type：指示流是CB、RC还是EF的参数。
-Rate：采取以下形式的参数：
οCB流的两个突发之间的周期，以比特时间表示
οRC流和EF流的流的比特率，例如以比特/秒(例如Gb/s)表示
-Offset：仅用于CB流，指示CB流突发相对于循环的开始的时间位置的参数
-BurstLength：仅用于CB流，指示CB流突发的最大持续时间的参数
-NextTxTime：指示CB流的下一突发传输时间或者RC或EF流的下一帧传输时间的参数。
这些参数示出于图5中。
对于CB流，一旦网络接口已(重新)获取循环同步，NextTxTime就以TCycle+Period+Offset的值初始化，其中T的TCycle值标记当前循环的开始。参数“Period”涉及CB帧(要在与循环流有关的固定时间周期之后连续发送)，如图5、图6和图7所示(其中“Periodi”涉及流i)。
NextTxTime以值“0”初始化。每当RC流队列状态从空转变为非空时，如果T严格大于NextTxTime，就以T的当前值更新NextTxTime。否则NextTxTime保持不变。
以下所称的“流配置”包括将应用通信要求映射到给定流的参数上的操作(如下面所呈现的)。假设CB流被配置为使得不同突发的传输机会不交叠。
流配置得到流上下文的参数。在本说明书中所有这些参数以下未必详述。
用于选择下一流以发送帧的机制如下操作：
-对于各个优先级别p，通过比较在其发送队列中具有至少一个帧的该优先级的流的上下文中存储的NextTxTime参数来确定最小NextTxTime(minNextTxTimep)(即，如果与优先级p的流关联的队列为空，则该流的NextTxTime参数不用于确定minNextTxTimep)。
如果优先级别p的所有流的所有队列为空，则该优先级别的流均不是传输候选，minNextTxTimep则取值“null”。
要注意的是，当p是与CB流关联的优先级别时，CB流被认为具有从不为空的队列，因此minNextTxTimep从不取值“null”。
这些队列的示例示出于图12中。
与minNextTxTimep关联的流的队列头帧是优先级p的所有流当中的下一传输候选帧。
每当以下情况时，评估MinNextTxTimep：
·发送优先级别p的流i的帧，并且一旦发送帧，流i的队列就不为空。在这种情况下，更新的值NextTxTime(i)被添加到计算MinNextTxTimep的NextTxTime值集合，或者
·帧被添加到与优先级别p的流关联的空队列，或者
·到达优先级别p的CB流的突发结束时间。
在调度过程初始化时，或者当没有发送帧时，或者在CB突发结束时，按优先级别的降序扫描MinNextTxTimep值的列表，例如当定义8个优先级别时，从优先级别7开始一直到级别0。
在步骤S1中，如果MinNextTxTimep等于“null”(对应FIFO队列通常为空)，则该过程以下一较低优先级别重新开始：p←p-1
在步骤S2中，如果MinNextTxTimep值不同于“null”，则读取与MinNextTxTimep关联的流上下文。
在步骤S3中，如果Type参数被设定为CB或RC，则实现下一步骤S4。否则执行下面的步骤S5。
在步骤S4中，如果T小于MinNextTxTimep，则针对下一较低优先级别(p←p-1)重新迭代上述一系列测试(步骤S1至S4)。否则，操作在下面的步骤S5继续。
在步骤S5中，发起与MinNextTimep关联的流的传输过程。
用于执行这种算法的实施方式的示例示出于图11中。在此示例中，如果要发送的下一帧不属于CB流或RC流(从测试S3的箭头，否)，则要发送的帧是EF可抢占帧，并且可根据这种可抢占业务所特定的机制(即，当出端口空闲时，按片段)来发送。
此外，只要网络时间T还未到达MinNextTxTimep(在步骤S4中测试)，就寻求传输具有以下的可能帧；
-较低优先级别(以p＝p-1递减)，以及
-出现在先前确定的MinNextTxTimep之前的下一传输时间。
否则，当T达到MinNextTxTimep时，在步骤S5发送传输时间是最小下一传输时间(并期满)的CB或RC帧(或者当它所属的RC流为可抢占的时，RC帧的片段)。
在下文中，i表示选择用于传输的流的标识符，即，与MinNextTimep关联的流。附到流i的流上下文中存储的参数使用索引“i”的记法来标识。
要实现用于CB流帧的传输的算法的示例可由图6所示的流程图表示。
NextTxTime(i)增加Period(i)(步骤S21)，导致minNextTxTimep被重新评估(步骤S22)。
通过将BurstLength(i)与T的当前值相加来计算突发结束时间BurstTxEnd(i)(步骤S23)。
如果与流i关联的队列不为空，则在其传输之前评估各个帧的传输结束时间(S25)。帧传输结束时间通过将其帧持续时间(FrameDur，由帧描述符给出)与T的当前值相加来计算。如果帧传输结束时间大于或等于BurstTxEnd(i)，则不发送帧，并且生成错误指示(并且队列可能被刷新)。如果帧传输结束时间小于BurstTxEnd(i)，则发送帧。
如果与流i关联的队列为空，则即使其它类型的帧(例如，RC帧或EF帧)也不发生传输，直至达到BurstTxEnd(i)。如果在达到BurstTxEnd(i)之前帧排入流i的队列中，则在其传输结束时间小于BurstTxEnd(i)的情况下可发送它。否则生成错误指示，并且队列可能被刷新。
当达到BurstTxEnd(i)时(测试S24)，进行下一传输候选流的选择(例如，另一CB流，或者RC或EF流的帧或帧片段，如下面所呈现的)。在图6、图8、图9、图10中，词语“传输候选流的选择”通常涉及要选为传输候选的下一流帧的选择。
图7示出不具有相同Period(Period1不同于Period2)的两个后续CB流的相应形状的示例。在图7上要注意的是，在实施方式中CyclePer参数可被解释为Period1和Period2之间的最大公约数。
现在对于快速RC流帧传输，要实现的算法的示例可由图8所示的流程图表示。
快速RC流具有低于CB流的优先级别。
为了避免干扰较高优先级别的帧的未来传输，在发送快速RC帧之前，通过将帧描述符中指示的其帧持续时间FrameDur与T的当前值相加来计算其传输结束时间。如果在步骤S31帧的传输结束时间大于mink>p(minNextTxTimek)，则不发送该帧，并且不更新minTxTimep。
否则，通过快速MAC来发送帧。
在帧的传输(完成)时，在步骤S32中将NextTxTime(i)增加FrameLength/Rate(i)(以比特时间表示)。如果Queue(i)不为空，则NextTxTime(i)被输入到minTxTimep的更新的计算(步骤S33)并且执行下一传输候选流的选择。
要实现用于可抢占RC流帧传输的算法的示例可由图9所示的流程图表示。
可抢占RC流具有低于快速RC流的优先级别。
除了RC帧传输候选即使其传输可能干扰更高优先级别的帧的未来传输也发送之外，可抢占RC流帧传输操作大部分类似于快速RC流帧传输操作。在这种情况下，通过实现帧抢占来避免干扰：即，帧可被切割成更小的片段以连续发送，直至最小片段，这里不再详述，因为帧抢占机制本身的实现不在本说明书的范围内。
这里，如果可抢占MAC(pMAC)可用于传输，即，它未持有可抢占帧或帧片段，则可抢占RC流帧被传送到pMAC，并且NextTxTime(i)增加FrameLength/Rate(i)(以比特时间表示)。在相同的条件下，如果Queue(i)不为空，则NextTxTime(i)被输入到minTxTimep的计算，并且执行下一传输候选流的选择。
如果可抢占MAC不可用于传输，即，它持有可抢占帧或帧片段，则可抢占RC流帧不被传送到pMAC。在这种情况下，不更新NextTxTime(i)，并且不重新评估minTxTimep。
要实现用于EF流帧传输(“尽力型”)的算法的示例可由图10所示的流程图表示。
EF流具有低于可抢占RC流之一的优先级别。
要发送的EF流帧的选择仅基于与minTxTimep关联的流标识符，如下所述。
EF流帧传输操作与可抢占RC流帧传输操作相同。
如果可抢占MAC(pMAC)可用于传输，即，它未持有可抢占帧或帧片段，则EF流帧被传送到pMAC，并且NextTxTime(i)增加FrameLength/Rate(i)。在相同的条件下，如果Queue(i)不为空，则NextTxTime(i)被输入到minTxTimep的计算，并且执行下一传输候选流的选择。
如果可抢占MAC不可用于传输，即，它持有可抢占帧或帧片段，则EF流帧不被传送到pMAC。在这种情况下，不更新NextTxTime(i)并且不重新评估minTxTimep，并且执行下一传输候选流的选择。
本发明的实现方式可针对支持工业自动化网络中会遇到的混合时间关键业务和非时间关键业务的分组交换网络。
其简化了工业自动化终端站装置中的以太网TSN网络接口的设计。

Claims (15)

1.一种在分组交换网络中实现的用于调度以太网帧的传输的方法，该方法包括以下步骤：
a)基于所述以太网帧中给出并与所述以太网帧所属的流有关的数据的标识来确定要发送的各个以太网帧的优先级别，所述数据由此区分：
*属于要通过连续循环突发发送的流并具有第一优先级别的帧，
*属于速率控制流并具有第二优先级别的帧，以及
*属于非时间关键业务流、具有第三优先级别的帧，所述第三优先级别低于所述第一优先级别和所述第二优先级别，
b)在具有最高优先级别的帧当中确定具有要发送候选帧的最近下一时间的帧，作为用于传输的候选，以及
c)估计所述候选的传输结束时间，并且检查是否没有优先级高于所述候选的帧的下一传输时间出现在所述候选的所述传输结束时间之前，并且最终发送所述候选。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在b)之后，如果最近下一传输时间(MinNextTxTimep)高于(S4)由所述分组交换网络的公共时钟给出的当前时间(T)，则只要在b)中确定的所述最近下一传输时间高于所述当前时间(T)，就以从所述最高优先级别递减得到的优先级别(p＝p-1)重复b)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，属于非时间关键业务流进而具有所述第三优先级别的所述帧被识别为属于可抢占业务，并且每当不发送第一优先级别和第二优先级别的帧时能够发送所述帧，
并且其中，在测试所述最近下一传输时间(MinNextTxTimep)是否高于(S4)所述当前时间(T)之前，确定所述候选是否为具有所述第三优先级别的帧(S3，是)，并且最终所述候选被限定为至少部分地发送。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述以太网帧在其传输之前分别根据其优先级别层叠在FIFO队列中，各个队列与一个优先级别对应，并且具有优先级别p的帧当中的具有相同优先级别p以及最近下一传输时间(minNextTxTimep)的队列头帧是优先级别p的所有帧当中的下一传输候选帧。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，为了以属于要通过连续循环突发发送的流的CB帧来实现b)，各个流具有预定突发传输周期(CBPeriod(i))，基于所述CB帧所属的相应流的所述预定突发传输周期(CBPeriod(i))来计算(S21)所述CB帧的下一传输时间，以确定(S22)最近下一传输时间(minNextTxTimep)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，网络的循环的基本周期(CyclePer)被确定为所述CB帧所属的流的突发传输周期之间的最大公约数，并且其中，相对于一个网络循环或连续网络循环的开始时间来确定属于具有相应不同突发传输周期的相应流的CB帧的下一传输时间。
7.根据权利要求5和6中的任一项所述的方法，其中，如果(S24)当前时间(T)还未到达至少一个CB帧所属的突发的估计的传输结束，则所述至少一个CB帧被选为下一CB帧传输的候选。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，对于CB帧候选，所述下一CB帧的传输结束时间基于所述下一CB帧的给定长度来计算，并且与所述CB帧候选所属的突发的估计的突发传输结束进行比较(S25)，并且仅当其传输结束时间出现在所述估计的突发传输结束之前时，发送所述CB帧候选。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二优先级别低于所述第一优先级别。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，对于属于快速速率控制流并具有所述第二优先级别的RC帧，在发送RC帧之前，基于所述RC帧的给定长度来计算所述RC帧的传输结束时间，并且所述RC帧被确定为仅当(S31)所述传输结束时间出现在针对优先级别高于所述RC帧的任何帧确定的最近下一时间当中的最小值之前时才发送。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述传输结束时间基于所述RC帧的所述给定长度除以网络的传输速率来计算，从而限定所述RC帧的直至所述传输结束时间的传输持续时间。
12.根据权利要求10和11中的任一项所述的方法，其中，在所述RC帧的传输时，与正在发送的所述RC帧相同的流的下一RC帧的下一传输时间(NextTxTime(i))基于正在发送的所述RC帧的所述给定长度来计算(S32)，通过考虑所计算的下一传输时间(NextTxTime(i))来更新(S33)所述最近下一时间的确定。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，能够从各个帧中指示的数据推导以下各项中的至少一个：
-流的类型，
-循环突发流的周期，
-帧长度，
所述数据限定流上下文。
14.一种包括指令的计算机程序，当该计算机程序由处理电路执行时，所述指令使得所述处理电路执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。
15.一种设备，该设备包括：
-处理电路(PROC,MEM)，该处理电路(PROC,MEM)被配置为实现根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，以及
-通信接口(COM,EGP)，该通信接口(COM,EGP)被配置为连接到所述分组交换网络，并且由所述处理电路引导以在所述处理电路调度以太网帧的传输时发送所述以太网帧。
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