时间敏感网络中流量路径选择与调度的联合优化方法研究

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时间敏感网络(Time Sensitive Networking,TSN)是一种能够为实时系统提供确定性和可靠性传输的新技术。TSN中允许时间触发(Time-triggered,TT)流和非TT流(音频视频桥接(AVB)流、尽力而为(BE)流)的混合通信,并可以提供全局调度传输消息,为时间触发通信提供有界延迟,从而节省成本并保留向后兼容性。在多维数据流混合的情况下,目前TSN的调度算法大多从调度约束的角度提供解决方案,并没有考虑流量传输路径对调度问题的影响。随着TSN的应用规模不断扩大,网络中传输的数据流种类及可选路径越来越多,TSN迫切需要解决TT流和非TT流混合传输的路径规划和调度方面的问题。因此,本文提出了一种TSN路径选择与调度的联合优化方法,该方法融合了资源感知的KPA路径选择算法和基于约束条件的门控调度方法,其主要研究工作如下:1.本文首先分析了TT流和非TT流在传输过程中对时延的不同要求及传输特征,明确了影响路径规划求解的必要因素,提出了一种资源感知的KPA(K-Shortest Path Algorithm,Path criticality,Ant Colony Optimization)路径选择算法。考虑到输入路径样本的多样性,本文首先在备选路径阶段使用K最短路径算法选出K条最短路径作为备选路径,然后通过路径关键度机制对每条路径的性能指标进行量化并降序排列,再从K条备选路径中选出前m条路径作为优选路径,实现了对路径样本的进一步优化;最后在路径选择阶段通过改进的蚁群算法来计算发送端到接收端的TT流最优传输路径,同时也为非TT流规划传输路径,从而提升了网络的传输效率。2.针对TT流传输过程中因传输链路重叠造成的流量冲突问题,在完成TT流和非TT流的传输路径规划后,本文利用门控调度机制并结合调度约束条件,提出了一种基于约束条件的门控调度方法,该方法通过计算在流量调度约束条件下的门控列表,有效解决了TSN多路径传输场景下TT流的传输不确定性问题,满足了TT流对低时延低抖动的要求。3.本文搭建了TSN路径选择与调度的联合优化方法测试验证平台,并基于该平台分别验证了资源感知的KPA路径选择算法和基于约束条件的门控调度方法。验证结果表明,TSN路径选择与调度的联合优化方法使TT流的延迟降低了44%,抖动降低了87%,保证了TSN中关键型数据流的确定性。最后,通过算法的运行时间和可调度性两方面对TSN路径选择与调度的联合优化方法进行对比验证。
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