时间敏感网络流量调度算法研究

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近年来,时间敏感网络(TSN)任务组一直致力于标准化以太网的实时功能,其提出的高精度的时钟同步、流量整形和调度、数据冗余传输以及网络配置管理等一系列关键技术,为时间敏感型业务的确定性和可靠性传输提供了保障,从而被广泛应用于工业自动化、航空电子设备和车载网络等领域。因此,对时间敏感网络进行研究是一项有重要意义的工作。IEEE 802.1Qbv标准定义的时间感知整形器(TAS)机制作为一种流量整形和调度技术,目标是允许时间触发(TT)流量和尽力而为(BE)流量在同一网络中共存,并且能够满足TT流的有界低延迟的传输需求,同时为BE流提供尽力而为的服务。基于节点间的时间同步,TAS机制虽然保证了实时应用的端到端确定性时延,但是还存在以下弊端:(1)灵活性较差,无法直接适用于具有确定性传输需求的无线网络;(2)在BE时隙末尾引入的保护带造成网络带宽资源浪费严重,降低了BE流的服务质量。本文旨在对TAS机制展开研究并解决上述问题。本文完成的主要工作如下:(1)针对很多场景中存在支持时间敏感型通信业务的无线网络需求,本文旨在将TSN技术应用于无线网络,以提高无线TSN服务的实时性和确定性。但是,现有TAS机制难以抵抗无线网络运行时数据帧丢失所引起的不确定性问题,具有较低的鲁棒性和灵活性。已有解决方案从流量调度层面入手,即通过添加更加严苛的约束条件予以解决,这一限制将减少无线网络中可调度(TT)流的数量,并且调度TT流会占用更多的队列而降低BE流的服务质量。因此,本文提出基于流量调度和门控机制的联合解决方案,即通过流量调度算法求解数据帧的传输时间和分配的队列,并在此基础上,对设备节点的门控制列表(GCL)进行离线配置和扩展。当网络运行时,节点根据GCL的扩展信息来决定是否调度当前数据帧,以保证TAS机制不会扰乱既定的帧发送时序,从而满足无线TSN中实时应用的确定性传输需求,并且提高TT流的可调度性和吞吐量以及BE流的服务质量。最后通过仿真实验比较两种方案针对网络中可调度流的数量、占用队列的数量和运行时间这三方面的性能表现,验证了本文所提出的解决方案具有更佳的性能。(2)针对TAS机制引入的保护带在保证TT流确定性通信需求的同时也带来了带宽资源浪费的问题,本文旨在最大化地利用带宽资源,以提高BE流的服务质量。现有传统队列调度算法中队列分配的权值和调度的次序是固定的,若当前队列中的数据帧不能在保护带内传输完成,则会被延迟到下一个BE时隙传输,这造成保护带内剩余带宽资源被浪费。因此,本文基于传统差额加权轮询(DWRR)调度算法进行改进,采用的基本思想是在每个BE时隙的末尾进行优化,通过对各队列所占用带宽资源的比例进行动态调整,以输出其它队列中的数据帧来占用剩余带宽资源,并在下一个轮次调整到原本的权值分配情况,即维持队列整体权值不变,从而减小带宽浪费。最后通过仿真实验验证了本文所提出的算法能够提高带宽资源利用率,并且随着BE队列数量的增多,带宽资源利用率进一步提高,BE流将获得更好的服务质量。
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