面向时间敏感网络的高可靠流量管理机制研究

作     者：郑尧 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄韬

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：时间敏感网络 高可靠性 多径共传 门控列表 

摘      要：时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,TSN)通过流量整形等机制使网络实现零拥塞传输,保证了有上界的传输时延和抖动,被认为是一种有前途的时延保障技术。近来,TSN应用领域对时延和可靠性提出了更高的要求。比如工业互联网领域,要求传输时延在微秒范围,对单点故障恢复的可容忍时延为零。然而,现有的TSN技术在高可靠流量管理机制方面还没有形成通用的流量管理架构,同时,需要解决不相交路由与传输时隙计算的复杂难题。现有的一些文献提出了规划传输时隙的计算门控列表的算法,但是没有考虑可靠性和多径路由的问题。另外一些文献考虑TSN网络中的多径传输机制,但是没有考虑接收端的数据包乱序问题,且算法的链路利用率较低,面临可扩展性差的问题。针对以上问题,本论文设计了一套面向TSN网络的高可靠流量管理(High Reliability Traffic Management,HRTM)机制。HRTM 机制研究将帧复制消除协议(Frame Replication and Elimination for Reliability,FRER)机制与多径共传机制部署到TSN网络中,同时兼容TSN网络的流量整形等机制。HRTM机制以Qcc协议规定的完全集中式架构为基础设计一个两层的架构。结合TSN网络中的相关协议,分别从控制平面和数据平面为时延敏感的数据业务流量设计了高可靠的流量管理机制,满足高可靠时延敏感流量的冗余度需求,保证能够从瞬态或永久故障中无缝地恢复传输。同时,HRTM机制考虑了 TSN网络的特性,实现了更适合FRER机制的不相交多径路由算法。路由算法根据路径流量密度权重动态寻找对其他业务流量影响最小的路由,从而优化了网络流量的负载均衡,提高了为数据业务流规划传输时间窗口的成功率;在满足时延敏感流量有上界的端到端时延等要求下,HRTM机制借助启发式算法解决了高可靠性的数据业务流量的传输时间窗口规划的问题,同时满足高可靠性的数据业务流量的冗余度水平(Redundancy Level,RL)约束;此外,HRTM机制还提出了针对低可靠性需求的数据业务流量的规划方法,引入多径共传机制,充分利用空闲的带宽资源。该方法优化了负载均衡,提高了链路利用率,增加成功调度流的数量。同时,还解决了多径共传机制带来的乱序问题。最后,论文设计并实现了一套仿真验证平台,包含流量模块、拓扑模块、调度模块、交换机模块和分析模块,用于模拟时间感知整形机制,完成流量传输。论文设计多个对比机制,比较路由算法、门控列表算法、以及多径共传机制的性能,还衡量了调度粒度对性能的影响。经仿真实验验证,HRTM机制能够优化时延与抖动,提高资源利用率和成功调度流数。在多数情况下,细粒度的调度可以获得更好的性能。此外,HRTM调度算法的执行时间与调度的数据流数量呈线性关系,与拓扑无关,具有可扩展性,适合用于大规模的拓扑网络。