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一种时间敏感网络GCL自适应调整算法

北京邮电大学学报 2022年第1期45卷 26-32页

作者：周小明仇梓鑫朱瑾瑜张恒升赵成林国网辽宁省电力有限公司科技互联网部沈阳110055 北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876 中国信息通信研究院技术与标准研究所北京100083

时间敏感网络(TSN)使以太网技术能够在具有严格时延限制的任务关键型系统中使用。目前在网络上进行部署的TSN大多是静态的,TSN设备无法对拓扑更改或流量的动态变化做出反应。针对上述问题,通过建立门控列表(GCL)模型,推导了理论上时间... 详细信息

时间敏感网络(TSN)使以太网技术能够在具有严格时延限制的任务关键型系统中使用。目前在网络上进行部署的TSN大多是静态的,TSN设备无法对拓扑更改或流量的动态变化做出反应。针对上述问题,通过建立门控列表(GCL)模型,推导了理论上时间敏感流的端到端时延,提出了一种GCL持续时长自适应调整算法。根据TSN工作组提出的IEEE 802.1Qcc标准,为GCL的动态配置仿真实现了集中式网络控制器模块。集中式网络控制器管理网络上运行的应用并检测流量变化,之后根据提出的算法动态配置TSN设备,以保障时间敏感业务在流量发生变化时稳定可靠的传输。仿真结果表明,相比静态的TSN配置,使用GCL自适应调整算法后时间敏感流的平均时延满足率提升1倍以上。

关键词：时间敏感网络门控列表集中式网络控制器

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时间敏感网络下的一种新型灵活门控机制

计算机工程与科学 2023年第9期45卷 1553-1562页

作者：林佳烁李伟超成剑詹双平冯景斌王涛黄倩怡唐博汪漪南方科技大学计算机科学与工程系广东深圳518055 鹏城实验室广东深圳518055 广东工业大学自动化学院广东广州510006 中山大学计算机学院广东广州510006 南方科技大学未来网络研究院广东深圳518055

时间敏感网络流调度算法通常需要生成大量的门控事件。这超出了网络设备的能力,使得调度算法难以在实际网络中部署。针对此问题,提出一种新型灵活门控机制,通过放松实时业务流与尽力而为业务流严格隔离的约束,允许部分节点对实时业务流... 详细信息

时间敏感网络流调度算法通常需要生成大量的门控事件。这超出了网络设备的能力,使得调度算法难以在实际网络中部署。针对此问题,提出一种新型灵活门控机制,通过放松实时业务流与尽力而为业务流严格隔离的约束,允许部分节点对实时业务流不启用门控机制。该机制允许灵活地选择在各个网络设备端口对各实时业务流使能门控,能够将调度实时业务流所需的门控事件最多减少91.6%,其甚至允许实时业务传输路径上存在不支持门控调度的网络设备,实现与普通网络的混合组网。

关键词：时间敏感网络确定性网络传输流量调度灵活门控门控列表

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基于时间敏感网络的门控调度算法研究

电光与控制 2023年第3期30卷 58-62页

作者：李佳庆陈水忠魏刚李昕光电控制技术重点实验室河南洛阳471000 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所河南洛阳471000

时间敏感网络在标准以太网的基础上通过增加高精度时间同步、资源预留及路径控制、流量整形和业务调度等一系列关键技术,能够保证数据传输的实时性和可靠性。然而,启发式算法在实现门控调度时,数据的周期比过大会导致缓存容量增大和相... 详细信息

时间敏感网络在标准以太网的基础上通过增加高精度时间同步、资源预留及路径控制、流量整形和业务调度等一系列关键技术,能够保证数据传输的实时性和可靠性。然而,启发式算法在实现门控调度时,数据的周期比过大会导致缓存容量增大和相同优先级数据同时、同向传输时无控制调度等问题。为此,优化改进了门控调度的启发式算法,通过采取数据周期感知和输出缓存长度感知循环等技术,解决了缓存容量不足和时延抖动等问题。仿真结果表明,与传统的启发式算法相比,所提算法在数据周期比超过60倍时能有效减少门控列表90%的存储空间,在相同优先级数据传输情况下平均时延抖动降低了约50%。

关键词：时间敏感网络网络传输门控调度门控列表启发式算法时延抖动

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时间敏感网络调度控制算法的研究

时间敏感网络调度控制算法的研究

作者：仇梓鑫北京邮电大学

学位级别：硕士

随着网络技术的快速发展和垂直行业应用的扩展,在数据传输层面,需要网络传输的具有更高的确定性、实时性和可靠性。传统的以太网不能满足各行业的实时性要求。虽然目前一些现场总线技术和工业以太网技术已得到一定应用,但其需要专用、... 详细信息

随着网络技术的快速发展和垂直行业应用的扩展,在数据传输层面,需要网络传输的具有更高的确定性、实时性和可靠性。传统的以太网不能满足各行业的实时性要求。虽然目前一些现场总线技术和工业以太网技术已得到一定应用,但其需要专用、昂贵且符合供应商要求的设备来实现尽可能最佳的实时性能。为此,IEEE 802.1工作组提出了时间敏感网络(TSN)的概念。TSN是位于数据链路层的一系列技术的总称,提供具有确定性时延的数据传输能力。本文主要研究时间敏感网络的调度控制算法。具体而言,CNC对TSN交换机的时间感知整形器进行配置,以满足时间敏感流的端到端时延要求。针对不同的网络场景,本文提出了三种TSN调度算法。首先,针对静态TSN配置下网络灵活性不足的问题,推导了单交换机场景下的理论上时间敏感流的最大端到端时延,提出了一种GCL门控持续时长自适应调整算法ATSW,可部署在CNC模块中对交换机进行动态的配置。其次,在多交换机场景下,为了解决ATSW算法适用范围较小的问题,基于模糊控制,提出了一种更为灵活的自适应时间敏感窗口动态调度算法FC-ATSW,根据一系列模糊规则来配置中间交换机的GCL时间敏感窗口值。最后,在复杂网络场景中,仅考虑GCL调度无法满足时间敏感流的时延要求,因此将路由与GCL的调度联合考虑,提出一种基于强化学习的TSN联合路由与调度算法RL-JRS,逐条对时间敏感流训练,得出所有时间敏感流的最优状态动作序列。本文使用基于OMNeT++仿真软件的开源TSN仿真器CoRE4INET搭建TSN仿真平台。构建不同场景下的网络拓扑,验证本文所提的三种TSN调度算法。仿真结果表明,三种调度算法均可满足相应场景下的时间敏感流的时延要求。

关键词：时间敏感网络门控列表集中式网络控制器

面向拓扑变化的时间敏感网络配置方法研究与实现

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面向拓扑变化的时间敏感网络配置方法研究与实现

作者：徐威重庆邮电大学

学位级别：硕士

时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,TSN)是一种以最小的时延来确保网络实时通信的新兴以太网技术,能够保证数据低时延、高可靠的传输。在网络运行过程中,无法避免会存在一些因素造成网络拓扑变化,例如网络业务的增多、网络设备的... 详细信息

时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,TSN)是一种以最小的时延来确保网络实时通信的新兴以太网技术,能够保证数据低时延、高可靠的传输。在网络运行过程中,无法避免会存在一些因素造成网络拓扑变化,例如网络业务的增多、网络设备的断开连接、网络设备的增加等,进一步导致网络中实时流量传输调度方式发生变化。因此,网络管理者需根据网络的实时需求对网络重新配置。然而,目前网络配置技术大多是静态配置,存在一定的局限性。针对上述情况,如何能够快速的针对网络中设备变化造成网络拓扑变化的场景去实现时间敏感网络配置的重新计算是一个迫切需要解决的问题。因此,本文设计了一种面向拓扑变化的时间敏感网络配置方法并进行了实现,主要研究工作如下:1.针对时间敏感网络中网络拓扑变化,本文基于IEEE 802.1Qcc完全式集中配置模型提出了一种面向拓扑变化的时间敏感网络配置模型,设计了一种面向拓扑变化的时间敏感网络配置方法。该方法针对为网络拓扑变化后的网络配置问题,通过网络拓扑发现机制获取网络变化情况,通过路径选择算法重新为TSN流规划传输路径,再为TSN流进行调度,提高了网络配置效率。2.基于本文所提的路径选择方法,通过CNC完成对TSN流传输路径规划后,本文设计了一种门控列表调度方法。该方法通过对每条传输路径上传输的TSN流设计相关约束条件,为路径上传输的TSN流计算调度周期、分配传输时隙,然后计算出拓扑变化后的TSN流传输的门控列表。拓扑变化后,CNC通过重新计算TSN流的传输路径和门控列表从而保证拓扑变化后TSN流的确定性传输以及网络的高效配置。重新计算的配置文件被下发到TSN交换机中,实现面向拓扑变化的配置信息更新和时间敏感网络的动态配置。3.本文搭建了面向拓扑变化的时间敏感网络配置方法测试验证平台,并对拓扑变化前后的网络配置信息进行测试验证及传输时延进行分析。测试结果表明,在使用本文所提的配置方法后,能够实现网络拓扑变化后的网络拓扑发现、路径的重新选择、门控列表重新计算的功能;且在采用本配置方法后,可有效降低TSN流的传输时延,TSN流的最大传输时延从22.8μs降低到16.63μs。综上所述,本文所提的面向拓扑变化的时间敏感网络配置方法可以实现拓扑变化后网络的动态配置,有效提高网络管理效率和保证TSN流传输的确定性。

关键词：时间敏感网络配置方法网络拓扑路径选择门控列表

基于时间敏感网络的列车通信网络门控调度算法研究

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基于时间敏感网络的列车通信网络门控调度算法研究

作者：聂晨浩北京交通大学

学位级别：硕士

随着列车智能化趋势的发展,智能设备的种类和数量不断增加,导致列车通信网络需要传输的数据流规模逐渐扩大。为确保智能列车的安全可靠运行,关键数据的传输必须具备高实时性,且要保证大规模数据流的有序低时延调度。对此,本文通过研究... 详细信息

随着列车智能化趋势的发展,智能设备的种类和数量不断增加,导致列车通信网络需要传输的数据流规模逐渐扩大。为确保智能列车的安全可靠运行,关键数据的传输必须具备高实时性,且要保证大规模数据流的有序低时延调度。对此,本文通过研究基于时间敏感网络(Time-Sensitive Network,TSN)的门控调度算法,利用门控列表(Gate Control List,GCL)实现对高优先级和低优先级数据的分开调度从而保证高优先级关键数据流的高实时性要求,同时设计等价化简技术化简约束规模,结合增量调度方法提升大规模数据流的调度效率。论文的主要研究工作如下:(1)分析列车通信网络拓扑结构及数据流特点,提出基于帧调度的门控调度算法。通过搭建网络及流量模型、构建调度约束、设计约束求解器完成算法设计。算法实现包含输入拓扑与流量文本文件解析、约束框架构建以及约束求解模块搭建这几部分,最终得到可行的门控调度。此外,完成门控调度算法配置软件的设计。(2)针对大规模流量调度需求提出基于增量调度的门控调度算法。通过分析网络模型及约束条件,设计等价化简技术实现约束规模的化简,并通过化简实例对化简技术进行说明。最后,分别从节点数据流统计的实现与节点线性约束构建两方面完成算法整体实现。(3)利用OMnet++搭建列车模拟网络拓扑进行仿真实验,验证基于帧调度的门控调度算法的实时性与可靠性。根据列车通信网络相关链路参数对网络拓扑进行设置,之后将门控列表转化为xml文件格式,配置在拓扑中终端设备以及交换机端口设备进行仿真实验,将实验结果与严格优先级调度配置下数据流的时延与抖动特征进行对比得出:在特定实验条件下,所研究算法TT流抖动可降低45.0%,最高传输时延可降低23.2%。综上所述,本文基于帧调度的门控调度算法可以很好保障关键数据流的高实时性。(4)选取三组不同规模数据流利用基于增量调度的门控调度算法进行调度。实验结果表明:在特定实验条件下,随着数据流规模的增多,调度时间的平均提升比率由25%提升至41%,约束化简率由8%提升至28%。综上所述,本文基于增量调度的门控调度算法可以提高大规模流量的调度效率,保证大规模数据流的实时调度。

关键词：时间敏感网络帧调度门控列表增量调度调度约束实时性

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面向时间敏感网络的高可靠流量管理机制研究

面向时间敏感网络的高可靠流量管理机制研究

作者：郑尧北京邮电大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：时间敏感网络高可靠性多径共传门控列表

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基于软件定义的时间敏感网络跨域调度机制

通信学报 2021年第10期42卷 1-9页

作者：汪硕黄玉栋黄韬霍如刘韵洁北京邮电大学网络与交换国家重点实验室北京100876 网络通信与安全紫金山实验室江苏南京211111 北京工业大学信息学部北京100124

针对时间敏感网络的跨域调度问题,提出了基于软件定义的时间敏感网络跨域调度机制。该机制基于3种广域时钟同步技术来保障纳秒级域间时间同步。提出了时隙无冲突跨域调度模型,解决了域间链路时延带来的时隙对齐问题,利用时隙无冲突约束... 详细信息

针对时间敏感网络的跨域调度问题,提出了基于软件定义的时间敏感网络跨域调度机制。该机制基于3种广域时钟同步技术来保障纳秒级域间时间同步。提出了时隙无冲突跨域调度模型,解决了域间链路时延带来的时隙对齐问题,利用时隙无冲突约束严格限制跨域流量在边缘节点的到达时间,最终在线计算得到融合各域的全局调度门控列表。实验结果表明,在典型的跨域远程工控场景下,所提模型能调度上百条时间敏感流量,并具有可行的秒级逐流执行时间。

关键词：时间敏感网络软件定义跨域调度门控列表服务质量

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基于约束策略的TSN门控调度研究

基于约束策略的TSN门控调度研究

作者：代佳霖重庆邮电大学

学位级别：硕士

在工业不断发展的今天,传统的工业网络已经无法满足复杂工业场景中关键数据流的传输。随着时间敏感网络（Time Sensitive Network,TSN）近些年的发展和推广,越来越多的人将这项技术引入到了工业控制领域。在本文中,我们针对TSN中关键技... 详细信息

在工业不断发展的今天,传统的工业网络已经无法满足复杂工业场景中关键数据流的传输。随着时间敏感网络（Time Sensitive Network,TSN）近些年的发展和推广,越来越多的人将这项技术引入到了工业控制领域。在本文中,我们针对TSN中关键技术——时间感知整形器（Time Aware Shaper,TAS）提出了一种基于约束策略的调度方案,该方案根据网络中多条关键数据流的端到端服务质量（Quality of Service,Qo S）提出了网络约束策略和网络资源优化方案,生成门控列表（Gate Control List,GCL）。论文的主要研究工作如下:1.分析研究时间敏感网络国内外发展现状以及关键技术,整理归纳时间敏感网络的技术标准、协议特点、国内外产业研究现状和时间敏感网络流量调度,总结了时间敏感网络门控调度需要解决的关键问题。2.通过分析研究工业网络的流量特征,定义时间敏感网络中不同优先级流量类型,建立了基于实时同步周期流的传输周期、数据帧大小、最大传输时延、最大传输抖动等参数的流量模型,提出了基于TAS传输机制的传输偏移时间概念,建立了约束策略的流量模型,以满足关键数据流端到端Qo S需求为目的,提出了一种基于约束策略的调度方法,该方法可以由传输周期约束、传输时延约束、传输抖动约束和传输时间约束生成一组门控列表。3.为减少门控带宽资源的损耗,以门开关准备时间为切入点,在四个约束策略的基础上提出了门控带宽的优化方案,通过仿真实验分析,在输入相同模拟数据流的情况下,门控带宽资源的损耗在优化后得到显著改善。4.搭建时间敏感网络测试验证平台,根据仿真结果所得的门控列表,设计了门控周期等分调度测试、基于约束策略调度方案测试和门控带宽优化方案测试三种针对实时同步流的测试方案,测试结果证明:本文所提出的基于约束策略的调度方法在应用于实际的时间敏感网络中能满足数据端到端Qo S需求,同时,门控带宽优化方案不仅减少了门控带宽资源的损耗,同时也能保持数据端到端的传输性能。

关键词：时间敏感网络时间感知整形器约束策略门控列表