阅读说明：本技术 一种确定性时延业务智能调度与控制实施方法 (Deterministic time delay service intelligent scheduling and control implementation method ) 是由 汪勤思 于 2020-04-19 设计创作，主要内容包括：针对现有网络不能实现确定性时延业务传输,不能满足协作性应用对确定性时延抖动上界的要求,本发明提供一种确定性时延业务智能调度与控制实施方法。该方法通过网络中转发设备管理平面配置确定时延业务以及端到端时延需求,定义传输时确定性时延业务的标识和时间戳信息,网络节点对确定性业务基于时延需求和时钟戳选择转发路径和发送时间片,实现端到端确定性时延。网络节点根据确定性时延业务转发状况,调整转发队列数和调度周期参数,适配确定性时延业务的传输,提高整体传输性能。另外,通过数据包系列号,实现对确定时延业务实现可靠和按序传输机制,通过逐包确认和丢包及超时反馈机制实现可靠传输,并实现确定性时延业务的复制和消除。(The invention provides an intelligent scheduling and control implementation method for deterministic delay service, aiming at the problems that the existing network can not realize deterministic delay service transmission and can not meet the requirement of cooperative application on the upper bound of deterministic delay jitter. The method determines a time delay service and an end-to-end time delay requirement through the configuration of a forwarding device management plane in a network, defines identification and timestamp information of the deterministic time delay service during transmission, and realizes end-to-end deterministic time delay by selecting a forwarding path and sending a time slice for the deterministic service through a network node based on the time delay requirement and a clock stamp. The network node adjusts the number of the forwarding queues and the scheduling period parameter according to the forwarding condition of the deterministic delay service, adapts to the transmission of the deterministic delay service, and improves the overall transmission performance. In addition, a reliable and sequential transmission mechanism for the determined delay service is realized through a data packet serial number, reliable transmission is realized through packet-by-packet confirmation and packet loss and overtime feedback mechanisms, and the copying and elimination of the determined delay service are realized.)

一种确定性时延业务智能调度与控制实施方法

技术领域

本发明涉及通信中的网络业务传输技术领域，具体涉及在网络传输中，通过路由器实现确定性时延业务的传输，并提供动态传输能力调整。

背景技术

随着5G的部署，网络带宽不再是瓶颈，大量协作型业务应用（如工业互联网、5G切片等）要求保障最差时延或时延抖动，即确定性时延。确定性时延是协同或调度系统的前提，每个功能模块都应该在正确的时刻执行正确的动作。随着业务的日趋复杂，例如股票交易、电网继电保护、在线游戏、云PLC、远程医疗等场景，网络不仅要提供“及时”服务，还要“准时”。

确定性时延网络是指具有以下三个特征的单域网络：1）大量的网络设备，2）两个网络设备之间的距离很长，3）网络中有很多确定性数据流。

这些特征将会带来以下问题：

（1）忽略端到端时延偏差：IEEE TSN发布了一系列适用于LAN的确定性的标准。这些标准大部分都需要LAN内所有设备之间进行时间同步。由于大规模网络中存在大量异构设备，所有设备之间保持精确的时间同步很难而且成本昂贵，所以TSN技术无法直接应用于大规模网络。导致确定性时延网络架构不能够提供有界的延时；

（2）满足新服务创建后的快速收敛：VR通信等应用场景可能需要非常频繁地建立或断开确定性通信连接。在添加新的数据流时需要进行全局重新计算的机制，诸如IEEE 802.1Qbv，不适合用于大规模网络；

（3）细粒度可扩展的资源预留：为了保证确定性流的QoS，网络必须为每个确定性流进行资源预留。路径上的所有设备应该为每个独立的确定性流维护资源预留状态。由于在大规模网络上存在大量的确定性流，这种资源预留方法是不可扩展的；

（4）忽略长链路传输时延容忍：IEEE 802.1 Qch提出了一种典型且有效的周期转发机制，能够使端到端抖动小于2*T（T为一个周期）。但周期T的长度不能太大，同时链路传播时延不能太大。这种限制对大规模网络中的长距链路并不友好。

因此，如何在现有网络技术的基础上，实现确定性时延业务传输，确保对需要确定性时延抖动的上界，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种确定性时延业务的传输方法。主要解决以下技术问题：（1）依据业务的需求，对确定性业务进行识别和标记，并增加时间戳信息，以便网络传输中进行识别确定性时延业务；（2）实现确定性时延业务的端到端传输时延可控制；（3）对确定时延业务实现可靠传输机制，通过逐包确认和丢包及时延反馈机制实现可靠传输；（4）通过对按序传输避免乱序，并实现确定性时延业务的复制和消除。

解决该技术问题所采用的技术方案是：

网络中转发设备管理平面配置确定时延业务以及端到端时延需求，定义确定性时延业务进行标识，网络节点对确定性业务基于时延需求和时钟戳选择转发路径和发送时间片，实现端到端确定性时延。另外网络节点根据确定性时延业务转发状况，调整转发队列数和调度周期参数，适配确定性时延业务的传输，提高整体传输性能。另外，通过数据包系列号，实现对确定时延业务实现可靠和按序传输机制，通过逐包确认和丢包及超时反馈机制实现可靠传输，并实现确定性时延业务的复制和消除。

所述定义确定性时延业务标识，通过定义SRv6中SRH的可选TLV，记录确定性时延业务流ID、系列号和时间戳等信息。

所述网络节点对确定性时延业务进行调度和控制，通过控制平面生成确定性时延业务信息表，该表包括数据流ID、本节点到目的节点较快路径时延、本节点到目的节点另一条较慢路径时延、端到端时延需求等。转发平面收到数据包时，根据确定性时延业务信息表及时间戳信息进入相应的队列。

所述数据包根据确定性时延业务信息表及时间戳信息进入相应的队列，指网络节点根据业务端到端时延需求，计算本地转发不同路径的最长和最短时延，根据剩余时延信息，选择合适的队列和路径，在时间片到达时传输该数据包，如果不能满足端到端时延需求，选择最接近的时间片队列进行传输，并向源端发送反馈信息。

所述网络节点智能调整传输调度参数，指转发节点控制平面读取各队列确定性业务数据包的统计信息，根据统计结果对调度周期和队列数进行智能动态调整，根据预期转发时延的偏差比值调整队列数量，根据最大确定性业务占比调整队列调度周期值。

所述的实现确定时延业务可靠和按序传输机制方法，指通过数据包系列号，实现对确定时延业务实现可靠和按序传输机制，通过逐包确认和丢包及超时反馈机制实现可靠传输，并实现确定性时延业务的复制和消除。

本发明的有益效果在于：

与现有技术相比，本发明可以实现业务对时延的确定性要求。通过对确定性业务数据包增加时间戳信息、流ID和系列号，实现网络传输设备进行数据包转发时，根据数据包时间戳信息和业务的时延要求进入相应的传输队列，实现数据包转发时延控制，满足确定性时延传输要求，对于不能满足时延要求的数据包，按照最合适队列（时延）要求进行传输，并向上游反馈不能满足，以便全网控制器根据网络传输状况进行调整。确定性时延业务传输过程中，各关键节点通过反馈机制进行确认，并根据系列号实现确定性业务的复制和消除，同时各网络节点根据确定性时延业务的转发状况，智能调整时间片轮转调度周期和队列数。

附图说明

图1为本发明确定性时延业务调度与控制实施示意图。

图2为本发明基于SRv6的确定性时延业务数据包示意图。

图3为本发明确定性时延调度和控制实施流程图。

图4为本发明确定性时延业务传输转发平面流程图。

图5为本发明调度与控制参数智能调整流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明是针对确定性网络中，网络设备实现确定性时延业务调度和控制实施方法，在该方法中，网络中的各路由器控制平面将确定性时延业务参数通告给传输路径上的路由器并将相关参数下发到转发平面，转发平面根据下发的参数进行转发。传输时，网络中路由器的转发按时间划分为传输周期（如200ns），在传输周期的固定时间片内(如10ns)，基于时间片轮转调度对确定性时延业务进行转发。

参考图1为确定性时延业务调度与控制实施示意图，在本发明方法中，路由器控制平面包括网管配置模块、路由协议和控制信息处理模块。网管配置模块主要实现对确定性时延业务的配置，路由协议模块则将确定性业务配置信息广播到网络中的其他设备，控制信息处理模块实现确定性业务队列和传输周期的智能调整。

本发明的转发平面包括数据流转发时延信息表、数据流收发信息表、调度队列、数据流收包信息等部分组成。数据流转发时延信息表主要记录确定时延业务相关信息，由控制平面下发；数据流收发信息表则记录确定性时延业务转发过程中的信息；调度队列则实现数据包转发缓存，通过基于时间片轮转调度队不同队列的数据包进行转发调度；数据流收包信息模块主要处理向上游节点发送反馈信息，反馈信息包括重传、收包确认等。

参考图2为基于SRv6的确定性时延业务数据包示意图，为确保确定性时延业务的传输，并兼容现有网络，通过对SRv6数据包SRH字段中可选字段进行改进，对SRH中的optionTLV的16字节，用于记录以下信息：

类型Type：8bit（1字节），用于区分该字段用于确定性时延业务；

长度Length：8bit（1字节），记录确定性业务头字段增加的长度，单位为字节，固定为16；

流ID：20bit，表示确定性业务；

序列号：28bit，表示确定性业务的数据包系列号；

时钟戳：64bit，表示确定性业务数据包开始发送时的时间信息。

确定性业务在进入网络中进行传输时，通过源端生成数据包时，填充以上信息。如果源端不支持SRH信息设置，在接入路由器收到该确定性时延业务数据包时，对确定性业务的SRH进行修改，按照以上格式添加类型、长度、流ID、系列号和时钟戳信息。

参考图3为确定性时延调度和控制实施流程图，具体处理流程如下。

步骤S1：配置确定性时延业务及相关参数

在接入路由器上通过网管配置确定性时延业务的数据流ID、源和目的地址、业务带宽需求和时延抖动需求，通过路由协议向网络其他路由器通告该业务的端到端时延需求，或者云管理平台通过SDN控制器向网络中所有路由器下发确定性业务数据流ID、源和目的地址、时延需求。

步骤S2：路由器控制平面生成确定性时延业务信息表

网络中路由器节点管理平面收到确定性时延业务信息后，计算确定性时延业务相关信息，生成以下确定性时延业务转发信息表：数据流ID、从源端到本转发节点的时延t1、本节点转发时延t2、本节点到目的节点较快路径p1时延t3、本节点到目的节点另一条较慢路径p2时延t4、端到端时延值t。

步骤S3：路由器对确定性时延业务数据流调度

在路由器转发平面，出方向通过4个缓存队列严格按照时间片轮循进行调度，第1个队列内数据包在第1个周期（T1）内转发(当前正在转发)，第2个队列内数据包在第2个周期内（T2=2T1）转发，第3个队列内数据包在第3个周期（T3=3T1）内转发，第4个队列中数据包无固定转发周期，在前三个周期内无数据包转发时，转发该队列中的数据包，转发时长为该周期剩余的时间片。

步骤S4：路由器对确定性时延业务传输

路由器收到确定性时延数据包时，对数据包置入传输队列方法如下：

通过数据包SRH中携带的时钟信息以及本地时钟信息，计算该数据包到本地的实际时延t5；

根据实际时延t5，计算本地转发的最长和最短时延，最短本地时延t00=（t-t5-t4），最长本地时延t01=（t-t5-t3）；

选择合适的转发队列和路径，如果最短本地时延满足T1<t00<3T1，选择第2个或者第3个队列，转发路径为为p2；如果最长本地时延满足T1<t01<3T1，选择第2个或者第3个队列，转发路径为为p1；

如果不能满足步骤5要求，需向源端发送反馈控制；如果t00<T1，则选择第2个队列(早转发)和快路径p1；如果t01>3T1，则选择第3个队列(晚转发)和慢路径p2；其他情况选择第2个队列(早转发)和快路径p1 。

参考图4为转发平面对确定性时延业务处理流程图，详细说明参见随后内容。

步骤S5：路由器智能调整调度周期和队列数

在控制平面读取各队列确定性业务数据包的统计信息，在较长时间内，根据统计结果对调度周期和队列数进行智能动态调整，确保基于时间戳的智能队列调度更为可靠，实现大多数确定性业务数据包在本设备内具有精确的转发时延。参考图5为确定性时延业务调度周期和队列数智能调整流程图，详细说明参见随后内容。

参考图4为确定性时延业务传输转发平面流程图，各路由器对确定性时延业务数据包的具体处理流程如下。

步骤S401：收到数据包时，根据数据包SRH中类型信息，判断是否为确定性时延业务数据包。

步骤S402：如果是确定性时延业务数据包，提取数据包的流ID和系列号，如果是重复报文或者乱序报文，则丢弃该报文，并发送乱序反馈报文。

步骤S403：对确定性时延业务报文，通过本地时钟信息与数据包内时戳计算时延，并根据数据流转发时延信息表计算本节点转发最小时延和最大时延。

步骤S404：对确定性时延业务报文，判断路由器转发队列是否满足确定性时延业务数据包的时延要求，如果不能满足时，对于最小时延小于所有队列最快转发队列，则放入最早转发队列；对于最小时延大于所有队列最慢转发队列，则放入时延最晚转发队列；并向上游发送反馈信息。

步骤S405：对确定性时延业务报文，如果有合适转发队列满足确定性时延业务要求，根据时延信息将数据包放入相应收包序列入队列相应位置，通过轮循调度队列机制向出端口发送报文，如果出端口为多个，则向每个端口发送。

步骤S406：对非确定性时延业务报文，如果不是下游发送的确认报文，将该数据包放入其他数据包发包队列，向出端口发送该报文。

步骤S407：如果是下游发送的确认报文，对于需要重传报文，从确定性业务未确认包队列中找到重传报文，并将其放入最早转发队列。对于确定性业务确认报文，删除未确认业务包队列中的相应数据包。

在步骤5中，路由器智能调整调度周期和队列数，参考图5为调度与控制参数智能调整流程图，具体处理流程如下。

步骤S501：数据包转发时，记录确定性业务数据包在本设备的转发时延tz，计算本节点预期转发时延t2的偏差比值，即（tz-t2）/t2，按照-50%,-30%,-10%,10%,30%,50%分为7个等级，进行统计。

步骤S502：如果确定性数据包统计主要集中在小于0的区域，说明大部分数据包转发时延小于预期值，可减少队列数量，反之，如果主要集中在大于0的区域，则增加队列数量，进行更为精细的确定性业务时延调度。

步骤S503：数据包转发时，记录各队列确定性业务数据包在一个周期内的转发时间之和，在一段时间内，计算确定性业务占用调度时间的比例qi（其中i为队列号）。

步骤S504：如果最大确定性业务占比qi超过90%，说明该队列处于饱和状态，需要增加队列调度周期值T；如果不同队列确定性业务占比qi之间最大差值超过50%，则减小队列调度周期值T。

为进一步保证业务时延的确定性以及按序传输，实现确定性时延业务可靠性，除前述内容外，路由器需要进行以下处理：

1：逐跳确认和丢包反馈：段路由节点在收到确定性时延业务数据包进行转发后，对顺序到达报文，进行延时确认，即在一个周期内，对同一流ID收到包序列号进行统计，对于均按序传输的数据包，统一向上游进行一次确认，上游收到数据包后，对缓存队列进行删除。对于调度时出现乱序时，进行立即确认，即马上向上游节点发送缺少的数据包，以便上游节点尽快重传，减少丢包造成的较大时延抖动；

2、时延反馈：在确定性时延业务入队列时，如果该队列已满或者没有合适队列入队时，则向该业务流初始节点发送背压，对该业务流进行限速或者重新选择路径；

3、抖动：在确定性时延业务数据包进入队列时，记录序列号，并按照序列号进行插入，确保同一业务的按序传输；

4、反馈机制：对于不能满足时延要求的数据包，将该数据包发到最早转发的队列，同时向上游发送反馈信息，上游节点收到反馈信息后，将该业务时延要求动态提升，中间节点对该业务提高优先级；

5、消除：相同流ID的数据包，按照序列号进行传输，对于相同序列号的数据包，只转发一份数据包，多余部分丢弃；

6、复制：对同一ID的确定性时延业务，有多条路径时，需要进行复制；

7、流带宽预留：对于需要进行带宽预留的确定性时延业务，单独设置收包队列，但该队列长度与需要根据预留的带宽计算。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。