阅读说明：本技术 一种用于混合流量融合的时分复用方法 (Time division multiplexing method for mixed flow fusion ) 是由 陶淑婷 赵沛 闫攀 毛雅欣 于 2019-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于混合流量融合的时分复用方法,在时间敏感网络中设定周期性数据发送时间片,用于传输周期性数据；相邻周期数据发送时间片之间为孔隙时间片,即非周期性数据发送时间片,用于传输非周期性数据；在步骤S1设定的周期性数据发送时间片和非周期性数据发送时间片内,生成每个TDMA周期内的数据调度方案,记为多孔调度方案；采用步骤S2生成的多孔调度方案,发送周期性数据和非周期性数据,实现时间敏感网络中周期性数据和非周期性数据的时分复用。本发明不仅能够保证时间敏感网络混合流量中周期数据的实时发送,保证周期数据具有较小的时延和抖动,还能保证非周期数据的服务质量,使得周期数据和非周期数据得以混合传输。(The invention discloses a time division multiplexing method for mixed flow fusion, which is characterized in that a periodic data sending time slice is set in a time sensitive network and is used for transmitting periodic data; the adjacent periodic data transmission time slices are pore time slices, namely aperiodic data transmission time slices, and are used for transmitting aperiodic data; in the periodic data transmission time slice and the aperiodic data transmission time slice set in the step S1, a data scheduling scheme in each TDMA cycle is generated and recorded as a porous scheduling scheme; and sending the periodic data and the non-periodic data by adopting the porous scheduling scheme generated in the step S2, and realizing the time division multiplexing of the periodic data and the non-periodic data in the time sensitive network. The invention not only can ensure the real-time transmission of the periodic data in the mixed flow of the time sensitive network, ensure that the periodic data has smaller time delay and jitter, but also can ensure the service quality of the non-periodic data, so that the periodic data and the non-periodic data can be transmitted in a mixed way.)

一种用于混合流量融合的时分复用方法

技术领域

本发明涉及一种用于混合流量融合的时分复用方法，属于有线通信技术领域。

背景技术

随着航天器技术的不断发展，其对综合航电技术提出了新的需求，主要表现在对数据的实时性要求更高，要求网络具备更高的数据传输速率，此外还要求系统具有高可靠性、易测试、兼容性等，传统网络难以满足这种新的应用需求。时间敏感网络(TimeSensitive Network,TSN)是国际上最新的一项基于以太网的新型网络技术，具有高带宽、高实时性、高可靠性和高兼容性的特点。该网络兼容了时间触发协议和以太网技术的优势，能够在同一个网络平台上同时传输周期性数据和非周期性数据流。在TSN网络中，周期与非周期数据同时存在，周期性数据包括过程测量与控制信息、监控信息等，具有高优先级、恒定比特速率和严格的延迟抖动要求，周期性数据又称为TT(Time Tigger)数据；周期性数据的优先级均高于非周期性数据的优先级；非周期性数据包括突发事件报警、程序上下载等，具有低优先级、可变比特速率，没有延迟和抖动要求，其中非周期数据又包含RC(RateConstrain)数据和BE(Best Effort)数据，RC数据的优先级高于BE数据优先级，BE数据优先级最低。

传统以太网只能用于传输BE数据，且不能保证数据的传输延迟和抖动。TSN相对传统以太网而言增加了同步功能，能同时保证TT数据、RC数据和BE数据三种混合流量的传输，且能保证TT数据具有固定的时延和很小的抖动。TSN网络中混合流量融合是其中非常重要的一部分，如何进行周期性数据与非周期性数据的混合调度，从而确保周期性数据传输的实时性是TSN特性保证的关键。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种用于混合流量融合的时分复用方法，用于保证在含有周期性数据和非周期性数据的混合流量调度中，既能保证周期性报文的实时性，使周期性数据得到确定性传输且具有固定的延迟和较小的抖动，又能保证在不影响周期报文传输的前提下使非周期报文按优先级进行发送。

本发明解决的技术方案为：如图8所示，一种用于混合流量融合的时分复用方法，步骤如下：

(1)在时间敏感网络中设定周期性数据发送时间片，用于传输周期性数据；相邻周期数据发送时间片之间为孔隙时间片，即非周期性数据发送时间片，用于传输非周期性数据；

(2)在步骤(1)设定的周期性数据发送时间片和非周期性数据发送时间片内，生成每个TDMA周期内的数据调度方案，记为多孔调度方案；

(3)采用步骤(2)生成的多孔调度方案，发送周期性数据和非周期性数据，实现时间敏感网络中周期性数据和非周期性数据的时分复用。

优选的，在每个TDMA周期内的多孔调度方案具体为：

S1：规划周期性数据发送时间片，即将周期性数据发送时间片划分为多个时隙(slot)，每个时隙长度相同；

S2：规划非周期性数据发送时间片，即对非周期性数据发送时间片进行划分，分为两个时隙，第一个时隙用于发送优先级最高的非周期性数据，第二个时隙用于发送其它优先级的非周期性数据，其中第二个时隙的非周期性数据发送采用优先级调度方法，第二个时隙后设置保护带，该保护带用于确保后续发送周期性数据时，没有非周期数据正在进行传输；

S3：在调度中没有消耗掉时间片(即时间敏感网络中周期性数据发送时间片和非周期性数据发送时间片以外的时间片)作为冗余资源，或指定为非周期性中的RC数据发送可用的时间片；

S4：根据时间敏感网络结构，生成网络描述文件；根据规划的周期性数据发送时间片和非周期性数据发送时间片，以及网络描述文件通过相关的配置软件生成一个合理的设备调度表，即形成多孔调度方案；最终将这些调度表配置到网络中各设备。

优选的，设定的周期性数据发送时间片比例根据网络拓扑结构及网络节点的周期性数据流量决定；

周期数据发送时间片之间的孔隙，即为***的空白区间，用来传输非周期性数据。

优选的，步骤(2)中，所述TDMA周期由时间敏感网络中的周期性的节点时间槽构成，所有的TDMA周期都具有相同的时间长度，在TDMA周期中，节点每一次发送数据的长度和内容可能不同，包含周期性数据和非周期性数据；多个TDMA周期构成集群(cluster)周期，即总线运行周期。整个传输时间轴由重复的cluster周期构成。非周期性数据RC和BE可在周期数据TT的间隙内发送。

优选的，步骤S1中，所述slot是一个固定长度的时间片，在一个slot中，可传输固定数量(记为q)的比特数。slot的时间长度记为δ，slot的时间长度δ与周期性数据的发送速率R有关：δ＝q/R。从一个周期性数据发送周期Ts起始时间开始，按照长度δ划分slot。周期Ts包含的slot数为┌Ts/δ┐,┌Ts/δ┐表示对Ts/δ向上取整；当未能整除时，最后一个slot的长度可能小于δ，周期性数据的传输窗口只能开始于某个slot的起点。

优选的，步骤S2中，所述保护带位于第二个时隙结束后，来确保时隙切换时没有非周期性数据正在进行传输，在保护带期间内，不可以开始周期性数据的传输，但可以继续发送正在进行非周期性数据的传输，保护带时间必须覆盖最大非周期性数据传输所花费的时间。

优选的，步骤S2中，所述各非周期性数据使用优先级调度时，其中非周期型数据共有n种优先级，分别记为0，1，2…，n－1，在优先级划分时，优先考虑RC数据，使得RC数据优先级高于BE数据，从而保障RC数据具有较小的延时和抖动。

优选的，步骤S4中，所述没有消耗掉时间片用于RC数据传输时，可能会出现RC数据对TT数据(即周期性数据)的潜在干扰，TT数据可能被当前正在转发的RC数据阻塞，这种情况下可采用三种处理方式防止TT数据被阻塞，分别为抢占、洗牌和及时阻塞。

优选的，步骤S4中，所述的调度表中包含由n个基本周期(Basic Cycle，BC)组成的一个矩阵周期(Matrix Cycle，MC)。BC是所有TT数据的发送周期的最大公约数，n是所有TT数据的发送周期的最小公倍数；在每个BC的前半段发送TT数据，后半段发送RC和BE数据。BC的前半段中，时间资源被分为时隙(solt)，时隙为定长，每个基本周期的最后要留有一个空白时间段作为保护间隔，为了不对下个基本周期的TT数据的发送产生延时。

优选的，步骤S4中，所述网络描述文件是网络规划信息的描述，其包含网络拓扑、帧周期、帧长和冗余等详细的网络描述信息。网络描述文件中包含网络配置表，网络配置表中的参数用来描述网络需求，通过网络配置表的参数能够将一个实际的时间敏感网络结构抽象为一种软件可读的网络描述文件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明对时间敏感网络混合流量采用多孔调度方案，且对周期性数据和非周期性数据采用不同的调度方式，不仅能够保证时间敏感网络混合流量中周期性数据的实时发送，保证周期性数据具有较小的时延和抖动，还能保证非周期性数据的服务质量，使得周期数据和非周期数据得以混合传输。

(2)本发明在周期性数据调度时，采用调度表的方式根据网络拓扑与流量进行调度表规划，每个网络节点都按照调度表的要求，在规定的时间槽内收发数据。调度表根据含有网络规划信息的网络描述文件生成，在调度表生成过程中，既要保证周期性数据分配的虚拟链路参数(周期、帧长)满足要求，同时保证不会出现多条消息竞争使用同一输出链路的情况，在全局同步时间下保证数据可靠及时传输。根据本发明给出调度表的生成方式可得到最佳调度表。

(3)本发明在对非周期性数据调度时，不仅考虑到了数据的优先级划分，还考虑了RC数据的QoS要求。为保证RC数据的延迟和抖动，将周期性数据发送时间片划分为两个时隙，第一个时隙用于传输优先级最高的数据，第二个时隙用于传输其他优先级数据，且为保证时隙切换时没有帧正在进行传输，在第二个时隙调度结束前设置了保护带。

(4)本发明针对RC数据对TT数据可能造成的影响，提出了抢占、洗牌和及时阻塞三种方式，从而可保证TT数据的正常发送。

附图说明

图1为本发明多孔调度图；

图2为本发明TDMA周期及集群周期划分图；

图3为本发明非周期数据调度图；

图4为本发明解决RC数据帧阻塞图；

图5为本发明时间敏感网络配置过程图；

图6为本发明多个基本周期形成的矩阵周期图；

图7为本发明典型时间敏感网络结构图；

图8为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明公开了一种用于混合流量调度的时分复用方法，其中流量是指数据流量，其中数据包括周期性数据和非周期性数据，该方法对时间敏感网络中的混合流量采用多孔调度，先为周期性数据预留一定的带宽，生成首尾紧密排列的周期性数据调度方案，周期性数据之间的孔隙是可供非周期性数据传输的时间片。且对周期性数据和非周期性数据采用不同的调度方式，对于周期性数据(TT数据)采用预先规划时间通道的方法，以全局时钟为基准结合调度表进行消息的收发，所有收发时间发生在各自的时间槽里，通过合理的规划避免数据的冲突；对于非周期数据(RC和BE数据)采用优先级划分的调度方法，具体包括以下步骤：S1:首先为周期性数据预留一定比例的分数带宽，在分数带宽下在每个TDMA周期内均匀排列的周期性数据调度方案，周期性数据之间的孔隙时间片用于传输非周期性数据；S2：规划周期性数据发送时间通道，将周期性数据发送时间片划分为多个时隙，这些时隙一般为定长，不同长度的帧可以占用多个时隙；S3：对非周期性数据发送时间片进行划分，分为两个时隙，第一个时隙用于发送优先级最高的数据，第二个时隙用于发送其他优先级数据，其中第二个时隙的数据发送采用严格优先级调度方法，第二个时隙调度结束前设置保护带用于确保时隙切换时没有帧正在进行传输；S4：对调度中没有消耗掉的时间片可以作为冗余资源，也可以重新指定为RC可用的时间片；S5：根据时间片规划和网络描述文件生成调度表，通常各发送端调度表的内容互不相同，根据调度表发送周期性数据和非周期性数据。本发明不仅能够保证时间敏感网络混合流量中周期数据的实时发送，保证周期数据具有较小的时延和抖动，还能保证非周期数据的服务质量，使得周期数据和非周期数据得以混合传输。

时间敏感网络包含多个网络节点，各网络节点周期性发送数据，各网络节点周期性发送数据的时间构成了TDMA周期，每个TDMA周期内包括周期性数据发送时间片和非周期性数据发送时间片；根据周期性数据发送时间片和非周期性数据发送时间片的规划，生成每个TDMA周期内的数据调度方案，记为多孔调度方案；采用多孔调度方案，发送周期性数据和非周期性数据，可实现时间敏感网络中周期性数据和非周期性数据的时分复用。

本发明用于实现时间敏感网络中混合流量的融合，本发明提出的多孔调度方案采用分时复用技术，通过合理的时间片规划能够保证周期性数据和非周期性数据在同一条物理链路上进行传输，彼此之间互不冲突，且能保证周期性数据的实时性，使得周期性数据具有固定的时延和较小的抖动。

如图8所示，本发明一种用于混合流量融合的时分复用方法，步骤如下：

(1)在时间敏感网络中设定周期性数据发送时间片，用于传输周期性数据；相邻周期数据发送时间片之间为孔隙时间片，即非周期性数据发送时间片，用于传输非周期性数据；

(2)在步骤(1)设定的周期性数据发送时间片和非周期性数据发送时间片内，生成每个TDMA周期内的数据调度方案，记为多孔调度方案；

(3)采用步骤(2)生成的多孔调度方案，发送周期性数据和非周期性数据，实现时间敏感网络中周期性数据和非周期性数据的时分复用。

本发明中多孔调度通过分别划分时间敏感网络中周期性数据时间片和非周期性数据时间片，并在周期性数据时间片和非周期性数据时间片内采用不同的调度方式来实现时间敏感网络中周期性数据和非周期性数据的时分复用。如图1所示，为多孔调度示意图，首先为TT数据预留一定的比例的分数带宽，在分数带宽下生成首尾紧密排列的TT数据调度方案，TT数据之间***空白时间区间，可供RC数据和BE数据传输，最后在调度中没有消耗掉时间片可以作为冗余资源，也可以重新指定为RC数据可用的时间片。其中预留带宽可由用户根据时间敏感网络拓扑结构及网络节点的周期性数据流量来设定。通过采用多孔调度可使高优先级的周期性数据得到优先保障，同时使低优先级的非周期性数据也有一定的及时响应能力，不会在一个很长的时间段被TT流量阻塞而“饿死”。

本发明中TDMA周期由时间敏感网络中各节点周期性发送数据的时间构成，其包含了周期性数据发送时间片和非周期性数据发送时间片。如图2所示为TDMA周期及集群周期划分图。周期性的节点时间槽构成了一个TDMA周期，所有的TDMA周期都具有相同的时间长度。在TDMA周期中，节点每一次发送数据的长度和内容可能不同。多个TDMA周期构成集群(cluster)周期，即总线运行周期。整个传输时间轴由重复的cluster周期构成。时间敏感网络调度采用该分时复用技术，通过合理时间规划能够保证周期数据和非周期数据在同一条物理链路上进行传输，彼此之间互不冲突。时间敏感网络中每一个同步的节点只能在规定的时间序列中规定的时刻进行数据收发操作，通信必须在各自的时间槽内完成，保证彼此之间的数据流不产生冲突。

本发明中规划非周期性数据发送时间片时，将非周期性数据发送时间片分为两个时隙，第二个时隙结束后需设置保护带。优选方案为：如图3所示为非周期数据调度图，每个非周期性数据调度周期被划分成2个吋隙。时隙1只允许最高优先级的流量进行传输，吋隙2允许发送其余优先级的的流量。通过在时隙结束后放置一个保护带来确保时隙切换时没有帧正在进行传输。在保护带期间内，不可以开始新帧的传输，但可以继续发送正在进行传输的帧。保护带时间必须覆盖最大帧传输所花费的时间。如对于符合IEEE 802.3的带有单个802.1Q标签且考虑帧间间隔的以太网帧，总长度为：1518字节(帧大小)+4字节(VLAN标签大小)+12字节(帧间间隔)＝1534字节。保护带时间取决于链路容量，百兆网络下为122.72us。

本发明中步骤S3中，在调度中没有消耗掉时间片指定为非周期性中的RC数据发送可用的时间片时，有可能会出现TT数据被RC数据阻塞的情况。优选方案为：如图4所示为解决TT数据帧阻塞图，尽管TT流量具有高优先级，但如果端系统和转发设备没有能够预先控制RC数据帧的传输时刻，TT流量的数据帧可能被当前正在转发的RC数据帧阻塞，这种情况下具有图4所示的三种处理防止—抢占(preemption)、洗牌(shuffling)、及时阻塞(timelyblock)。

抢占(preemption):当交换机在转发一个低优先级RC信息时，一个高优先级TT数据到达，则低优先级RC信息的传输被打断，先传输TT数据帧，当TT数据帧传输结束后，继续传输被打断的RC信息。

及时阻塞(timely block)：停止转发正在传输的RC数据帧，优先发送新到达的高优先级的TT帧，在TT数据帧传输结束后，重新发送RC数据帧。

洗牌(shuffling):当交换机在转发低优先级消息时，一个高优先级消息到达，高优先级TT消息被延迟，直到低优先级RC消息转发完成。

本发明中步骤S4中，所述网络描述文件是网络规划信息的描述，其含网络拓扑、帧周期、帧长和冗余等详细的网络描述信息。如表1所示为优选的网络描述文件的参数配置，这些参数用来描述网络需求。通过表1的参数可以将一个实际的网络结构抽象为一种特殊格式的软件可读的网络描述文件，再通过相关的配置软件生成一个合理的设备调度表，并最终将这些调度表配置到网络中各设备，配置过程如图5所示。在实际使用过程中可以对这些参数简化处理，只需提供重要的信息如网络拓扑结构、冗余结构和相关的虚链路信息即可完成网络的描述。这里网络拓扑结构可以表现在物理链路参数上，虚链路可以根据任务划分，每一个任务对应一个虚链路，不同的虚链路有不同的帧长、帧周期和冗余信息等参数。

图5为时间敏感网络配置过程图，优选方案为：是将含有网络规划信息的网络描述文件通过相关的配置软件生成一个合理的设备调度表文件，并最终将这些调度表配置到网络中各设备的过程。图5中，优选方案为：TSN-Plan工具将这些网络描述文件结合调度算法生成含有调度信息的网络配置文件；TSN-Build工具将这些网络配置文件结合目标器件信息生成各器件的配置文件；TSN-Load将交换机的配置文件下到交换机内，同时，端系统的配置文件可以通过应用直接装载。

表1网络描述文件的参数配置

本发明中步骤S4中，所述调度表用于描述时间敏感网络中各节点的数据发送时间，该调度表是根据周期数据发送时间片、非周期数据发送时间片及网络描述文件得到的。如图6所示，优选方案为：在时间敏感网络中每个TT数据发送设备都有一个TT数据发送调度表，对TT、RC和BE流量进行分配，调度表中包含由n个基本周期(Basic Cycle，BC)组成的一个矩阵周期(Matrix Cycle，MC)。BC是所有TT流量周期的最大公约数，n是所有TT流量的最小公倍数。在每个BC周期的前半段发送TT流量，后半段发送RC+BE流量。TT段中，时间资源被分为时隙(solt)，一般为定长，不同长度的帧可以占用多个时隙。图6中，优选方案为：共划分了6条虚拟链路，所有TT流量周期最大公倍数即矩阵周期为4×BC，该矩阵周期由4个基本周期循环组成。阴影部分表示有帧发送，空白部分表示没有帧发送。每个基本周期的最后要留有一个最大帧长的空白时间段做为保护间隔，为了不对下个基本周期的TT帧的发送产生延时。

本发明中骤S4中，所述调度表的生成采用离线静态生成，调度表在生成时需要依赖两个原则：左端紧缩原则和均匀间隔原则。图7为典型时间敏感网络网络结构图，优选方案为：该结构由6个端系统和2个交换机级联而成，图7中A_Send等表示端系统的发送表，SW1_A等代表交换机向端系统A的发送表，SW1_SW2等代表交换机SW1向交换机SW2的发送表。表2为发送端A发送任务要求，下面以表2为例说明调度表的生成过程。

表2发送端A任务要求示例

优选方案为：“左端紧缩原则”即任务分配调度时优先考虑最左侧的时间段，这样做可以为后来的任务添加留下尽可能多的余量，方便后续任务的添加。“均匀间隔原则”即对于周期相同的任务在排列时，周期为2m×BC的任务优先选择行标为2^m-1-1的纵向间隔均匀排列，即对于周期4×BC的流量，第一个任务在t11，第二个任务在t31，第三个任务在t21，第四个任务在t41，其它情况依次类推。

优选方案为：表2中帧长不同占用时间槽不同，表中所有任务的最大公约数为1ms所以BC为1ms。所有任务的最小公倍数为4ms所以MC为4ms。得出发送端A的调度表如表3所示。

表3发送端A调度表示例

考虑任务ID0，最左端时间段t11、t21、t31、t41依次发送该链路的帧；

考虑任务ID1时，由于帧长占2个solt，t12和t13联合发送帧1，t32和t33发送帧2，依次循环；

考虑任务ID2时，t14、t24、t34、t44依次发送该链路的帧；

考虑任务ID3时，t15和t16联合发送该链路的帧；

考虑任务ID4时，由于ID4的周期同ID3的周期一样，且slot5还有位置，根据均匀间隔原则ID4的帧在t35排列；

考虑任务ID5时，由于周期与ID1相同且slot2还有位置，根据左端紧缩原则ID5的帧在t22和t42周期传递；

调度表的生成的进一步方案，调度表的生成除了采用离线静态生成方式，还可采用在线动态生成方式，可随时适应适网络拓扑变化，具有更高的灵活性。

非周期性数据调度的进一步方案，可将非周期数据发送时间片不进行时隙划分，直接进行优先级调度，在非周期数据发送时间片中发送当前待发送的非周期性数据中优先级最高的数据。这样可减少因为划分时隙而带来的时间开销，提高非周期性数据中优先级最高的数据的发送速率。

本发明对时间敏感网络中的混合流量采用多孔调度，具体包括以下步骤：S1:在时间敏感网络中设定周期性数据发送时间片，用于传输周期性数据；相邻周期数据发送时间片之间为孔隙时间片，即非周期性数据发送时间片，用于传输非周期性数据；S2：在步骤S1设定的周期性数据发送时间片和非周期性数据发送时间片内，生成每个TDMA周期内的数据调度方案，记为多孔调度方案；S3：采用步骤S2生成的多孔调度方案，发送周期性数据和非周期性数据，实现时间敏感网络中周期性数据和非周期性数据的时分复用。本发明不仅能够保证时间敏感网络混合流量中周期数据的实时发送，保证周期数据具有较小的时延和抖动，还能保证非周期数据的服务质量，使得周期数据和非周期数据得以混合传输。

本发明de调度方法是基于时钟同步为基础的。本发明针对时间敏感网络中的混合流量融合，采用多孔调度方式，且对周期数据报文发送和非周期数据报文发送应用不同的调度策略。先将周期数据报文按一定的比例带宽进行均匀划分，中间***空白区间，用于发送非周期数据，周期数据报文在预先规定的时间片内以全局时钟为基准结合调度表进行消息的收发，所有收发时间发生在各自的时间槽里，通过合理的规划避免数据的冲突；非周期性数据发送时间片分为两个时隙，第一个时隙用于发送优先级最高的数据，第二个时隙用于发送其他优先级数据，其中第二个时隙的数据发送采用严格优先级调度方法，第二个时隙调度结束前设置保护带用于确保时隙切换时没有帧正在进行传输；最后在调度中没有消耗掉时间片可以作为冗余资源，也可以重新指定为RC可用的时间片，为防止RC数据对TT数据造成阻塞，可采用抢占、洗牌和及时阻塞三种方式，从而保证了周期性数据的实时发送，大大减小了周期性数据的时延及抖动(时延可达到100us级，抖动可达到10us级)，使得时间敏感网络中周期性数据与非周期性数据得以混合传输。

未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。