一种时间敏感网络中的多路径联合调度方法技术

本发明专利技术涉及一种时间敏感网络中的多路径联合调度方法，属于时间敏感网络领域，在路由选择上，考虑因传输链路重叠造成的流量冲突问题和流量低时延、低抖动的传输要求，针对TSN流量特征编码并构建染色体，根据种群适应度函数值为TSN网络中每个TT与非TT流规划传输路径。在调度计算上，设置流量传输约束条件，通过迭代搜索算法为TT流的最优传输路径配置门控列表。结合多路径传输方案与调度阶段联合求解，联合规划路由与调度，在网络中选择多条最优路径，优先保证TT流的传输，随机进入调度阶段计算从而得出最优确定性路径，增加网络中TT流的容纳数量，保证TT流的时延和确定性要求，增加网络带宽利用率。网络带宽利用率。网络带宽利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种时间敏感网络中的多路径联合调度方法


[0001]本专利技术属于时间敏感网络领域，涉及一种时间敏感网络中的多路径联合调度方法。

技术介绍

[0002]随着工业互联网的深入发展，为了实现确定性低延时传输，工业界在标准以太网的基础上提出了多种网络协议，然而互不兼容的网络协议导致了应用难兼容、互操作性差等问题。IEEE 802.1小组提出了时间敏感网络(Time
‑
sensitive Networking，TSN)的概念，提出了一系列链路层增强机制与流量策略的标准和规范，主要包括时间同步、流量调度、可靠传输和网络管理标准。TSN遵循标准的以太网协议体系，天然具有更好的互联互通优势.可以提供确定性延时、带宽保证，可以使相互隔离的工业控制网络进行互连。
[0003]流量调度是TSN标准中的核心机制，不同类型的流量有不同的端到端时延和抖动要求，TSN支持时间触发(Time
‑
triggered，TT)流和非TT流如音视频桥接(Audio Video Bridging，AVB)流、尽力而为(Best Effort，BE)在同一网络中进行传输，对前者提供低延迟、低抖动和低丢包率服务，IEEE 802.1Qbv标准中规定了一种基于门控调度表的调度机制，时间触发流的传输严格遵循门控调度表，避免了其他流量的干扰，从而实现及时而可靠的传输。现目前以路由和调度技术为基础提升TSN性能的方法是当前的研究热点之一。
[0004]路由是指数据包从发送端到接收端进行路径定向的过程。路由主要包括两个步骤：确定路径和传输信息，选择流量的确定路径则是路由的难点，路由算法的目的是找到一条从发送端至接收端的优选路径，路由算法的结果将会对调度阶段施加影响，例如最短路径算法会导致某条链路上负载过大，可能会导致调度阶段无解的情况。
[0005]在现代工业系统中，越来越多的传感器和计算节点导致复杂的网络设计和通信链路上的大量数据交换，对网络服务质量的需求日益增加，时间敏感网络的性能也变的至关重要，许多基于以太网的系统的大量网络设备、交换机和链路产生的路由可能会导致调度失败的情况。
[0006]现有大多数调度解决方案忽略了路由和调度问题的相互依赖性，例如，多数TT流调度解决方案只考虑门控调度，而不考虑路由对调度的影响。换句话说，他们忽略了路由对调度约束的影响，并使用传统的Dijkstra算法来计算通信网络的最短传输路径作为调度阶段的输入。尽管系统是可调度的，但可能会导致调度生成失败或通信链路的拥塞，网络的丢包率高等问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的目的在于解决多路径多输入输出的时间敏感网络中存在路由调度分离、计算效率低、路由调度之间相互影响导致调度失败差等问题，提供一种遗传退火算法与ILP迭代求解的联合调度方法。在路由选择上，考虑因传输链路重叠造成的流量冲突问题和流量低时延、低抖动的传输要求，针对TSN流量特征编码并构建染色体，根据种群适
应度函数值为TSN网络中每个TT与非TT流规划传输路径。在调度计算上，设置了流量传输约束条件，通过迭代搜索算法为TT流的最优传输路径配置门控列表。
[0008]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种时间敏感网络中的多路径联合调度方法，包括以下步骤：
[0010]第一步：TSN交换机根据链路发现协议发现TSN网络拓扑，并通过网络建模方法将TSN网络拓扑抽象为网络有向图；
[0011]第二步：CUC接收由终端设备通过用户配置协议发送的连接请求，并通过用户网络接口UNI发送到CNC，所述连接请求内容包括网络有向图G、候选路径数K、传输方案数量m、路径信息表R、路径方案ω、初始温度T0、群体大小M、最大迭代次数G、变异概率P
d
、交叉概率P
C
、进化代数gen、传输方案m、降温速度b、TSN流量集合F；
[0012]第三步：CNC收到连接请求时，对于某对发送端和接收端，CNC采用K最短路径算法计算K条最短距离路径；
[0013]第四步：CNC遍历是否存在未计算的发送端和接收端，如果是则返回第三步，并将计算的每对发送端和接收端的候选路径数K存到路径信息表R中，如果否则执行第五步；
[0014]第五步：CNC将第四步中输出的R作为第五步的输入，根据TSN流量中TT流量和非TT流的特点与路径信息表R构建染色体，初始化TT与非TT流种群，根据链路冲突度与链路时延构建种群个体适应度函数值，并通过遗传退火算法迭代优化种群，选出最优种群适应度函数值最低的前m条染色体，CNC解码得出m条传输方案并计入路径方案ω中；
[0015]第六步：CNC设置流量传输约束条件；
[0016]第七步：CNC将第五步中计算出的TT流的路径方案ω作为迭代搜索阶段的输入，根据迭代搜索算法与流量传输约束条件，采用ILP求解器求解TT流量传输路径上交换机的门控列表，计算函数值选出最优路径方案及其门控列表X
best
，如果求解失败，增加候选路径解空间数量并返回第三步，如果求解成功，则输出X
best
；
[0017]第八步：CNC将计算的结果封装为XML文件，利用NETCONF协议将基于XML的门控调度表配置到TSN交换机，并将流量传输计算结果通过CUC发送到TSN终端设备。
[0018]进一步，所述第一步中，TSN的网络拓扑表示为网络有向图G＝(V，E)，其中V是点集，表示网络中的交换机和终端系统的集合；E是边集合，代表一组二元组，表示网络拓扑中的每条链路，使得E≡{(BR
i
，BR
j
)|BR
i
，BR
j
∈V，BR
i
≠BR
j
且BR
i
和BR
j
之间存在联系}；每条链路(BR
i
，BR
j
)∈E由二元组(bw，Ld)构成，其中是链路(BR
i
，BR
j
)的剩余带宽，是链路延迟，Ld由BR
i
中的处理延迟BR
j
中的传输延迟和(BR
i
，BR
j
)中的传播延迟组成。
[0019]进一步，将从发送端开始且按照一定要求传输到接收端的有序数据序列称为流，所有TSN流的集合记为F，F按照TT流优先级与非TT流排序，对于每种不同的流，其参数包含流的传输路径R
i
、流的传输周期T
i
、流的负载值P
i
、流的端到端时延限制D
i
；对于流F
i
，每个TSN流F
i
表示为四元组F
i
≡(R
i
，T
i
，P
i
，D
i
)。
[0020]进一步，第三步中所述采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时间敏感网络中的多路径联合调度方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：TSN交换机根据链路发现协议发现TSN网络拓扑，并通过网络建模方法将TSN网络拓扑抽象为网络有向图；第二步：CUC接收由终端设备通过用户配置协议发送的连接请求，并通过用户网络接口UNI发送到CNC，所述连接请求内容包括网络有向图G、候选路径数K、传输方案数量m、路径信息表R、路径方案ω、初始温度T0、群体大小M、最大迭代次数G、变异概率P
d
、交叉概率P
C
、进化代数gen、传输方案m、降温速度b、TSN流量集合F；第三步：CNC收到连接请求时，对于某对发送端和接收端，CNC采用K最短路径算法计算K条最短距离路径；第四步：CNC遍历是否存在未计算的发送端和接收端，如果是则返回第三步，并将计算的每对发送端和接收端的候选路径数K存到路径信息表R中，如果否则执行第五步；第五步：CNC将第四步中输出的R作为第五步的输入，根据TSN流量中TT流和非TT流的特点与路径信息表R构建染色体，初始化TT流与非TT流种群，根据链路冲突度与链路时延构建种群个体适应度函数值，并通过遗传退火算法迭代优化种群，选出最优种群适应度函数值最低的前m条染色体，CNC解码得出m条传输方案并计入路径方案ω中；第六步：CNC设置流量传输约束条件；第七步：CNC将第五步中计算出的TT流的路径方案ω作为迭代搜索阶段的输入，根据迭代搜索算法与流量传输约束条件，采用ILP求解器求解TT流传输路径上交换机的门控列表，计算函数值选出最优路径方案及其门控列表X
best
，如果求解失败，增加候选路径解空间数量并返回第三步，如果求解成功，则输出X
best
；第八步：CNC将计算的结果封装为XML文件，利用NETCONF协议将基于XML的门控调度表配置到TSN交换机，并将流量传输计算结果通过CUC发送到TSN终端设备。2.根据权利要求1所述的时间敏感网络中的多路径联合调度方法，其特征在于：所述第一步中，TSN的网络拓扑表示为网络有向图G＝(V，E)，其中V是点集，表示网络中的交换机和终端系统的集合；E是边集合，代表一组二元组，表示网络拓扑中的每条链路，使得E≡{(BR
i
,BR
j
)|BR
i
,BR
j
∈V，BR
i
≠BR
j
且BR
i
和BR
j
之间存在联系}；每条链路(BR
i
,BR
j
)∈E由二元组(bw，Ld)构成，其中是链路(BR
i
,BR
j
)的剩余带宽，)的剩余带宽，是链路延迟，Ld由BR
i
中的处理延迟BR
j
中的传输延迟和(BR
i
,BR
j
)中的传播延迟组成。3.根据权利要求1所述的时间敏感网络中的多路径联合调度方法，其特征在于：所有TSN流的集合记为F，F按照TT流优先级与非TT流排序，对于每种不同的流，其参数包含流的传输路径R
i
、流的传输周期T
i
、流的负载值P
i
、流的端到端时延限制D
i
；对于流F
i
，每个TSN流F
i
表示为四元组F
i
≡(R
i
,T
i
,P
i
,D
i
)。4.根据权利要求1所述的时间敏感网络中的多路径联合调度方法，其特征在于：第三步中所述采用K最短路径算法计算K条最短距离路径包括：利用K最短路径KSP算法求出一对ES
i
和ES
′
i
的K条候选路径P
k
，对于所有ES
i
,ES
′
i
∈ES，通过输入网络有向图G、发送端ES
i
、接收端ES
′
i
和路径的条数K，输出K条路径集p
K
；KSP具体执行步骤如下：S31：输入网络有向图G、发送端ES
i
、接收端ES
′
i
和候选路径数K、初始化偏离节点u
x
的数
组f[]；S32：CNC使用Dijkstra算法来计算出从ES
i
到ES
′
i
的最短路径p
n
(n＝1)，将求得的p
n
作为可扩展路径来求解下一条次短路径；S33：将p
n
作为可扩展路径，进而计算出该扩展路径上的偏离节点，并将计算值放入偏离数组f[]中；S34：CNC依次遍历f[]中的偏离节点BR
i
(i＝1,2,
…
,x)，再采用Dijkstra算法来计算出每一个偏离点从ES
i
到ES
′
i
的最短路径将求的最短路径和从ES
i
到偏离节点BR
i
的路径连到一起放到候选路径列表U中；S35：CNC对U根据跳数排序，选出跳数最小的路径即为所求的p
n+1
,放入候选路径集合中，p＝p
n+1
；S36：CNC判断n+1是否小于k，如果是，将该路径从U中移除，返回步骤S33；否则，输出已求解出的所有路径，算法结束。5.根据权利要求1所述的时间敏感网络中的多路径联合调度方法，其特征在于：第五步所述初始化TT流与非TT流种群，根据链路冲突度与链路时延构建种群个体适应度函数值，并通过遗传退火算法迭代优化种群，选出最优种群适应度函数值最低的前m条染色体，CNC解码得出m条传输方案并计入路径方案ω中，具体包括以下步骤：S51：初始化参数，输入群体大小M，最大迭代次数G，交叉概率P
C
，变异概率P
d
、进化代数gen＝0，初始温度T0，降温速度b；S52：执行TSN染色体编码生成TT流初始种群G(S)，计算G(S)中每个个体的适应度F(S
i
)，选择适应度值最高的前N个体，直接添加到下一代种群中；S53：对剩余的(M
‑
N)个个体执行交叉和模拟退火变异操作，概率为和直到接受的新个体达到种群规模M
‑
N；S54：将交叉变异后的(M
‑
N)个个体与步骤S52中确定的N个精英个体组合，形成一个新的种群G(S+1)；S55：评估新种群G(S+1)中个体的适应度，并保存TT流前m个最佳个体；判断是否满足算法是否达到最大迭代次数；如果是，则输出TT流前m个最优个体并终止算法，否则转到步骤S52；S56：初始化参数，生成非TT流初始种群G
′
(s)，在TT流前m个最优个体基础上通过遗传退火算法计算最优路径；得到TSN流的m条传输路径。6.根据权利要求5所述的时间敏感网络中的多路径联合调度方法，其特征在于：所述TSN染色体编码为采用实数编码方式构建染色体，每条染色体个体代表TSN流的具体传输路径，染色体个体中第i个基因中数字j表示第i个TSN流F
i
选择路径信息表R中的第j条路径；每条染色体代表每条TSN流的具体传输路径，基因的长度对应TSN流的数量，每一个基因有K条路径选择。7.根据权利要求5所述的时间敏感网络中的多路径联合调度方法，其特征在于：在所述步骤S52中计算G(S)中每个个体的适应度F(S
i
)的步骤为：通过一种由链路冲突度η(S
i
)和端到端时延D(S
i
)构成的适应度函数F(S
i
)来评估个体S
i
优劣，染色体编码后按编码规则对个
体进行解码，得到S
i
的传输路径，再计算F(S
i
)；具体包括：根据路径信息表R得出某条路径p
i
＝ES
i
→
BR1→
BR2→…→
BR
h
→
ES
′
i
；假设TSN流数量为y，p
i
的跳数h等于TSN交换机的数目h
i
＝len(p
i
)
‑
2；冲突路径条数p
conflict
、总路径条数p
con
、阈值Q的计算步骤如下：S521：使用数组F[...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏旻，陈凯，王晋，刘畅，霍承杰，徐江珮，丁增勇，喻潇，
申请(专利权)人：国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：