一种时间敏感网络中信用值流量调度系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及通信技术领域，提供了一种时间敏感网络中信用值流量调度系统，包括：CBS读取数据缓存单元，用于产生读使能信号控制读取CBS核心功能块中已经缓存的流量；信用值控制单元，用于定义CBS的参数值，并输出电平信号至队列选择传输单元用于判断队列传输的条件；信用值更新单元，用于控制队列中数据帧传输时队列信用值的变化；队列选择传输单元，用于判断各队列是否满足传输条件，并产生读使能信号反馈至CBS读取数据缓存单元读取缓存中的流量数据。突破目前流量整形算法CBS对音视频两个队列数量的限制，将其扩展至多个队列并应用于工业控制领域，同时采用FPGA主控芯片实现CBS的核心机制从而达到对业务的共网传输。核心机制从而达到对业务的共网传输。核心机制从而达到对业务的共网传输。

【技术实现步骤摘要】
一种时间敏感网络中信用值流量调度系统及方法


[0001]本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种时间敏感网络中信用值流量调度系统及方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着智能工业、自动驾驶等新兴应用的出现，其对于网络中数据传输的实时性、确定性、可靠性等性能要求提出了新的挑战。而以太网技术具有传输数据速率高且成本较低的优势，其愈来愈多的应用于工业网络中。但传统以太网采用的CSMA/CD机制会导致通信过程出现数据冲突，并且不能满足工业领域中对数据实时性传输要求。
[0003]为了寻求更好的解决方案使得以太网满足新的性能需求，时间敏感网络技术（Time Sensitive Networking，TSN）应运而生。时间敏感网络由多个IEEE 802.1协议簇组成，其允许时间敏感流与普通尽力而为流量在同一网络中传输，使得标准以太网具备了数据传输的确定性、实时性等优势性能。
[0004]时间敏感网络通过增强时间同步、流整形与调度及资源分配等技术实现业务高质量共网传输。由IEEE 802.1 AS定义的精确时钟同步协议可为网络提供精确的时钟调整和频率补偿；而IEEE 802.1 Qat（流预留协议）可为网络中流传输的通信链路预留带宽；经过IEEE 802.1 Qav（时间敏感流排队与转发协议）定义的基于信用量的流量整形算法（Credit Based Shaper，CBS）对时间敏感流及普通以太网流量进行整形与调度。将三者实现并应用于车内网络，可为网络中的多媒体实时数据流提供确定性服务。
[0005]随着技术的不断更新与发展，时间敏感网络工作组在三个协议中不断补充新的内容，以适应及兼容更多的应用场景。而对于TSN技术的研究与开发，最重要的一点在于如何对网络中时间敏感流与非时间敏感流进行一个有效的调度，以及使得网络中各个节点的时间保持同步。AS协议定义不同类型报文在节点或网桥间交互实现路径延迟测量及时间同步，在节点或网桥间达到一定范围内的时间同步误差后再采用调度算法对流量进行调度，这种方法可保证流传输的实时性。但是本专利技术涉及的基于信用量的流量整形算法CBS目前在车载网络中应用较为广泛，只支持对2个队列流量（音视频流量）的整形。当需要应用于工业控制领域时，需要对多个不同队列进行整形，在现有技术中还没有实现。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种时间敏感网络中信用值流量调度系统及方法，突破目前流量整形算法CBS对音视频两个队列数量的限制，将其扩展至多个队列并应用于工业控制领域，同时采用FPGA主控芯片实现CBS的核心机制从而达到对业务的共网传输。
[0007]本专利技术的上述专利技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种时间敏感网络中信用值流量调度系统，包括：CBS核心功能块，包括CBS调度模块；
所述CBS调度模块，包括CBS读取数据缓存单元，信用值控制单元，若干信用值更新单元，队列选择传输单元；所述CBS读取数据缓存单元，用于产生读使能信号控制读取所述CBS核心功能块中已经缓存的流量；所述信用值控制单元，用于定义CBS的参数值，并输出电平信号至所述队列选择传输单元用于判断队列传输的条件；所述信用值更新单元，用于控制队列中数据帧传输时队列信用值的变化；所述队列选择传输单元，用于判断各队列是否满足传输条件，并产生读使能信号反馈至所述CBS读取数据缓存单元读取缓存中的流量数据。
[0008]进一步地，在所述信用值控制单元中，定义CBS的参数值，具体为：假设存在Q
N
个队列，每个队列对应的预留带宽为；按照预设比例p%，将端口传输速率的p%带宽分配给时间敏感流，即B
max
=p%portTransmitRate，其中，portTransmitRate代表端口传输速率；记在CBS算法中的信用值Credit的累计增长速率idleSlope为预留带宽参数，即idleSlope
N
=B
N
,则式中B表示可预留的总带宽，每个队列的idleSlope
N
参数可根据以下公式确定：式中CMI
N
为数据帧的发送周期，即类测量间隔，reservedBytes为发送数据帧的bit数；在计算出每个队列的idleSlope之后，代表每个队列的信用值Credit消耗减少速率的消耗参数sendSlope
N
的计算过程为：配置每个队列的最高信用值hiCredit与最低信用值loCredit,用于设置上下界约束队列所能承载的最大数据帧以及所能传输的最大帧长，其中最高信用值hiCredit由队列中最大干扰帧长决定，loCredit由队列中所传输的最大帧长度决定，具体为：：其中，maxInterference为队列的最大干扰帧长，maxFrameSize为队列中所传输的最大帧长度。
[0009]进一步地，在信用值更新单元中，控制队列中数据帧传输时队列信用值的变化，具体为：a:基于每一个队列，判断队列中是否有数据帧，当队列中有数据帧时,进入步骤b,否则重新进入步骤a;b:判断队列的信用值Credit是否大于等于0,若是进入步骤c,否则进入步骤d;c:传输队列的数据帧，队列的信用值Credit以sendSlope速率减小，进入步骤e;d:队列的数据帧等待传输，队列的信用值Credit以idleSlope速率增加，进入步骤b;e:判断队列的数据帧是否传输完毕，若是进入步骤f，否则进入步骤c；f:判断队列的信用值Credit是否大于0，若是进入步骤d,否则进入步骤g;g:将信用值Credit置为0,进入步骤a。
[0010]进一步地，在所述信用值控制单元中，将输出允许传输信号反馈到所述队列选择传输单元用于判断队列传输的条件，具体为：当队列的信用值Credit为非负时，所述允许传
输信号为高电平，允许传输；否则，不允许传输。在所述信用值更新单元中，基于每一个队列，判断队列中是否有数据帧，具体为：通过队列输出的传输信号进行判断；当所述传输信号为高电平时，代表队列中有数据帧，数据帧传输完毕时为低电平。
[0011]进一步地，所述CBS核心功能块，还包括：流量优先级重生与映射模块，RAM缓存模块，严格优先级算法模块；所述流量优先级重生与映射模块，用于在接受了带有VLAN帧头的数据帧的流量之后，重新生成流量的优先级，并映射到所述RAM缓存模块；所述RAM缓存模块，用于在接收了带有VLAN帧头的数据帧的流量之后，对流量进行缓存，并通过所述CBS调度模块读取并调度所述RAM缓存模块中流量数据；所述严格优先级算法模块，用于除时间敏感流以外的普通尽力而为流根据流量自身的优先级由严格优先级算法进行调度传输。
[0012]进一步地，时间敏感网络中信用值流量调度系统，还包括：流量接收功能块和流量发送功能块；所述流量接收功能块，用于在进入所述CBS核心功能块调度之前，通过以太网接收不同类型的流量；所述流量发送功能块，用于在经过所述CBS核心功能块调度之后，通过以太网将调度后的流量发送出去。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时间敏感网络中信用值流量调度系统，其特征在于，包括：CBS核心功能块，包括CBS调度模块；所述CBS调度模块，包括CBS读取数据缓存单元，信用值控制单元，若干信用值更新单元，队列选择传输单元；所述CBS读取数据缓存单元，用于产生读使能信号控制读取所述CBS核心功能块中已经缓存的流量；所述信用值控制单元，用于定义CBS的参数值，并输出电平信号至所述队列选择传输单元用于判断队列传输的条件；所述信用值更新单元，用于控制队列中数据帧传输时队列信用值的变化；所述队列选择传输单元，用于判断各队列是否满足传输条件，并产生读使能信号反馈至所述CBS读取数据缓存单元读取缓存中的流量数据。2.根据权利要求1所述的时间敏感网络中信用值流量调度系统，其特征在于，在所述信用值控制单元中，定义CBS的参数值，具体为：假设存在Q
N
个队列，每个队列对应的预留带宽为;按照预设比例p%，将端口传输速率的p%带宽分配给时间敏感流，即B
max
=p%portTransmitRate，其中，portTransmitRate代表端口传输速率；记在CBS算法中的信用值Credit的累计增长速率idleSlope为预留带宽参数，即idleSlope
N
=B
N
,则式中B表示可预留的总带宽，每个队列的idleSlope
N
参数可根据以下公式确定：式中CMI
N
为数据帧的发送周期，即类测量间隔，reservedBytes为发送数据帧的bit数；在计算出每个队列的idleSlope之后，代表每个队列的信用值Credit消耗减少速率的消耗参数sendSlope
N
的计算过程为：配置每个队列的最高信用值hiCredit与最低信用值loCredit,用于设置上下界约束队列所能承载的最大数据帧以及所能传输的最大帧长，其中最高信用值hiCredit由队列中最大干扰帧长决定，loCredit由队列中所传输的最大帧长度决定，具体为：具体为：其中，maxInterference为队列的最大干扰帧长，maxFrameSize为队列中所传输的最大帧长度。3.根据权利要求2所述的时间敏感网络中信用值流量调度系统，其特征在于，在信用值更新单元中，控制队列中数据帧传输时队列信用值的变化，具体为：a:基于每一个队列，判断队列中是否有数据帧，当队列中有数据帧时,进入步骤b,否则
重新进入步骤a;b:判断队列的信用值Credit是否大于等于0,若是进入步骤c,否则进入步骤d;c:传输队列的数据帧，队列的信用值Credit以sendSlope速率减小，进入步骤e;d:队列的数据帧等待传输，队列的信用值Credit以idleSlope速率增加，进入步骤b;e:判断队列的数据帧是否传输完毕，若是进入步骤f，否则进入步骤c；f:判断队列的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王天林，林海教，金伟江，童庆，刘国安，
申请(专利权)人：浙江中控研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：