时间敏感网络流量调度机制研究

摘要

随着互联网技术与5G技术的快速发展，越来越多的新兴行业应用需要有界低时延、低抖动、高可靠的网络传输来支持应用的运行，如工业控制、5G移动前传、远程医疗等。传统提供尽最大努力服务的网络难以满足应用需求，虽然工业以太网可以提供实时通信服务，但标准众多，难以兼容和互联。IEEE802以太网音视频桥接(Ethernet Audio/Video)标准工作组为了解决音视频流的实时同步传输问题，在传统的以太网基础上使用精准时钟同步协议，通过保障带宽来降低传输延迟，为各种音视频应用提供高质量传输服务。为了将Ethernet AVB技术扩展以太网技术至工业、汽车等领域应用，IEEE802.1于2012年成立时间敏感网络（Time-Sensitive Networking,TSN）工作组以进行以太网相关功能增强工作。　　当前TSN标准化工作主要包括流分类、流整形、流调度、帧抢占四个部分。在时间敏感网络中，流量调度是TSN实现低时延、低抖动性能的关键技术之一。因此，IEEE802.1工作组提供了相关流量调度算法与标准来实现相关功能，如802.1Qav的基于信用值整形算法、802.1Qbv的门控调度算法、802.3br与802.1Qbu的帧抢占算法、802.1Qch的循环队列转发算法、802.1Qcr的异步整形算法。但是当前的TSN流量调度机制无法满足特定场景下的流量性能需求，需要研究者们结合应用场景设计更高效的流量调度机制。　　为了解决工业时间触发流路径选择的时延优化问题，本论文提出了面向工业时间触发流的时延感知差分多径转发机制。本论文提出的差分多径转发机制首先通过分析端到端时延，设计了基于发送时延与处理时延的多径转发指标，然后将多径转发问题转化为0-1整数线性规划问题，最后通过差分多径转发算法求解出流的转发路径集，实现流的低时延并行传输。仿真结果表明：与负载均衡多径转发和Hop-Load转发机制相比，该方案使工业时间触发流端到端平均时延分别降低了22.55%和17.32%，满足时间触发流的低时延传输需求。　　为了解决移动前传网络中背景流会影响同相正交流带来抖动与网络吞吐量较低的问题，本论文提出了一种时间感知整形器分级交叉(Hierarchical Crossover-Time Aware Shaper,HC-TAS)流量调度机制。该机制采用一种交叉的两级队列调度机制，可以将时隙的利用最大化，同时降低背景流带来的抖动影响。本论文提出的HC-TAS机制基于传统的TAS机制，并在此模型上提出基于帧长匹配的入队调度算法和基于队列状态的出队调度算法，使得较小数据帧不会被大数据帧阻塞，提高调度过程中时隙的利用率。仿真结果表明：在保证抖动为0的情况下，与典型的TAS调度方案相比，该方案将网络吞吐量提高了18.7%，满足5G移动前传流的低抖动，高带宽利用率的需求。　　本论文研究了工业网络中时间触发流调度时的时延优化问题与移动前传网络中背景流调度问题，提出了面向工业时间触发流的时延感知差分多径转发机制与面向移动前传流的时间感知整形器分级交叉流量调度机制，提升了网络的时延、抖动与吞吐量性能。研究成果将为TSN的应用和发展提供技术基础。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容

1.4 论文创新点

1.5 论文结构

2 时间敏感网络TSN及其流量调度机制

2.1 时间敏感网络TSN及其应用场景分析

2.2 TSN流量调度相关标准与技术

2.2.1 基于信用值的整形802.1Qav

2.2.2 门控调度802.1Qbv

2.2.3 帧抢占 IEEE 802.3br 和IEEE 802.1Qbu

2.2.4 循环队列转发802.1Qch

2.2.5 异步整形802.1Qcr

2.2.6 流量调度标准技术比较与分析

2.3 TSN流量调度机制研究

2.3.1 TSN同步流量调度机制研究

2.3.2 TSN异步流量调度机制研究

2.3.3 TSN流量调度机制问题分析

2.4 本章小结

3 面向工业时间触发流的时延感知差分多径转发机制

3.1 工业时间触发流

3.1.1 工业以太网

3.1.2 时间触发流需求分析

3.2 时延感知差分多径转发机制

3.2.1 时延感知分析模型与计算

3.2.2 差分多径转发机制与算法

3.3.1 仿真实验设置

3.3.2 性能评价指标

3.3.3 时间触发流端到端平均时延仿真结果与分析

3.3.4 时间触发流可调度性仿真结果与分析

3.3.5 最大链路负载率仿真结果与分析

3.4 本章小结

4 面向移动前传流的时间感知整形器分级交叉流量调度机制

4.1 基于TSN的移动前传网络及其流量分析

4.1.1 基于TSN的移动前传网络

4.1.2 移动前传流量特征与需求分析

4.2 时间感知整形器TAS分级交叉流量调度机制

4.2.1 TAS分级交叉流量调度建模

4.2.2 基于队列状态出队与基于帧长匹配的入队调度算法设计

4.3.1 仿真实验设置

4.3.2 性能评价指标

4.3.3 网络吞吐量仿真结果与分析

4.3.4 背景流平均时延仿真结果与分析

4.3.5 同相正交流抖动仿真结果与分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间发表的专利目录

C. 学位论文数据集

致谢