一种时间敏感网络数据传输系统及时延分析方法

摘要

本发明公开了一种时间敏感网络数据传输系统及时延分析方法，首先，构建时间敏感网络数据传输系统架构，其中包括数据预处理模块、数据缓存模块、TSN控制模块、数据转发模块、时延感知模块、时间同步模块及带宽预分配模块，通过各模块对数据流的处理加工，降低了数据流在传输过程中的延迟、抖动和拥塞概率；其次，针对数据传输过程中产生的时延，提出了一种时间敏感网络数据传输时延分析方法，该方法可以有效地降低数据传输中的时延动、丢包等现象，提高数据传输的可靠性与确定性。

说明书

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种时间敏感网络数据传输系统及时延分析方法，通过将现有数据传输系统与时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）进行融合，降低数据传输的抖动、丢包等现象，提高数据传输的可靠性与确定性。

背景技术

随着网络技术的发展和垂直行业应用的拓展，越来越多的应用程序需要网络提供极低的端到端时延，工业控制和自动驾驶等应用则更需要网络提供低至几毫秒的传输时延和高可靠传输服务。以太网是目前使用最广泛的局域网通信协议标准，而标准以太网以非同步的方式提供帧，网络中的任何设备都可以随时发送数据，并通过随机退避机制避免冲突，因此在数据传输的时间上不能做到精准和确定，同时大规模的数据传输会增加网络负载，从而导致通信的较大延迟甚至瘫痪，不能确保工业控制任务提出的确定性和时间要求严格的要求。工业以太网是一套用于工业控制网络和标准以太网集成的解决方案。

为了加速工业以太网的发展并使之标准化，IEEE 802.1工作组在IEEE 802.1标准框架之下研发了一套新的协议标准——时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN），旨在为以太网建立一套时间敏感机制，增加以太网的确定性和可靠性。TSN是对传统以太网的增强，并且在安全关键型实时通信中起着越来越重要的作用。

TSN的核心技术包括网络带宽预留、精确时间同步和流量整形等多种优化机制，确保了网络低时延、高可靠等要求。TSN利用高带宽、安全性和互操作性等优势，能够很好地满足工业物联网的需求，同时基于优先级的流量整形机制使得关键数据在传输中优先处理，换言之，关键数据不必等非关键数据传输完后再进行传输，从而能够保证关键数据更快速、更高质量的传输，解决了传统以太网在数据传输时容易出现丢包、拥塞等问题。

发明内容

在本发明中，首先构建时间敏感网络数据传输系统架构，并针对时间敏感网络数据传输系统中各模块进行描述，分析各个模块的功能；其次，针对数据传输时产生的时延，提出了一种时间敏感网络数据传输时延分析方法对数据传输进行分析。

针对数据传输过程中容易出现丢包、拥塞等现象，本发明提出了一种时间敏感网络数据传输系统架构，通过将现有数据传输系统与时间敏感网络进行融合，改变数据传输时高时延、低可靠的现状，提供了一种时间敏感网络数据传输时延分析方法，以满足数据传输的时延需求，其中，时间敏感网络数据传输系统分为7个模块，各模块的具体功能如下。

数据预处理模块，该模块根据带宽分配结果，从连续的数据流中提取确定大小的数据流将之作为载荷数据流，并完成封装成帧的过程，使用数据帧的好处在于数据被分成可恢复的区块并且可以很容易地检查这些区块是否被破坏，在数据传输过程中，若产生故障会破坏某些数据帧，而不是整组数据，只需要将丢失的数据帧进行重新传输即可，大大地提高了数据传输的速度与精度，保障了数据的完整性。

数据缓存模块，该模块主要实现对数据的存储与分类，当数据在具有不同传输能力的元件间通过时，用来暂时存储这些数据，当再次请求这些数据时，直接从缓存中获取而省略数据处理流程，从而降低资源的消耗，提高响应速度，同时，数据缓存模块可以对不同数据帧按照传输优先级别进行分类，遵循“先进先出”原则，保证了先到达的目标数据帧能够优先进行处理。

TSN控制模块，该模块可以感知数据缓存模块中数据帧的大小和数量，以集中控制的方式对数据帧进行管理，根据数据感知情况下发门控制列表来控制传输门元件，实现对数据帧的进出控制管理。

数据转发模块，该模块负责将传输门元件中传递来的并行数据帧转换为串行数据帧输出，可以大大节省传输时间，降低硬件成本，并且具有更高的灵活性。

时延感知模块，时延感知模块在数据转发模块中，该模块通过感知数据传输情况并按照一定的规则方法得出确定的时延，为本系统中数据帧提供了确定性的时延保障。

时间同步模块，时间同步模块是时间敏感网络数据传输系统的核心，该模块主要负责数据传输系统的时间同步，利用时间同步模块来提供准确的有界延迟，以及为TSN控制模块提供零阻塞丢包和时延抖动，同时，时间同步模块提供了可靠准确的网络时间同步，严格保证了时延敏感的业务在基于以太网的桥接网络或虚拟桥接网络等时延固定或对称的传输媒质中的同步传送。

带宽预分配模块，该模块根据IEEE 802.1Qat中定义的队列及转发协议，解决了每个数据流中数据帧传输数量多少的问题，通过对当前周期数据流传输能力和预先设定不同数据流的分配比例，完成带宽的预处理，根据带宽分配情况，该模块可以告知各数据预处理模块在当前调度周期内需要多少数据流来进行封装，保证数据流在确定范围内传输，避免了数据流无序涌入造成网络瘫痪。

根据提出的时间敏感网络数据传输系统架构，本发明考虑到数据流在总调度时间内由调度引起的存储和转发延迟，提出了时间敏感网络数据传输时延分析方法，并行数据流

其中，

在经过数据转发模块后，将

令

其中，

因此，数据流

在本发明中，数据流进行传输时，为了避免数据流队列冲突，需要确保每个数据帧离开时间都晚于每个数据帧被缓冲的时间，即

上式为本发明数据流传输时的约束条件。

本发明的有益效果如下。

（1）本发明提出了时间敏感网络的数据传输系统架构，其中包括数据预处理模块、数据缓存模块、TSN控制模块、数据转发模块、时延感知模块、时间同步模块及带宽预分配模块，通过各模块对数据流的处理加工，降低了数据流在传输过程中的延迟、抖动和拥塞概率，提高了数据传输的确定性和可靠性。

（2）本发明提出了时间敏感网络数据传输时延分析方法，通过对数据流在调度时间内由流调度引起的存储和转发延迟问题分析，可以有效地降低数据传输中的时延，提高系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是时间敏感网络数据传输系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明公开一种时间敏感网络数据传输系统，该系统的具体流程如下。

S1：不同数据流进入到数据预处理模块，数据预处理模块根据带宽分配结果，从连续的数据流中提取确定大小的数据流将之作为载荷数据流，并完成封装成帧的过程。在此过程中，带宽预处理模块会根据带宽分配情况，决定需要多少数据帧进行传输。

S2：数据帧进入到数据缓冲模块进行队列排队与暂时存储，同时，TSN控制模块会感知数据缓存模块中数据帧的大小和数量，根据数据感知情况下发门控制列表控制传输门元件的开关，从而对数据帧进行传输管理。

S3：将通过传输门元件的并行数据帧在数据转发模块中进行转换，转换为串行数据帧，在转换过程中，时延感知模块为数据帧提供了确定性的时延保障。时间同步模块为整个数据传输系统提供精确的时间同步，降低数据传输的抖动、丢包等现象，提高数据传输的可靠性与确定性。

本发明提出时间敏感网络的数据传输系统架构，其中包括数据预处理模块、数据缓存模块、TSN控制模块、数据转发模块、时延感知模块、时间同步模块及带宽预分配模块，各模块的具体功能如下。

数据预处理模块，该模块根据带宽分配结果，从连续的数据流中提取确定大小的数据流将之作为载荷数据流，并完成封装成帧的过程，使用数据帧的好处在于数据被分成可恢复的区块并且可以很容易地检查这些区块是否被破坏，在数据传输过程中，若产生故障会破坏某些数据帧，而不是整组数据，只需要将丢失的数据帧进行重新传输即可，大大的提高了数据传输的速度与精度，保障了数据的完整性。

数据缓存模块，该模块主要实现对数据的存储与分类，当数据在具有不同传输能力的元件间通过时，用来暂时存储这些数据，当再次请求这些数据时，直接从缓存中获取而省略数据处理流程，从而降低资源的消耗，提高响应速度，同时，数据缓存模块可以对不同数据帧按照传输优先级别进行分类，遵循“先进先出”原则，保证了先到达的目标数据帧能够优先进行处理。

TSN控制模块，该模块可以感知数据缓存模块中数据帧的大小和数量，以集中控制的方式对数据帧进行管理，根据数据感知情况下发门控制列表来控制传输门元件，实现对数据帧的进出控制管理。

数据转发模块，该模块负责将传输门元件中传递来的并行数据帧转换为串行数据帧输出，可以大大节省传输时间，降低硬件成本，并且具有更高的灵活性。

时延感知模块，时延感知模块在数据转发模块中，该模块通过感知数据传输情况按照一定的规则方法得出确定的时延，为本系统中数据帧提供了确定性的时延保障。

时间同步模块，时间同步模块是时间敏感网络数据传输系统的核心，该模块主要负责数据传输系统的时间同步，利用时间同步模块来提供准确的有界延迟，以及为TSN控制模块提供零阻塞丢包和时延抖动，同时，时间同步模块提供了可靠准确的网络时间同步，严格保证了时延敏感的业务在基于以太网的桥接网络或虚拟桥接网络等时延固定或对称的传输媒质中的同步传送。

带宽预分配模块，该模块根据IEEE 802.1Qat中定义的队列及转发协议，解决了每个数据流中数据帧传输数量多少的问题，通过对当前周期数据流传输能力和预先设定不同数据流的分配比例，完成带宽的预处理，根据带宽分配情况，该模块可以告知各数据预处理模块在当前调度周期内需要多少数据流来进行封装，保证数据流在确定范围内传输，避免了数据流无序涌入造成网络瘫痪。

根据时间敏感网络数据传输系统架构，本发明考虑到数据流在总调度时间内由流调度引起的存储和转发延迟，因此，提出了时间敏感网络数据传输时延分析方法，并行数据流

其中，

在经过数据转发模块后，将

令

其中，

因此，数据流

在本发明中，数据流进行传输时，为了避免数据流队列冲突，需要确保每个数据帧离开时间都晚于每个数据帧被缓冲的时间，即

上式为本发明数据流传输时的约束条件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。