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面向业务可达性的广域工业互联网调度算法研究.docx
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面向业务可达性的广域工业互联网调度算法研究.docx
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1. 引言
随着工业互联网的发展和智能终端的泛在接入,小规模且确定性的工业应用对通信网
络提出了新的要求,不同业务应满足相应的可达性需求。业务的可达性可定义为业务在端
到端传输时对于服务质量(Quality of Service, QoS)的需求程度
[1]
,可归纳为及时可达、准时
可达和协同可达。及时可达业务需要数据分组尽快到达,准时可达业务需保证到达时延的
抖动性,协同可达业务需保证业务间到达的时序逻辑。当前基于 TCP/IP 协议栈的互联网,
其提供尽力而为的网络传送服务和有限的 QoS 保证导致大规模的底层网络资源分配不合
理,难以满足准时与协同可达性需求。时间敏感网络(Time Sensitive Network, TSN)和确定
性网络
[2,3]
(Deterministic Networking, DetNet)凭借在 2 层桥接和 3 层路由段上的确定性传输
技术等优势,与具有低时延、高可靠特征的 5G 网络联合应用,成为了未来工业互联网网
络架构的研究热点,如图 1 所示。
图 1 未来工业互联网网络架构
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服务功能链是业务功能的有序集合,可通过功能链编排技术
[4]
,在大规模异构的
DetNet 中定义局部应用场景的拓扑结构。现有研究大多在空间域上实现了对路径或参考点
的编排
[5,6]
,但未考虑业务在时间维度上要求的及时、准时与协同可达性要求。此外,针对
在定义的拓扑中如何保障 QoS 指标,近年来国内外关于 TSN 中流量调度算法的研究已有
初步成果。文献[7-9]分析了工业实时通信中音视频桥接(Audio Video Bridging, AVB)网络的
时延性能和使用网络微积分计算了 802.1Qav 策略中基于信誉值的整形机制(Credit Based
Shaper, CBS)所带来的时延及抖动,表明 CBS 可有效降低控制流的时延抖动。文献[10]在
不同传播时延和不同流量强度的条件下,研究了 802.1Qch 中轮询转发队列(Cyclic Queuing
and Forwarding, CQF)机制的时延上下边界值。文献[11]采用 802.1Qbv 方案中时间感知整形
(Time Awareness Shaper, TAS)先入先出顺序,保障控制类业务流时延与抖动。针对
802.1Qbv 中门控制列表生成的复杂性,文献[12]提出了软件定义网络(Software-Defined
Networking, SDN)和 802.1Qbv 融合方案,利用 SDN 中控制平面的逻辑集中化来动态计算
时间触发流的路由和调度,可快速在线更新调度时间表。文献[13,14]中提出了一种简单的
时分复用策略实现门控列表效果,在传输周期内为每条流分配固定时隙,各流只在对应时
隙内传输,但该算法未能很好解决时隙分配冲突问题,也没有明确给出时隙大小划分方
式。文献[15]提出了梳状拟合(Comb-FITting, C-FIT)时隙分配算法,通过寻找最近可用时隙
方式解决时隙分配冲突问题,但本质仍属于 TAS 机制,固定的报文优先级分类使得发生流
突发与阻塞时,对于抖动影响较大。综上,当前对功能链编排的研究未考虑业务时间性需
求;在交换设备同步的 TSN 中,未考虑流量特征变化对时延与抖动的影响;在大规模的
DetNet 中,时钟源多种且异构,难以实现全网时钟一致,如公专融合网络(Public Network
Integrated Non-Public Network, PNI-NPN),不可直接沿用基于时间同步要求的 TSN 调度算
法,若改造设备用以传输同步,成本较高,目前国内外对此研究相对较少。
针对上述问题,本文提出确定性协调调度模型,为小规模且确定的业务规划转发路径
和每一节点中的排队时延,以保证端到端业务的及时、准时与协同可达,包括在全网时钟
同步的 TSN 中,编排承载面的业务流,引入动态紧急度优化 TAS 机制,从而调整业务调
度时隙,既能保障上述规划的每一节点中的排队时延,也能够针对流的突发或阻塞进行时
延补偿从而有效平滑时延抖动。在无统一时标的大规模 DetNet 中,编排用户面的业务入网
顺序,在交换线卡处将同步的业务时钟作为调度驱动时钟,以实现业务的协同到达。
2. 确定性协调调度模型
传统网络在 QoS 保障上采用 Workconserving 模式与整形机制
[16]
相结合的调度模型。
表 1 对比了 Workconserving 与 Non-workconserving 模式的性能,后者可通过均衡调度来控
制节点中流的抖动与速率,但受限于单节点或局部区域。工业互联网已实现小规模网络中
的路径编排,并可获得全局性的时间调度信息,从而为本文将 Non-workconserving 模式与
全路径、多节点的业务编排相结合提供了实现环境,对比模型如图 2 所示。
表 1 工作模式对比
性能
Workconserving
Non-
workconserving
触发方
式
事件触发
时间触发
链路利
用率
高
低
性能
Workconserving
Non-
workconserving
平均时
延
低
高
时延抖
动
高
低
速率控
制
无
有
下载: 导出 CSV
| 显示表格
图 2 调度模型对比
下载: 全尺寸图片 幻灯片
相较于采用 Workconserving 和整形相结合的调度模型,Non-workconserving 与考虑时
间性的全路径业务编排相结合,能够将承载面具有概率性、局部性的流交换与整形问题转
变为确定性、全局性的业务面编排与承载面调度问题。在时钟异步的 DetNet 中,将小规模
$x$、同步$y$且具有全局信息$z$的业务调度问题$A$对偶为大规模$X$、异构$Y$且只有
局部信息$Z$的承载网调度问题$B$,利用业务同步机制代替时间同步,实现交换节点
(Switch Fabric, SF)由时间驱动转换为事件驱动,从而构建准同步环境,保障业务的协同
性。对偶问题如式(1)所示
$$A(x,y,z) \leftrightarrow {A^*} = B(X,Y,Z)$$
(1)
具体实现上,本文采用事先配置、事中控制与事后调整策略。在事先配置中提出全路
径时间协调算法,在 DetNet 域中确定路径中每一节点的等待时延值,在时间基准不一致时
采用虚拟到达队列编排算法,调整业务入网时序并校正线卡驱动时钟;在事中控制中提出
基于紧急度的 IntServ 类节点业务流调度算法,计算数据流最优确定性排列调度方案,后将
采用虚拟输出队列(Virtual Output Queueing, VOQ)
[17]
和迭代滑动(iterative SLIP, iSLIP)
[18]
算法
进行数据流输入与输出端口的交换;在事后调整中,可综合当前业务体验质量反馈与新业
务需求,重新进行全路径时间协调。
3. 协调算法研究
3.1 全路径时间协调算法
为保障不同业务流的及时性、准时性、协同性等需求,本文提出了全路径时间协调算
法,并在业务时间基准不一致时,在源端提出虚拟队列编排算法,即在编排业务报文时不
依据其自身携带的时间信息,而采用统一的业务到达时间体系,并依据入口等待时延建立
等待队列,以业务时间校正调度时标,如图 3 所示。
图 3 全路径时间协调示意图
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假设研究的承载网中存在 n 个节点,定义图$G = (V,E)$, V 为所有节点的集合,E 为图
G 所有边的集合,${{E}}$$ = \{ (x,y)|x,y \in V\} $。
定义${\boldsymbol{A}}$$ = \{ {a_{x,y}}|x,y \in V\} $为图 G 的连通矩阵,
${a_{x,y}}$表示终端$x$到终端$y$的连通性
$${\boldsymbol{A}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} 0&{{a_{1,2}}}& \cdots &{{a_{1,s}}} \\ {{a_{2,1}}}& \ddots
&{}&{} \\ \vdots &{}&{\rm{0}}&{} \\ {{a_{s,1}}}&{}&{{a_{s,s - 1}}}&0 \end{array}} \right)$$
(2)
当点 x,y 不连通时,${a_{x,y}} = \infty $。定义业务流在任意两点间的时延矩阵
${\boldsymbol{D}}$$ = \{ {d_{x,y}}|x,y \in V\} $,其中${d_{x,y}} =
\displaystyle\sum\nolimits_{i=0}^h {({t_i} + {q_i} + {p_i})}$, ${t_i}$为相邻节点路径传播时
延,${q_i}$为节点内排队等待时延,${p_i}$为节点内处理时延,$h \in [1,s]$为节点
$(x,y)$间经过的节点数。
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