時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)下的一種新型靈活門控機(jī)制

林佳爍,李偉超,成 劍,詹雙平,馮景斌,王 濤,黃倩怡,唐 博,汪 漪,5

(1.南方科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,廣東 深圳 518055;2.鵬城實(shí)驗(yàn)室,廣東 深圳 518055;3.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,廣東 廣州 510006;4.中山大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東 廣州 510006;5.南方科技大學(xué)未來網(wǎng)絡(luò)研究院,廣東 深圳 518055)

1 引言

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT(Industrial Internet of Things)的興起以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合,傳統(tǒng)的以太網(wǎng)難以滿足不同業(yè)務(wù)流的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求,越來越多場景和用戶開始關(guān)注時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN(Time-Sensitive Networking)。TSN允許周期性數(shù)據(jù)與非周期性數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸,使得標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢,并通過了廠商獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程,已成為廣泛聚焦的關(guān)鍵技術(shù)[1,2]。

為了使時(shí)間敏感業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)盡可能低的時(shí)延和抖動(dòng),TSN提供了時(shí)間同步[3]、全局時(shí)隙調(diào)度[4]和門控機(jī)制[5]3種技術(shù)來保證關(guān)鍵實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的確定性。首先,時(shí)間同步為網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn);其次,全局的時(shí)隙調(diào)度統(tǒng)一規(guī)劃資源,在時(shí)間上(劃分時(shí)隙)和空間上(規(guī)劃路由)將實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流進(jìn)行隔離,以避免互相干擾;最后,門控技術(shù)可以避免實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流在傳輸過程中受到其他盡力而為BE(Best Effort)流的干擾,具體措施為在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流時(shí)隙開始之前提前關(guān)閉BE流隊(duì)列的門控開關(guān),以阻止BE流的發(fā)送,保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流時(shí)隙開始時(shí)鏈路是空閑狀態(tài),從而避免了BE流對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的干擾。

門控機(jī)制能夠很好地將實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流與盡力而為業(yè)務(wù)流隔離開,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。典型的調(diào)度算法[6,7]通過門控機(jī)制將實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流與BE流在空間和時(shí)間上嚴(yán)格地進(jìn)行隔離,保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流不受到BE流的干擾,同時(shí)也保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流之間的嚴(yán)格隔離。其引入了No-wait約束來保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流在網(wǎng)絡(luò)中的隊(duì)列時(shí)延為0,使得實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的端到端時(shí)延為最小值。然而,這種嚴(yán)格的隔離機(jī)制導(dǎo)致其在交換機(jī)中部署的門控制列表GCL(Gate Control List)條目數(shù)量巨大。例如,為1個(gè)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流預(yù)留1個(gè)時(shí)隙就需要2個(gè)門控開關(guān)事件。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的數(shù)量較多時(shí),由于交換機(jī)的設(shè)備能力有限,無法支持大量的GCL列表事件,這使得其難以對所有的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流都進(jìn)行精確的門控事件控制。為此,如何在有限的門控列表資源下盡可能多地調(diào)度實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流成為了一個(gè)熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[8]放松了網(wǎng)絡(luò)約束,保持交換機(jī)的門控開關(guān)常開,然后使用基于可滿足性模理論SMT(Satisfiability Modulo Theory)的方法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[9,10]放松了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流0抖動(dòng)的約束,允許預(yù)留時(shí)隙窗口重疊,但這又引入了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流沖突的問題,此時(shí)需要使用網(wǎng)絡(luò)演算工具[11,12]來考慮實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流在最差情況下的排隊(duì)時(shí)延,使問題復(fù)雜化。

對于大規(guī)模時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)下的流量調(diào)度場景,交換機(jī)的GCL條目數(shù)量成為了限制調(diào)度算法部署的關(guān)鍵資源,如何減少調(diào)度算法所需的門控事件數(shù)量,提高可行性是TSN網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度的關(guān)鍵問題。本文首先對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流在非TSN交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)過程進(jìn)行了深入的時(shí)延分析?；谠摲治?本文提出了一種靈活門控機(jī)制。這種靈活門控機(jī)制允許網(wǎng)絡(luò)管理員靈活選擇網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)對部分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流使能門控,可適用于基于No-wait約束的調(diào)度算法等,以減少網(wǎng)絡(luò)中的門控事件數(shù)量(即交換機(jī)的GCL條目數(shù)量)。并且,由于該機(jī)制允許在某些交換機(jī)不使能門控,從而可以在一些非TSN網(wǎng)絡(luò)上部署TSN業(yè)務(wù)流。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中,可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的流量特征,對某些實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流不部署門控事件,保持門控開關(guān)常開,這減少了網(wǎng)絡(luò)調(diào)度所需的門控事件數(shù)量。對于未部署門控事件所引入的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng),可以在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置門控來進(jìn)行消除。對一個(gè)典型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆抡娣治霰砻?該門控機(jī)制能最多減少門控條目數(shù)量91.6%,大大降低了TSN網(wǎng)絡(luò)中流量調(diào)度所需的GCL資源,利于TSN網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際中的部署。

2 相關(guān)背景

本節(jié)首先對IEEE 802.1Qbv網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)模型進(jìn)行簡單介紹,然后介紹TSN中的調(diào)度模型。

2.1 IEEE 802.1Qbv轉(zhuǎn)發(fā)模型

一個(gè)典型的支持TSN網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.1Qbv協(xié)議的交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)模型如圖1所示。其中,交換機(jī)在將網(wǎng)絡(luò)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的出端口中時(shí),根據(jù)報(bào)文中的優(yōu)先級字段PCP(Priority Code Point)將其置入對應(yīng)的隊(duì)列中。

Figure 1 Forwarding model of typical TSN switch

在TSN交換機(jī)的每個(gè)端口中,有8個(gè)隊(duì)列用于傳輸報(bào)文,其中隊(duì)列的開關(guān)由GCL列表來控制。只有當(dāng)隊(duì)列的門控開關(guān)被打開時(shí),即此時(shí)GCL列表中該隊(duì)列的值為1,隊(duì)列中的報(bào)文才會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā),否則不會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)。如圖1所示,GCL列表由多個(gè)條目組成,每一個(gè)條目指定了各個(gè)隊(duì)列的開關(guān)狀態(tài),及該條目的持續(xù)時(shí)間。交換機(jī)根據(jù)該GCL列表周期性地設(shè)置各個(gè)隊(duì)列的門控開關(guān)。通過這種機(jī)制,控制器中的調(diào)度引擎可以為網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)交換機(jī)生成對應(yīng)的GCL列表來對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流進(jìn)行調(diào)度,以確保實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的確定性轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。與文獻(xiàn)[6]相似,本文使用單個(gè)隊(duì)列(隊(duì)列7)作為時(shí)間敏感報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列,而將其他隊(duì)列(隊(duì)列0～6)作為盡力而為業(yè)務(wù)流的轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列。

2.2 TSN調(diào)度模型

典型的混合TSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示,包含TSN交換機(jī)(深灰色節(jié)點(diǎn))與非TSN交換機(jī)(白色節(jié)點(diǎn))。在該網(wǎng)絡(luò)中,控制器擁有對下層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的全局信息?？刂破髦胁渴鹆苏{(diào)度引擎對網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流進(jìn)行調(diào)度并下發(fā)配置到交換機(jī)中。

Figure 2 Architecture of hybrid TSN

非TSN交換機(jī)不支持TSN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如IEEE 802.1Qbv等,因而無法部署門控從而對業(yè)務(wù)流進(jìn)行精確的流量開關(guān)控制。盡管這種交換機(jī)無需支持IEEE 802.1Qbv協(xié)議,但其必須支持時(shí)間同步協(xié)議如IEEE 802.1AS等來進(jìn)行時(shí)間同步信息的傳遞,即必須保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都進(jìn)行了時(shí)間同步,從而使得各個(gè)TSN交換機(jī)的GCL門控隊(duì)列都具有相同的基準(zhǔn)時(shí)間。

在TSN中,一個(gè)典型的流調(diào)度過程如下:終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)其應(yīng)用特征發(fā)起業(yè)務(wù)流調(diào)度請求,調(diào)度器根據(jù)其調(diào)度請求為該業(yè)務(wù)流預(yù)留資源,并更新網(wǎng)絡(luò)中TSN交換機(jī)的門控列表GCL。最后,終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)調(diào)度結(jié)果在對應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)流報(bào)文。

3 研究動(dòng)機(jī)

3.1 研究問題

本文旨在研究基于IEEE 802.1Qbv協(xié)議的TSN網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流調(diào)度問題。在給定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流需求下,綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皹I(yè)務(wù)需求等因素進(jìn)行調(diào)度計(jì)算,得到網(wǎng)絡(luò)中的GCL門控列表。然而,傳統(tǒng)的調(diào)度算法沒有考慮實(shí)際生成的門控?cái)?shù)量,其容易超過實(shí)際設(shè)備的能力,從而難以在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中部署。本文對傳統(tǒng)的基于No-wait約束的調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn),旨在滿足No-wait約束的同時(shí),減少生成的GCL門控?cái)?shù)量。

在調(diào)度計(jì)算過程中,實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的調(diào)度結(jié)果需要滿足各種約束條件[7,13],其中與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的約束如下:

約束1避免實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流之間的互相干擾,這一點(diǎn)由調(diào)度算法來保證,所有實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流分配的時(shí)隙均不能重疊。

約束2避免實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流受到BE流的干擾,這一點(diǎn)通過門控機(jī)制來實(shí)現(xiàn),即,在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流發(fā)送時(shí)隙開始時(shí),提前將BE流的門關(guān)閉(引入保護(hù)帶)以避免干擾。

3.2 研究挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的時(shí)隙調(diào)度方法需要對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流進(jìn)行精確的流調(diào)度控制,在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中生成了大量的門控制事件,超過了設(shè)備能力的需求。主要的挑戰(zhàn)如下:

(1)門控事件數(shù)量要求較高。門控開關(guān)的動(dòng)作是由門控列表GCL來控制的,一個(gè)時(shí)隙需要打開和關(guān)閉2個(gè)動(dòng)作,其反映在GCL列表中就是2個(gè)表項(xiàng)。顯然,對于某一個(gè)節(jié)點(diǎn),其GCL列表表項(xiàng)與經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的數(shù)量成正比。隨著網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的數(shù)量增加,時(shí)隙的數(shù)量也會(huì)增加,因此門控?cái)?shù)量也會(huì)相應(yīng)增加。

另外,門控事件的數(shù)量除了與實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)量相關(guān)外,與業(yè)務(wù)流應(yīng)用周期的關(guān)系也非常大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流的應(yīng)用周期相差較大時(shí),門控事件的條目將急劇增加。例如,如圖3所示,2條業(yè)務(wù)流的應(yīng)用周期分別是2 ms和3 ms,此時(shí),GCL列表的周期為這2條業(yè)務(wù)流應(yīng)用周期的最小公倍數(shù)6 ms,需要在這整個(gè)宏周期內(nèi)預(yù)留時(shí)隙。Flow1在整個(gè)宏周期內(nèi)占用了2個(gè)時(shí)隙,而Flow2在宏周期內(nèi)占用了3個(gè)時(shí)隙,因此一共需要5個(gè)時(shí)隙共10個(gè)GCL表項(xiàng)?？紤]在另一場景下,存在3條業(yè)務(wù)流,其應(yīng)用周期分別是1 ms,7 ms和20 ms,則此時(shí)宏周期長度為LCM(1,7,20)=140 ms,此時(shí)3條業(yè)務(wù)流共需要140+20+7=167個(gè)時(shí)隙共334個(gè)GCL表項(xiàng),這已超過了大部分交換機(jī)所能支持的門控列表數(shù)量[8]。并且,隨著網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)量的增加及業(yè)務(wù)流應(yīng)用周期差異的增大,所需的門控表項(xiàng)數(shù)量會(huì)進(jìn)一步急劇增加,遠(yuǎn)超設(shè)備能力。

Figure 3 GCL expansion due to the hypercycle

(2)保護(hù)帶對網(wǎng)絡(luò)資源消耗較嚴(yán)重。由于每一個(gè)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流時(shí)隙開始之前,都需要為其設(shè)置保護(hù)帶,以確保時(shí)隙開始時(shí)鏈路是空閑狀態(tài),保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流可以在確定時(shí)刻轉(zhuǎn)發(fā)。隨著時(shí)隙數(shù)量的增加,大量的門開關(guān)動(dòng)作就需要大量的保護(hù)帶,而保護(hù)帶又不允許任何新的BE流的傳輸,因此大量的保護(hù)帶將會(huì)對網(wǎng)絡(luò)資源造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。

(3)GCL配置時(shí)間較長。GCL列表過長也增加了網(wǎng)絡(luò)配置所需要的時(shí)間。盡管目前一個(gè)典型的TSN交換機(jī)設(shè)備僅能支持256個(gè)GCL表項(xiàng),但退一步說,即使設(shè)備支持上萬個(gè)GCL表項(xiàng)來滿足時(shí)隙調(diào)度的需求,但此時(shí)新增或者刪除一條流往往需要完全重寫整個(gè)GCL表,特別是在宏周期發(fā)生了變化的情況下,這會(huì)導(dǎo)致新增或者刪除業(yè)務(wù)流的配置時(shí)間很長,影響業(yè)務(wù)部署效率。

4 靈活門控機(jī)制及部署

本文提出一種新型的靈活門控機(jī)制,可以針對不同的流在不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置是否開啟門控。本節(jié)首先介紹基礎(chǔ)的時(shí)延分析,接著介紹幾種典型的靈活門控部署策略:無門控機(jī)制,即在所有節(jié)點(diǎn)均不開啟門控;尾節(jié)點(diǎn)門控機(jī)制,只在網(wǎng)絡(luò)最后一跳開啟門控,其他節(jié)點(diǎn)均不開啟門控;靈活門控機(jī)制,在部分節(jié)點(diǎn)開啟門控。網(wǎng)絡(luò)管理員可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備能力、業(yè)務(wù)流的特征以及性能需求等因素靈活選擇不同的部署策略。

4.1 時(shí)延分析

時(shí)間敏感報(bào)文在TSN網(wǎng)絡(luò)中的端到端時(shí)延一般包括:鏈路傳播時(shí)延LD(Link Delay)、交換機(jī)處理時(shí)延PD(Processing Delay)、傳輸時(shí)延TD(Transmission Delay)及隊(duì)列時(shí)延QD(Queuing Delay)等。其中,LD指的是信號(hào)在單條網(wǎng)絡(luò)鏈路上傳播所需要的時(shí)延,其與傳輸介質(zhì)及信號(hào)在傳輸介質(zhì)中的傳播速度有關(guān);PD指的是交換機(jī)收到報(bào)文后進(jìn)行處理直到報(bào)文在對應(yīng)出端口開始傳輸?shù)臅r(shí)延,其與交換機(jī)的處理能力相關(guān);TD指的是報(bào)文在交換機(jī)出端口處的傳輸時(shí)延,其與報(bào)文的長度及該網(wǎng)絡(luò)鏈路的鏈路速率相關(guān);QD指的是報(bào)文在交換機(jī)端口處隊(duì)列中的排隊(duì)時(shí)延,其與交換機(jī)實(shí)時(shí)的負(fù)載相關(guān)。本文采用基于No-wait約束的網(wǎng)絡(luò)模型[6],該約束保證了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的QD為0。

圖4展示了時(shí)間敏感報(bào)文從源節(jié)點(diǎn)(src)經(jīng)中間節(jié)點(diǎn)(B1)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(dest)的傳輸過程。其中,源節(jié)點(diǎn)在t0時(shí)刻將報(bào)文發(fā)出,經(jīng)過LD1時(shí)間后,報(bào)文的第1個(gè)字節(jié)到達(dá)B1節(jié)點(diǎn);再經(jīng)過TD1時(shí)間后報(bào)文的最后1個(gè)字節(jié)到達(dá)B1節(jié)點(diǎn)。此時(shí),報(bào)文已經(jīng)被B1節(jié)點(diǎn)完整接收,開始進(jìn)入B1節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)流程,經(jīng)過交換機(jī)處理時(shí)延PD1后,報(bào)文到達(dá)B1的出端口隊(duì)列7中,此時(shí)可以開始發(fā)送報(bào)文。在t4時(shí)刻,B1出端口的門控開關(guān)被打開,此時(shí)報(bào)文將從B1節(jié)點(diǎn)的出端口轉(zhuǎn)發(fā)出去,開門的持續(xù)時(shí)間等于報(bào)文在B1出端口的傳輸時(shí)延,即TD2。報(bào)文發(fā)送完成后,在t5時(shí)刻將門關(guān)閉,允許其他業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)。最后,報(bào)文在確定的t7時(shí)刻到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

Figure 4 Packet delay analysis in TSN

Figure 5 Delay analysis of no gate control and end gate control mechanisms

需要注意的是,為了確保在t4時(shí)刻開門時(shí),時(shí)間敏感報(bào)文可以準(zhǔn)確地在該時(shí)刻開始傳輸,需要提前將其他隊(duì)列的門關(guān)閉以確保此時(shí)鏈路上沒有其他報(bào)文在傳輸。這個(gè)提前量也被稱為保護(hù)帶GB(Guard Band)。在保護(hù)帶內(nèi),不允許開始任何新的報(bào)文傳輸。保護(hù)帶的長度與節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)行為有關(guān),如果節(jié)點(diǎn)不支持幀搶占機(jī)制[13],則該保護(hù)帶需要足夠長,以確保能夠傳輸完一個(gè)最大傳輸單元MTU(Maximum Transmission Unit)的BE數(shù)據(jù)幀并加上幀間隙IFG(Interframe Gap);如果節(jié)點(diǎn)支持幀搶占機(jī)制,則保護(hù)帶長度就是打斷BE流傳輸所需的時(shí)間加上IFG。在IEEE 802.1Qbu中,當(dāng)使能了幀搶占機(jī)制,該值為該節(jié)點(diǎn)傳輸123 B所需的時(shí)間。

4.2 無門控流調(diào)度策略

無門控流調(diào)度策略允許實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流在調(diào)度中不使用門控,放寬了約束2,此時(shí)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流將會(huì)受到BE流的干擾。即對于某一實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流,其在某一節(jié)點(diǎn)出端口的傳輸時(shí)隙開始時(shí),該出端口鏈路可能正在被其他BE業(yè)務(wù)流占用,此時(shí)需要等待其發(fā)送完成才能開始發(fā)送,對于這個(gè)由于BE流干擾引入的時(shí)延,使用ID(Interference Delay)來表示。干擾產(chǎn)生的時(shí)延與具體的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制有關(guān),如果使能了IEEE 802.3Qbu幀搶占機(jī)制[14],干擾時(shí)延ID的長度為打斷BE流傳輸所花費(fèi)的時(shí)間;如果未使能幀搶占功能,ID的長度就是等待其他流傳輸完成所花費(fèi)的時(shí)間,與BE流的MTU和鏈路速率有關(guān)。

由于交換機(jī)是根據(jù)優(yōu)先級隊(duì)列來對業(yè)務(wù)流進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),所以無論使能幀搶占機(jī)制與否,實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流受到的干擾時(shí)延最多為傳輸一個(gè)低優(yōu)先級報(bào)文所需要的時(shí)間,而與低優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的流量特征(如業(yè)務(wù)流帶寬、持續(xù)時(shí)間等)無關(guān)。ID表示的是可能受到的最大干擾時(shí)延,而實(shí)際上的干擾時(shí)延會(huì)在一定的范圍內(nèi)抖動(dòng),其上界為ID。例如,當(dāng)一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀到達(dá)某個(gè)交換機(jī)時(shí),若當(dāng)前無低優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀正在傳輸,則其實(shí)際干擾時(shí)延為0。

對于一個(gè)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流,其端到端的抖動(dòng)等于該流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑上每一跳所可能會(huì)引入的抖動(dòng)之和,其上界則等于每一跳的最大干擾時(shí)延ID之和,如式(1)所示:

(1)

其中,e表示該實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的網(wǎng)絡(luò)鏈路。

如圖 5所示,在無門控流調(diào)度策略中的B1節(jié)點(diǎn),由于沒有使能門控,所以實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流可能受到其他BE流的干擾,此時(shí),其可能在t0時(shí)刻就能發(fā)送,也有可能受到干擾,直到t1時(shí)刻才能發(fā)送,因此其占用的時(shí)隙就需要考慮干擾帶來的影響,即在t0～t4時(shí)間段內(nèi),不允許其他實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流調(diào)度(見約束1),從而避免了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流之間的影響。此時(shí),為該實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流傳輸所預(yù)留的時(shí)隙,等于其實(shí)際傳輸所耗費(fèi)的時(shí)間TD1,加上其可能受到的干擾時(shí)延ID1,即TS1=TD1+ID1。類似地,當(dāng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流到達(dá)B2節(jié)點(diǎn)后,抖動(dòng)將會(huì)累積,占用的時(shí)隙會(huì)進(jìn)一步增加為TS2=TD3+ID1+ID2。當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí),報(bào)文會(huì)產(chǎn)生一定的抖動(dòng),也就是各節(jié)點(diǎn)累積的抖動(dòng)之和,即ID1+ID2。

無門控流調(diào)度策略只需要源節(jié)點(diǎn)處支持門控,而對于中間的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),甚至可以完全不支持IEEE 802.1Qbv門控機(jī)制,就可以達(dá)到避免實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流之間互相干擾的目的。

4.3 部分門控流調(diào)度策略

4.2節(jié)提出的無門控流調(diào)度策略,盡管其可以使得交換機(jī)完全無需支持門控功能,極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)配置,但也帶來了2個(gè)問題:

問題1業(yè)務(wù)流會(huì)產(chǎn)生一定的抖動(dòng),這對于一些0抖動(dòng)要求的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流并不適用。

問題2放松約束2帶來的抖動(dòng)會(huì)隨著跳數(shù)逐跳累積,對于某一業(yè)務(wù)流,其占用的時(shí)隙將隨著跳數(shù)增加,這對網(wǎng)絡(luò)資源造成了浪費(fèi),降低了可調(diào)度流的數(shù)量。

為了解決上述問題,可以在網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)啟用門控,以消除累積的抖動(dòng)。

4.3.1 尾節(jié)點(diǎn)門控流調(diào)度策略

為了滿足某些業(yè)務(wù)流0抖動(dòng)的要求,可以在該業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的最后一跳部署門控,以消除網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)。

如圖 5中的尾節(jié)點(diǎn)門控流調(diào)度策略所示,其中B1節(jié)點(diǎn)均未使能門控,因此產(chǎn)生的干擾時(shí)延ID1會(huì)累積到占用的時(shí)隙中,報(bào)文到達(dá)B2節(jié)點(diǎn)時(shí),占用的時(shí)隙為t2～t8。盡管報(bào)文到達(dá)B2節(jié)點(diǎn)的最早可能時(shí)間是t2時(shí)刻,但是并未在時(shí)隙開始時(shí)就將門打開,而是延遲一定的時(shí)間,以容忍最壞情況下報(bào)文的到達(dá)時(shí)刻,也就是在t3時(shí)刻開門,持續(xù)TD4時(shí)間后將門關(guān)閉。此時(shí)無論前面累積了多少抖動(dòng),都通過門控的方式清零,最終報(bào)文在確定的時(shí)刻到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn),達(dá)到業(yè)務(wù)流的端到端0抖動(dòng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)。

4.3.2 靈活門控流調(diào)度策略

尾節(jié)點(diǎn)門控雖然消除了業(yè)務(wù)流的抖動(dòng),但沿途的抖動(dòng)依然存在,在其路徑上的交換機(jī)仍然占用了較大的時(shí)隙,特別是越接近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的中間節(jié)點(diǎn),其占用時(shí)隙會(huì)越大,這浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源,降低了可調(diào)度的流數(shù)量。并且,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)成為熱點(diǎn)時(shí)(例如網(wǎng)絡(luò)中存在應(yīng)用周期差異較大的業(yè)務(wù)流并且這些業(yè)務(wù)流的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相同),與該終端節(jié)點(diǎn)相連的交換機(jī)將會(huì)承受較大的流量壓力,此時(shí)尾節(jié)點(diǎn)門控流調(diào)度策略已無法有效地減少GCL表項(xiàng)數(shù)量。

在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的中間節(jié)點(diǎn)處部署門控,一方面可以消除前面累積的抖動(dòng),從而減小實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的時(shí)隙占用;另一方面可以有效地將GCL分散到網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中,以減輕某些熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的壓力。

需要注意的是,當(dāng)使用靈活門控機(jī)制時(shí),其生成的GCL表項(xiàng)的邏輯與傳統(tǒng)的完全門控機(jī)制是相反的。這是因?yàn)閷τ谀骋痪W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其可能僅對網(wǎng)絡(luò)中的部分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流使能門控,而對其他實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流保持正常轉(zhuǎn)發(fā)。如圖6所示,對于某一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流Flow2使能門控,而對流Flow1不使能門控。由于Flow1與Flow2的優(yōu)先級都是一致的,即這2個(gè)業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)幀中PCP字段的值是相同的,所以這2個(gè)業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)幀將會(huì)映射到同一實(shí)時(shí)隊(duì)列中。盡管該節(jié)點(diǎn)只對Flow2使能門控,但其仍然需要保持實(shí)時(shí)隊(duì)列的門控開關(guān)為打開狀態(tài),以保證業(yè)務(wù)流Flow1的正常傳輸。所以,該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的門控開關(guān)狀態(tài)如圖6所示,當(dāng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流Flow2的預(yù)留時(shí)隙到達(dá)時(shí),需要首先關(guān)閉門控開關(guān),然后在Flow2的可能最晚到達(dá)時(shí)間才開啟門控,以保證無論Flow2在t0時(shí)刻還是t1時(shí)刻到達(dá),都只能在t1時(shí)刻才能被轉(zhuǎn)發(fā),達(dá)到消除抖動(dòng)的目的。

Figure 6 Gate should keep opened in flexible gate control mechanism

4.4 示例分析

4.4.1 示例分析1:消除累計(jì)抖動(dòng)

選擇實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的中間節(jié)點(diǎn)來使能門控,可以有效地消除累積抖動(dòng)。如圖7所示,實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流在中間節(jié)點(diǎn)Bk使能門控,而在其他節(jié)點(diǎn)(如Bk-1和Bk+1)未使能門控。在Bk-1節(jié)點(diǎn)中,由于其未使能門控,并且該節(jié)點(diǎn)處已經(jīng)累積了大量的干擾時(shí)隙,所以在該節(jié)點(diǎn)處,實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的最早發(fā)送時(shí)刻為t0,最晚發(fā)送時(shí)刻為t3;在Bk節(jié)點(diǎn)中,由于使能了門控,其提前在t1時(shí)刻把門控開關(guān)關(guān)閉,并在t4時(shí)刻才把門控開關(guān)打開,允許實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流進(jìn)行傳輸,所以在該節(jié)點(diǎn)處,實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流在之前累積的抖動(dòng)將會(huì)被清零,并且以完全確定的時(shí)刻t4向B3發(fā)送報(bào)文。

Figure 7 Delay analysis of gate control at the intermediate node

4.4.2 示例分析2:減少門控?cái)?shù)量

使用靈活門控機(jī)制,可以針對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的應(yīng)用周期特點(diǎn),選擇特定交換機(jī)來對指定實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流使能門控,從而減少門控?cái)?shù)量。如圖8所示,網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流,應(yīng)用周期分別為1 ms, 2 ms和10 ms。若使用完全門控,由于宏周期為10ms,在每一個(gè)節(jié)點(diǎn),對于上述3個(gè)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流分別各需要10,5,1個(gè)時(shí)隙,共16個(gè)時(shí)隙32個(gè)GCL條目。若使用尾節(jié)點(diǎn)門控機(jī)制,盡管在B1節(jié)點(diǎn)和B2節(jié)點(diǎn)處無需部署門控,但在B3節(jié)點(diǎn)處也同樣需要32個(gè)GCL條目。若僅在B3節(jié)點(diǎn)處對流Flow1和Flow2進(jìn)行門控,而在B2節(jié)點(diǎn)處對流Flow3進(jìn)行門控,則此時(shí)在B3節(jié)點(diǎn)所需部署的GCL周期為2 ms,表項(xiàng)數(shù)量為(2+1)*2=6個(gè),而B2節(jié)點(diǎn)的GCL周期為10 ms,表項(xiàng)數(shù)量為1*2=2個(gè)。盡管此時(shí)Flow3的端到端時(shí)延會(huì)略有抖動(dòng),但此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所需的GCL表項(xiàng)數(shù)量為6+2=8個(gè),相比傳統(tǒng)的完全門控機(jī)制96(32*3)和尾節(jié)點(diǎn)門控機(jī)制的32個(gè)GCL表項(xiàng),分別減少了91.6%和75%,極大地緩解了網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)設(shè)備的GCL門控壓力。

Figure 8 Flexible gate control mechanism can effectively reduce the length of GCL

通過該示例可以看出,靈活門控調(diào)度策略在減少GCL門控條目數(shù)量方面有較大的優(yōu)勢,特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流應(yīng)用周期差異較大時(shí)效果顯著。但是,該策略同時(shí)會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)流遭受一定的抖動(dòng),并且減少了網(wǎng)絡(luò)能夠調(diào)度的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)量。在實(shí)際應(yīng)用中,需要根據(jù)業(yè)務(wù)流特征和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活選擇門控策略,后續(xù)將研究如何平衡網(wǎng)絡(luò)調(diào)度性和GCL條目數(shù)量之間的關(guān)系。

4.5 門控?cái)?shù)量分析

考慮使用隨機(jī)的門控機(jī)制的流調(diào)度算法,即對于每條實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流在其轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的每個(gè)交換機(jī),假設(shè)使能門控機(jī)制概率為p。此時(shí),對于一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)路徑跳數(shù)為n的業(yè)務(wù)流,對其使能門控機(jī)制的交換機(jī)個(gè)數(shù)的期望值為p*n。而使能門控機(jī)制需要開門和關(guān)門2個(gè)GCL表項(xiàng),即對于該實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流,其在每個(gè)應(yīng)用周期所需的全局門控開關(guān)數(shù)量的期望值為2*p*n。

對于文獻(xiàn)[6]采用的策略,由于其使用的是傳統(tǒng)的完全門控流調(diào)度策略,可以認(rèn)為其p值為1。而對于本文所提出的尾節(jié)點(diǎn)門控流調(diào)度策略,由于該策略僅在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的末尾節(jié)點(diǎn)進(jìn)行門控,則對于每一條流,其在每個(gè)應(yīng)用周期所需的全局門控事件數(shù)量僅為2。

5 實(shí)驗(yàn)與仿真

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D9所示,由16臺(tái)交換機(jī)和16臺(tái)終端組成。其中,交換機(jī)B0～B3之間的網(wǎng)絡(luò)鏈路為10 GE,其余鏈路為1 GE。這是一種典型的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?其中B0～B3可認(rèn)為是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的核心轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī),而剩下的12臺(tái)交換機(jī)各自組成了2個(gè)小環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)鏈路傳播時(shí)延為1 μs。在實(shí)際部署中,交換機(jī)由于硬件能力的限制,在處理報(bào)文時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的抖動(dòng)。交換機(jī)處理時(shí)延抖動(dòng)設(shè)為0.85 μs,其中最小處理時(shí)延和最大處理時(shí)延分別為0.45 μs和1.3 μs。這種參數(shù)的選擇參照了典型工業(yè)TSN交換機(jī)的硬件能力。

Figure 9 Experimental topology

實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的參數(shù)如表1所示。在實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中,網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)生成的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)量從100條增加到500條,步長為50,共9組實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)3中的6組實(shí)驗(yàn)中,業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)大小分別為100,200,500,1 000,1 500和隨機(jī),其中第6組實(shí)驗(yàn)的流數(shù)據(jù)幀大小在100,200,500,1 000,1 500中隨機(jī)選取。在實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3中,實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的應(yīng)用周期分別從0.1 ms, 1 ms, 10 ms和0.1 ms, 0.5 ms, 1 ms中隨機(jī)選取。其中,隨機(jī)生成實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的終端節(jié)點(diǎn)從D0～D15中隨機(jī)選取。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,所有實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行20次并取平均值。

Table 1 Experimental parameters setting

本文所有實(shí)驗(yàn)均經(jīng)過仿真工具Omnet和TSN擴(kuò)展框架Nesting驗(yàn)證。在仿真驗(yàn)證中,隨機(jī)添加了BE業(yè)務(wù)流對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流進(jìn)行干擾,仿真結(jié)果顯示實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的時(shí)延符合預(yù)期,驗(yàn)證了調(diào)度結(jié)果的正確性。

在對比實(shí)驗(yàn)中,本文主要選擇文獻(xiàn)[6]中的算法進(jìn)行對比,該文獻(xiàn)中提出的No-wait約束調(diào)度算法是一種典型的TSN調(diào)度算法。以下實(shí)驗(yàn)是在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上應(yīng)用靈活門控機(jī)制。需要注意的是,靈活門控機(jī)制并不只局限于No-wait約束算法,由于可以靈活選擇節(jié)點(diǎn)進(jìn)行門控,因此靈活門控機(jī)制可以廣泛地應(yīng)用在各種算法中,以降低其門控?cái)?shù)量,提高其部署能力。

5.2 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)量對門控?cái)?shù)量影響分析

實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)量對門控?cái)?shù)量影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,其中隨機(jī)門控中的p指的是對于某一條實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流,在某一條交換機(jī)上使能門控機(jī)制的概率為p。

Figure 10 Experiment 1:Effect of the number of flows on the length of GCL

隨著網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)量的增加,對于4種流調(diào)度策略,網(wǎng)絡(luò)中的全局門控事件數(shù)量都呈線性增加。其中文獻(xiàn)[6]中的策略由于采用的是全局門控機(jī)制來精確調(diào)度實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流,所以其門控?cái)?shù)量在4種策略中上升較快。相比之下,本文所提出的靈活門控機(jī)制(隨機(jī)門控和尾節(jié)點(diǎn)門控)的門控事件數(shù)量顯著減少,其中,尾節(jié)點(diǎn)門控由于僅在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑上最末端的交換機(jī)使能門控,所以無論實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑有多長,其全局門控?cái)?shù)量均為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)量的2倍,最終呈現(xiàn)在圖上時(shí),其曲線幾乎是一條直線,而隨機(jī)門控機(jī)制由于其隨機(jī)性,其曲線呈現(xiàn)了一定的波動(dòng)。

由于本實(shí)驗(yàn)的各組實(shí)驗(yàn)都采用同一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?則隨機(jī)生成的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑的跳數(shù)期望值E(n)相等,同時(shí)其網(wǎng)絡(luò)周期也相等,根據(jù)4.5節(jié)的分析,對于隨機(jī)門控機(jī)制,網(wǎng)絡(luò)中的全局門控事件數(shù)量應(yīng)與概率p成正比。

如圖10所示,隨機(jī)門控流調(diào)度策略p=0.5的曲線約為文獻(xiàn)[6]流調(diào)度策略曲線的一半,而隨機(jī)門控流調(diào)度策略p=0.25的曲線又約為隨機(jī)門控流調(diào)度策略p=0.5曲線的一半,符合預(yù)期。另外,隨機(jī)門控流調(diào)度策略p=0.25的曲線與尾節(jié)點(diǎn)門控流調(diào)度策略的曲線重疊度較高,可以根據(jù)此計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑的跳數(shù),即此時(shí)2*p*n=2,代入p=0.25,得到n=4跳,即此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的平均跳數(shù)約為4跳,符合本實(shí)驗(yàn)采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文所提出的靈活門控流調(diào)度策略允許對業(yè)務(wù)流靈活地進(jìn)行門控,從而減少調(diào)度策略所需的GCL表項(xiàng)資源。在上述實(shí)驗(yàn)中,采取最簡單的隨機(jī)分配門控策略,使用隨機(jī)因子0.25,可以將全局門控事件數(shù)量有效減少約75%。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署中,需要綜合考慮設(shè)備能力和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流QoS約束,對門控進(jìn)行更加精細(xì)的控制。

5.3 業(yè)務(wù)流應(yīng)用周期對門控?cái)?shù)量影響分析

本節(jié)實(shí)驗(yàn)主要研究業(yè)務(wù)流應(yīng)用周期對門控?cái)?shù)量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。在該實(shí)驗(yàn)中,本文所提出的靈活門控流調(diào)度策略針對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的應(yīng)用周期特點(diǎn),對網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)分別使能門控。具體地,將所有交換機(jī)平均分為3組,分別對應(yīng)應(yīng)用周期為0.1 ms,1 ms和10 ms的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流。每一組交換機(jī)僅對對應(yīng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流使能門控,這使得盡管網(wǎng)絡(luò)中的流的宏周期為10 ms,但網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)交換機(jī)端口的GCL列表宏周期僅與使能門控的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流相關(guān)。

Figure 11 Experiment 2:Effect of the number of flow cycles on the length of GCL

Figure 12 Experiment 3:Effect of flexible gatecontrol on the number of scheduled flows

文獻(xiàn)[6]所采取的傳統(tǒng)的完全門控流調(diào)度策略導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)中所有端口的GCL宏周期都為10 ms。此時(shí),對于應(yīng)用周期為0.1 ms的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流,盡管其在每一個(gè)應(yīng)用周期所需的GCL表項(xiàng)僅為2,但在宏周期中,其所需的GCL表項(xiàng)膨脹到了200個(gè),這導(dǎo)致了全局門控事件急劇增加,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了交換機(jī)的設(shè)備能力。而本文所使用的靈活門控流調(diào)度策略,通過將實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流根據(jù)應(yīng)用周期分組在對應(yīng)的端口進(jìn)行門控,解決了門控事件膨脹的問題。在該實(shí)驗(yàn)中,基于靈活門控機(jī)制設(shè)計(jì)的分組門控流調(diào)度,有效避免了因業(yè)務(wù)流周期不同導(dǎo)致的GCL表項(xiàng)膨脹問題。這種根據(jù)業(yè)務(wù)流周期特點(diǎn)進(jìn)行分組的流調(diào)度設(shè)計(jì),相比隨機(jī)門控流調(diào)度,節(jié)省了更多的GCL表項(xiàng)資源。

5.4 最大調(diào)度流數(shù)量分析

本節(jié)實(shí)驗(yàn)主要研究本文所提出的靈活門控流調(diào)度策略對網(wǎng)絡(luò)可調(diào)度流的數(shù)量的影響。如前文所述,當(dāng)交換機(jī)不對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流使能門控時(shí),其需要給其預(yù)留出可能受到干擾的時(shí)隙。當(dāng)使能了幀搶占功能時(shí),需要預(yù)留出的額外時(shí)隙為123 B、幀間隙以及前導(dǎo)碼的傳輸所需要的時(shí)間。

在本節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)置中,實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的應(yīng)用周期從0.1 ms, 1 ms, 10 ms中隨機(jī)選取。其中,網(wǎng)絡(luò)增量式地生成實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流給調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度計(jì)算,當(dāng)無法調(diào)度時(shí)停止運(yùn)行,此時(shí)得到網(wǎng)絡(luò)的最大可調(diào)度流數(shù)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 12所示。

使用隨機(jī)門控流調(diào)度,將使能門控的概率p從1到0逐漸下降。當(dāng)p=1時(shí),隨機(jī)門控流調(diào)度策略等價(jià)于文獻(xiàn)[6]中的完全門控流調(diào)度策略;而當(dāng)p=0時(shí),網(wǎng)絡(luò)中所有交換機(jī)都不使能門控,即此時(shí)交換機(jī)保持所有隊(duì)列為開啟狀態(tài),等價(jià)于一個(gè)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)交換機(jī)。在這種情況下,盡管網(wǎng)絡(luò)中無門控,但調(diào)度器在進(jìn)行調(diào)度計(jì)算時(shí),仍然需要將所預(yù)留的時(shí)隙考慮進(jìn)去,以保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流之間的嚴(yán)格隔離。

可以看到,隨著概率值的下降,網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)度流數(shù)量呈下降趨勢。其中,當(dāng)業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)大小為100 B時(shí),無門控情況下可調(diào)度流數(shù)量比完全門控情況下減少了約82.44%,對網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)度性造成了嚴(yán)重的影響。另一方面,當(dāng)業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)大小為1 500 B時(shí),是否使能門控對可調(diào)度流的數(shù)量幾乎沒有影響。這是由于當(dāng)不使能門控時(shí),需要為業(yè)務(wù)流預(yù)留出至少123 B的額外傳輸時(shí)間,并且這個(gè)額外的時(shí)隙是逐跳累計(jì)的。即,對于未使能門控的每一跳,都需要為其預(yù)留出額外的干擾時(shí)隙。對于業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)量較小的場景,該額外預(yù)留時(shí)隙占比較大,所以不使能門控對網(wǎng)絡(luò)可調(diào)度流數(shù)量會(huì)造成較大影響,而當(dāng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)量較大時(shí),該影響就微乎其微了。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署中,管理員需要權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)量和設(shè)備能力,以選擇適合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求的方案。

6 結(jié)束語

針對大規(guī)模時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中GCL表項(xiàng)資源緊張的問題,本文提出了一種新型的靈活門控機(jī)制,該機(jī)制在保證滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那疤嵯?允許在特定的節(jié)點(diǎn)不支持門控機(jī)制轉(zhuǎn)發(fā)或特定端口對部分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流不使能門控,有效地減少了調(diào)度機(jī)制所需的GCL表項(xiàng)資源。

基于該靈活門控機(jī)制,可以針對網(wǎng)絡(luò)中的流量周期特性,在各個(gè)交換機(jī)分別對不同的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流使能門控,以減少設(shè)備GCL表項(xiàng)數(shù)量。從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,盡管不使能門控可以有效減少網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)所需的GCL條目數(shù)量,但其增加了業(yè)務(wù)流的抖動(dòng),同時(shí)也減少了網(wǎng)絡(luò)可調(diào)度業(yè)務(wù)流的數(shù)量。

在實(shí)際應(yīng)用中,網(wǎng)絡(luò)管理員必須根據(jù)實(shí)際場景的業(yè)務(wù)流流量特征、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能力等信息綜合考慮門控部署方案。TSN中的流量調(diào)度問題本就是一個(gè)NP難問題,本文所提出的靈活門控機(jī)制又引入了一個(gè)新的維度空間(即網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的門控策略選擇)。這種靈活門控機(jī)制在減少調(diào)度策略所需GCL表項(xiàng)資源的同時(shí),也帶來了新的調(diào)度計(jì)算問題。未來將進(jìn)一步研究針對業(yè)務(wù)流特征和網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的門控調(diào)度優(yōu)化算法。