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        時間敏感網絡下的一種新型靈活門控機制

        2023-09-18 02:04:20林佳爍李偉超詹雙平馮景斌黃倩怡
        計算機工程與科學 2023年9期

        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.南方科技大學計算機科學與工程系,廣東 深圳 518055;2.鵬城實驗室,廣東 深圳 518055;3.廣東工業(yè)大學自動化學院,廣東 廣州 510006;4.中山大學計算機學院,廣東 廣州 510006;5.南方科技大學未來網絡研究院,廣東 深圳 518055)

        1 引言

        隨著工業(yè)物聯網IIoT(Industrial Internet of Things)的興起以及異構網絡的融合,傳統的以太網難以滿足不同業(yè)務流的網絡傳輸要求,越來越多場景和用戶開始關注時間敏感網絡TSN(Time-Sensitive Networking)。TSN允許周期性數據與非周期性數據、實時數據與非實時數據在同一網絡中傳輸,使得標準以太網具有確定性傳輸的優(yōu)勢,并通過了廠商獨立的標準化進程,已成為廣泛聚焦的關鍵技術[1,2]。

        為了使時間敏感業(yè)務實現盡可能低的時延和抖動,TSN提供了時間同步[3]、全局時隙調度[4]和門控機制[5]3種技術來保證關鍵實時業(yè)務的確定性。首先,時間同步為網絡提供統一的時間基準;其次,全局的時隙調度統一規(guī)劃資源,在時間上(劃分時隙)和空間上(規(guī)劃路由)將實時業(yè)務流進行隔離,以避免互相干擾;最后,門控技術可以避免實時業(yè)務流在傳輸過程中受到其他盡力而為BE(Best Effort)流的干擾,具體措施為在實時業(yè)務流時隙開始之前提前關閉BE流隊列的門控開關,以阻止BE流的發(fā)送,保證實時業(yè)務流時隙開始時鏈路是空閑狀態(tài),從而避免了BE流對實時業(yè)務流的干擾。

        門控機制能夠很好地將實時業(yè)務流與盡力而為業(yè)務流隔離開,從而實現實時業(yè)務流的確定性網絡服務。典型的調度算法[6,7]通過門控機制將實時業(yè)務流與BE流在空間和時間上嚴格地進行隔離,保證實時業(yè)務流不受到BE流的干擾,同時也保證實時業(yè)務流之間的嚴格隔離。其引入了No-wait約束來保證實時業(yè)務流在網絡中的隊列時延為0,使得實時業(yè)務流的端到端時延為最小值。然而,這種嚴格的隔離機制導致其在交換機中部署的門控制列表GCL(Gate Control List)條目數量巨大。例如,為1個實時業(yè)務流預留1個時隙就需要2個門控開關事件。當網絡中實時業(yè)務流的數量較多時,由于交換機的設備能力有限,無法支持大量的GCL列表事件,這使得其難以對所有的實時業(yè)務流都進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度實時業(yè)務流成為了一個熱點問題。文獻[8]放松了網絡約束,保持交換機的門控開關常開,然后使用基于可滿足性模理論SMT(Satisfiability Modulo Theory)的方法進行求解。文獻[9,10]放松了實時業(yè)務流0抖動的約束,允許預留時隙窗口重疊,但這又引入了實時業(yè)務流沖突的問題,此時需要使用網絡演算工具[11,12]來考慮實時業(yè)務流在最差情況下的排隊時延,使問題復雜化。

        對于大規(guī)模時間敏感網絡下的流量調度場景,交換機的GCL條目數量成為了限制調度算法部署的關鍵資源,如何減少調度算法所需的門控事件數量,提高可行性是TSN網絡流量調度的關鍵問題。本文首先對實時業(yè)務流在非TSN交換機上的轉發(fā)過程進行了深入的時延分析?;谠摲治?本文提出了一種靈活門控機制。這種靈活門控機制允許網絡管理員靈活選擇網絡交換機對部分實時業(yè)務流使能門控,可適用于基于No-wait約束的調度算法等,以減少網絡中的門控事件數量(即交換機的GCL條目數量)。并且,由于該機制允許在某些交換機不使能門控,從而可以在一些非TSN網絡上部署TSN業(yè)務流。在實際網絡部署中,可以根據網絡中的流量特征,對某些實時業(yè)務流不部署門控事件,保持門控開關常開,這減少了網絡調度所需的門控事件數量。對于未部署門控事件所引入的網絡抖動,可以在相應節(jié)點設置門控來進行消除。對一個典型工業(yè)網絡拓撲的仿真分析表明,該門控機制能最多減少門控條目數量91.6%,大大降低了TSN網絡中流量調度所需的GCL資源,利于TSN網絡在實際中的部署。

        2 相關背景

        本節(jié)首先對IEEE 802.1Qbv網絡中交換機的轉發(fā)模型進行簡單介紹,然后介紹TSN中的調度模型。

        2.1 IEEE 802.1Qbv轉發(fā)模型

        一個典型的支持TSN網絡IEEE 802.1Qbv協議的交換機轉發(fā)模型如圖1所示。其中,交換機在將網絡報文轉發(fā)到對應的出端口中時,根據報文中的優(yōu)先級字段PCP(Priority Code Point)將其置入對應的隊列中。

        Figure 1 Forwarding model of typical TSN switch

        在TSN交換機的每個端口中,有8個隊列用于傳輸報文,其中隊列的開關由GCL列表來控制。只有當隊列的門控開關被打開時,即此時GCL列表中該隊列的值為1,隊列中的報文才會被轉發(fā),否則不會被轉發(fā)。如圖1所示,GCL列表由多個條目組成,每一個條目指定了各個隊列的開關狀態(tài),及該條目的持續(xù)時間。交換機根據該GCL列表周期性地設置各個隊列的門控開關。通過這種機制,控制器中的調度引擎可以為網絡中各個交換機生成對應的GCL列表來對網絡業(yè)務流進行調度,以確保實時業(yè)務流的確定性轉發(fā)服務。與文獻[6]相似,本文使用單個隊列(隊列7)作為時間敏感報文的轉發(fā)隊列,而將其他隊列(隊列0~6)作為盡力而為業(yè)務流的轉發(fā)隊列。

        2.2 TSN調度模型

        典型的混合TSN網絡架構如圖2所示,包含TSN交換機(深灰色節(jié)點)與非TSN交換機(白色節(jié)點)。在該網絡中,控制器擁有對下層網絡設備的全局信息。控制器中部署了調度引擎對網絡中業(yè)務流進行調度并下發(fā)配置到交換機中。

        Figure 2 Architecture of hybrid TSN

        非TSN交換機不支持TSN協議標準如IEEE 802.1Qbv等,因而無法部署門控從而對業(yè)務流進行精確的流量開關控制。盡管這種交換機無需支持IEEE 802.1Qbv協議,但其必須支持時間同步協議如IEEE 802.1AS等來進行時間同步信息的傳遞,即必須保證整個網絡中的設備都進行了時間同步,從而使得各個TSN交換機的GCL門控隊列都具有相同的基準時間。

        在TSN中,一個典型的流調度過程如下:終端節(jié)點根據其應用特征發(fā)起業(yè)務流調度請求,調度器根據其調度請求為該業(yè)務流預留資源,并更新網絡中TSN交換機的門控列表GCL。最后,終端節(jié)點根據調度結果在對應的時間節(jié)點發(fā)送業(yè)務流報文。

        3 研究動機

        3.1 研究問題

        本文旨在研究基于IEEE 802.1Qbv協議的TSN網絡中的實時業(yè)務流調度問題。在給定網絡狀態(tài)和實時業(yè)務流需求下,綜合考慮網絡拓撲及業(yè)務需求等因素進行調度計算,得到網絡中的GCL門控列表。然而,傳統的調度算法沒有考慮實際生成的門控數量,其容易超過實際設備的能力,從而難以在實際網絡中部署。本文對傳統的基于No-wait約束的調度算法進行改進,旨在滿足No-wait約束的同時,減少生成的GCL門控數量。

        在調度計算過程中,實時業(yè)務流的調度結果需要滿足各種約束條件[7,13],其中與時間敏感網絡相關的約束如下:

        約束1避免實時業(yè)務流之間的互相干擾,這一點由調度算法來保證,所有實時業(yè)務流分配的時隙均不能重疊。

        約束2避免實時業(yè)務流受到BE流的干擾,這一點通過門控機制來實現,即,在實時業(yè)務流發(fā)送時隙開始時,提前將BE流的門關閉(引入保護帶)以避免干擾。

        3.2 研究挑戰(zhàn)

        傳統的時隙調度方法需要對實時業(yè)務流進行精確的流調度控制,在網絡交換機中生成了大量的門控制事件,超過了設備能力的需求。主要的挑戰(zhàn)如下:

        (1)門控事件數量要求較高。門控開關的動作是由門控列表GCL來控制的,一個時隙需要打開和關閉2個動作,其反映在GCL列表中就是2個表項。顯然,對于某一個節(jié)點,其GCL列表表項與經過該節(jié)點的實時業(yè)務流的數量成正比。隨著網絡中實時業(yè)務流的數量增加,時隙的數量也會增加,因此門控數量也會相應增加。

        另外,門控事件的數量除了與實時業(yè)務流數量相關外,與業(yè)務流應用周期的關系也非常大。當網絡中業(yè)務流的應用周期相差較大時,門控事件的條目將急劇增加。例如,如圖3所示,2條業(yè)務流的應用周期分別是2 ms和3 ms,此時,GCL列表的周期為這2條業(yè)務流應用周期的最小公倍數6 ms,需要在這整個宏周期內預留時隙。Flow1在整個宏周期內占用了2個時隙,而Flow2在宏周期內占用了3個時隙,因此一共需要5個時隙共10個GCL表項??紤]在另一場景下,存在3條業(yè)務流,其應用周期分別是1 ms,7 ms和20 ms,則此時宏周期長度為LCM(1,7,20)=140 ms,此時3條業(yè)務流共需要140+20+7=167個時隙共334個GCL表項,這已超過了大部分交換機所能支持的門控列表數量[8]。并且,隨著網絡中實時業(yè)務流數量的增加及業(yè)務流應用周期差異的增大,所需的門控表項數量會進一步急劇增加,遠超設備能力。

        Figure 3 GCL expansion due to the hypercycle

        (2)保護帶對網絡資源消耗較嚴重。由于每一個實時業(yè)務流時隙開始之前,都需要為其設置保護帶,以確保時隙開始時鏈路是空閑狀態(tài),保證實時業(yè)務流可以在確定時刻轉發(fā)。隨著時隙數量的增加,大量的門開關動作就需要大量的保護帶,而保護帶又不允許任何新的BE流的傳輸,因此大量的保護帶將會對網絡資源造成嚴重的浪費。

        (3)GCL配置時間較長。GCL列表過長也增加了網絡配置所需要的時間。盡管目前一個典型的TSN交換機設備僅能支持256個GCL表項,但退一步說,即使設備支持上萬個GCL表項來滿足時隙調度的需求,但此時新增或者刪除一條流往往需要完全重寫整個GCL表,特別是在宏周期發(fā)生了變化的情況下,這會導致新增或者刪除業(yè)務流的配置時間很長,影響業(yè)務部署效率。

        4 靈活門控機制及部署

        本文提出一種新型的靈活門控機制,可以針對不同的流在不同的節(jié)點設置是否開啟門控。本節(jié)首先介紹基礎的時延分析,接著介紹幾種典型的靈活門控部署策略:無門控機制,即在所有節(jié)點均不開啟門控;尾節(jié)點門控機制,只在網絡最后一跳開啟門控,其他節(jié)點均不開啟門控;靈活門控機制,在部分節(jié)點開啟門控。網絡管理員可以結合網絡中的設備能力、業(yè)務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 時延分析

        時間敏感報文在TSN網絡中的端到端時延一般包括:鏈路傳播時延LD(Link Delay)、交換機處理時延PD(Processing Delay)、傳輸時延TD(Transmission Delay)及隊列時延QD(Queuing Delay)等。其中,LD指的是信號在單條網絡鏈路上傳播所需要的時延,其與傳輸介質及信號在傳輸介質中的傳播速度有關;PD指的是交換機收到報文后進行處理直到報文在對應出端口開始傳輸的時延,其與交換機的處理能力相關;TD指的是報文在交換機出端口處的傳輸時延,其與報文的長度及該網絡鏈路的鏈路速率相關;QD指的是報文在交換機端口處隊列中的排隊時延,其與交換機實時的負載相關。本文采用基于No-wait約束的網絡模型[6],該約束保證了實時業(yè)務流的QD為0。

        圖4展示了時間敏感報文從源節(jié)點(src)經中間節(jié)點(B1)到目標節(jié)點(dest)的傳輸過程。其中,源節(jié)點在t0時刻將報文發(fā)出,經過LD1時間后,報文的第1個字節(jié)到達B1節(jié)點;再經過TD1時間后報文的最后1個字節(jié)到達B1節(jié)點。此時,報文已經被B1節(jié)點完整接收,開始進入B1節(jié)點的轉發(fā)流程,經過交換機處理時延PD1后,報文到達B1的出端口隊列7中,此時可以開始發(fā)送報文。在t4時刻,B1出端口的門控開關被打開,此時報文將從B1節(jié)點的出端口轉發(fā)出去,開門的持續(xù)時間等于報文在B1出端口的傳輸時延,即TD2。報文發(fā)送完成后,在t5時刻將門關閉,允許其他業(yè)務轉發(fā)。最后,報文在確定的t7時刻到達目標節(jié)點。

        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時刻開門時,時間敏感報文可以準確地在該時刻開始傳輸,需要提前將其他隊列的門關閉以確保此時鏈路上沒有其他報文在傳輸。這個提前量也被稱為保護帶GB(Guard Band)。在保護帶內,不允許開始任何新的報文傳輸。保護帶的長度與節(jié)點的轉發(fā)行為有關,如果節(jié)點不支持幀搶占機制[13],則該保護帶需要足夠長,以確保能夠傳輸完一個最大傳輸單元MTU(Maximum Transmission Unit)的BE數據幀并加上幀間隙IFG(Interframe Gap);如果節(jié)點支持幀搶占機制,則保護帶長度就是打斷BE流傳輸所需的時間加上IFG。在IEEE 802.1Qbu中,當使能了幀搶占機制,該值為該節(jié)點傳輸123 B所需的時間。

        4.2 無門控流調度策略

        無門控流調度策略允許實時業(yè)務流在調度中不使用門控,放寬了約束2,此時實時業(yè)務流將會受到BE流的干擾。即對于某一實時業(yè)務流,其在某一節(jié)點出端口的傳輸時隙開始時,該出端口鏈路可能正在被其他BE業(yè)務流占用,此時需要等待其發(fā)送完成才能開始發(fā)送,對于這個由于BE流干擾引入的時延,使用ID(Interference Delay)來表示。干擾產生的時延與具體的轉發(fā)機制有關,如果使能了IEEE 802.3Qbu幀搶占機制[14],干擾時延ID的長度為打斷BE流傳輸所花費的時間;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的時間,與BE流的MTU和鏈路速率有關。

        由于交換機是根據優(yōu)先級隊列來對業(yè)務流進行轉發(fā),所以無論使能幀搶占機制與否,實時業(yè)務流受到的干擾時延最多為傳輸一個低優(yōu)先級報文所需要的時間,而與低優(yōu)先級業(yè)務流的流量特征(如業(yè)務流帶寬、持續(xù)時間等)無關。ID表示的是可能受到的最大干擾時延,而實際上的干擾時延會在一定的范圍內抖動,其上界為ID。例如,當一個實時數據幀到達某個交換機時,若當前無低優(yōu)先級數據幀正在傳輸,則其實際干擾時延為0。

        對于一個實時業(yè)務流,其端到端的抖動等于該流的轉發(fā)路徑上每一跳所可能會引入的抖動之和,其上界則等于每一跳的最大干擾時延ID之和,如式(1)所示:

        (1)

        其中,e表示該實時業(yè)務流轉發(fā)路徑上的網絡鏈路。

        如圖 5所示,在無門控流調度策略中的B1節(jié)點,由于沒有使能門控,所以實時業(yè)務流可能受到其他BE流的干擾,此時,其可能在t0時刻就能發(fā)送,也有可能受到干擾,直到t1時刻才能發(fā)送,因此其占用的時隙就需要考慮干擾帶來的影響,即在t0~t4時間段內,不允許其他實時業(yè)務流調度(見約束1),從而避免了實時業(yè)務流之間的影響。此時,為該實時業(yè)務流傳輸所預留的時隙,等于其實際傳輸所耗費的時間TD1,加上其可能受到的干擾時延ID1,即TS1=TD1+ID1。類似地,當實時業(yè)務流到達B2節(jié)點后,抖動將會累積,占用的時隙會進一步增加為TS2=TD3+ID1+ID2。當到達目標節(jié)點時,報文會產生一定的抖動,也就是各節(jié)點累積的抖動之和,即ID1+ID2。

        無門控流調度策略只需要源節(jié)點處支持門控,而對于中間的網絡節(jié)點,甚至可以完全不支持IEEE 802.1Qbv門控機制,就可以達到避免實時業(yè)務流之間互相干擾的目的。

        4.3 部分門控流調度策略

        4.2節(jié)提出的無門控流調度策略,盡管其可以使得交換機完全無需支持門控功能,極大地簡化了網絡配置,但也帶來了2個問題:

        問題1業(yè)務流會產生一定的抖動,這對于一些0抖動要求的實時業(yè)務流并不適用。

        問題2放松約束2帶來的抖動會隨著跳數逐跳累積,對于某一業(yè)務流,其占用的時隙將隨著跳數增加,這對網絡資源造成了浪費,降低了可調度流的數量。

        為了解決上述問題,可以在網絡中的部分節(jié)點啟用門控,以消除累積的抖動。

        4.3.1 尾節(jié)點門控流調度策略

        為了滿足某些業(yè)務流0抖動的要求,可以在該業(yè)務流轉發(fā)路徑上的最后一跳部署門控,以消除網絡抖動。

        如圖 5中的尾節(jié)點門控流調度策略所示,其中B1節(jié)點均未使能門控,因此產生的干擾時延ID1會累積到占用的時隙中,報文到達B2節(jié)點時,占用的時隙為t2~t8。盡管報文到達B2節(jié)點的最早可能時間是t2時刻,但是并未在時隙開始時就將門打開,而是延遲一定的時間,以容忍最壞情況下報文的到達時刻,也就是在t3時刻開門,持續(xù)TD4時間后將門關閉。此時無論前面累積了多少抖動,都通過門控的方式清零,最終報文在確定的時刻到達目標節(jié)點,達到業(yè)務流的端到端0抖動網絡轉發(fā)。

        4.3.2 靈活門控流調度策略

        尾節(jié)點門控雖然消除了業(yè)務流的抖動,但沿途的抖動依然存在,在其路徑上的交換機仍然占用了較大的時隙,特別是越接近目標節(jié)點的中間節(jié)點,其占用時隙會越大,這浪費了網絡資源,降低了可調度的流數量。并且,當網絡中的某一個終端節(jié)點成為熱點時(例如網絡中存在應用周期差異較大的業(yè)務流并且這些業(yè)務流的目標節(jié)點相同),與該終端節(jié)點相連的交換機將會承受較大的流量壓力,此時尾節(jié)點門控流調度策略已無法有效地減少GCL表項數量。

        在實時業(yè)務流轉發(fā)路徑上的中間節(jié)點處部署門控,一方面可以消除前面累積的抖動,從而減小實時業(yè)務流的時隙占用;另一方面可以有效地將GCL分散到網絡中的各個節(jié)點中,以減輕某些熱點節(jié)點的壓力。

        需要注意的是,當使用靈活門控機制時,其生成的GCL表項的邏輯與傳統的完全門控機制是相反的。這是因為對于某一網絡節(jié)點,其可能僅對網絡中的部分實時業(yè)務流使能門控,而對其他實時業(yè)務流保持正常轉發(fā)。如圖6所示,對于某一網絡節(jié)點,其對實時業(yè)務流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個業(yè)務流的數據幀中PCP字段的值是相同的,所以這2個業(yè)務流的數據幀將會映射到同一實時隊列中。盡管該節(jié)點只對Flow2使能門控,但其仍然需要保持實時隊列的門控開關為打開狀態(tài),以保證業(yè)務流Flow1的正常傳輸。所以,該網絡節(jié)點的門控開關狀態(tài)如圖6所示,當實時業(yè)務流Flow2的預留時隙到達時,需要首先關閉門控開關,然后在Flow2的可能最晚到達時間才開啟門控,以保證無論Flow2在t0時刻還是t1時刻到達,都只能在t1時刻才能被轉發(fā),達到消除抖動的目的。

        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:消除累計抖動

        選擇實時業(yè)務流轉發(fā)路徑上的中間節(jié)點來使能門控,可以有效地消除累積抖動。如圖7所示,實時業(yè)務流在中間節(jié)點Bk使能門控,而在其他節(jié)點(如Bk-1和Bk+1)未使能門控。在Bk-1節(jié)點中,由于其未使能門控,并且該節(jié)點處已經累積了大量的干擾時隙,所以在該節(jié)點處,實時業(yè)務流的最早發(fā)送時刻為t0,最晚發(fā)送時刻為t3;在Bk節(jié)點中,由于使能了門控,其提前在t1時刻把門控開關關閉,并在t4時刻才把門控開關打開,允許實時業(yè)務流進行傳輸,所以在該節(jié)點處,實時業(yè)務流在之前累積的抖動將會被清零,并且以完全確定的時刻t4向B3發(fā)送報文。

        Figure 7 Delay analysis of gate control at the intermediate node

        4.4.2 示例分析2:減少門控數量

        使用靈活門控機制,可以針對網絡業(yè)務流的應用周期特點,選擇特定交換機來對指定實時業(yè)務流使能門控,從而減少門控數量。如圖8所示,網絡中有3個實時業(yè)務流,應用周期分別為1 ms, 2 ms和10 ms。若使用完全門控,由于宏周期為10ms,在每一個節(jié)點,對于上述3個實時業(yè)務流分別各需要10,5,1個時隙,共16個時隙32個GCL條目。若使用尾節(jié)點門控機制,盡管在B1節(jié)點和B2節(jié)點處無需部署門控,但在B3節(jié)點處也同樣需要32個GCL條目。若僅在B3節(jié)點處對流Flow1和Flow2進行門控,而在B2節(jié)點處對流Flow3進行門控,則此時在B3節(jié)點所需部署的GCL周期為2 ms,表項數量為(2+1)*2=6個,而B2節(jié)點的GCL周期為10 ms,表項數量為1*2=2個。盡管此時Flow3的端到端時延會略有抖動,但此時整個網絡所需的GCL表項數量為6+2=8個,相比傳統的完全門控機制96(32*3)和尾節(jié)點門控機制的32個GCL表項,分別減少了91.6%和75%,極大地緩解了網絡中交換機設備的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,靈活門控調度策略在減少GCL門控條目數量方面有較大的優(yōu)勢,特別是當網絡中的業(yè)務流應用周期差異較大時效果顯著。但是,該策略同時會導致業(yè)務流遭受一定的抖動,并且減少了網絡能夠調度的實時業(yè)務流數量。在實際應用中,需要根據業(yè)務流特征和網絡拓撲靈活選擇門控策略,后續(xù)將研究如何平衡網絡調度性和GCL條目數量之間的關系。

        4.5 門控數量分析

        考慮使用隨機的門控機制的流調度算法,即對于每條實時業(yè)務流在其轉發(fā)路徑上的每個交換機,假設使能門控機制概率為p。此時,對于一個轉發(fā)路徑跳數為n的業(yè)務流,對其使能門控機制的交換機個數的期望值為p*n。而使能門控機制需要開門和關門2個GCL表項,即對于該實時業(yè)務流,其在每個應用周期所需的全局門控開關數量的期望值為2*p*n。

        對于文獻[6]采用的策略,由于其使用的是傳統的完全門控流調度策略,可以認為其p值為1。而對于本文所提出的尾節(jié)點門控流調度策略,由于該策略僅在實時業(yè)務流轉發(fā)路徑上的末尾節(jié)點進行門控,則對于每一條流,其在每個應用周期所需的全局門控事件數量僅為2。

        5 實驗與仿真

        5.1 實驗設置

        實驗設置的網絡拓撲如圖9所示,由16臺交換機和16臺終端組成。其中,交換機B0~B3之間的網絡鏈路為10 GE,其余鏈路為1 GE。這是一種典型的工業(yè)網絡拓撲,其中B0~B3可認為是工業(yè)網絡中的核心轉發(fā)交換機,而剩下的12臺交換機各自組成了2個小環(huán)狀網絡。網絡鏈路傳播時延為1 μs。在實際部署中,交換機由于硬件能力的限制,在處理報文時會產生一定的抖動。交換機處理時延抖動設為0.85 μs,其中最小處理時延和最大處理時延分別為0.45 μs和1.3 μs。這種參數的選擇參照了典型工業(yè)TSN交換機的硬件能力。

        Figure 9 Experimental topology

        實驗所設置的參數如表1所示。在實驗1和實驗2中,網絡中隨機生成的實時業(yè)務流數量從100條增加到500條,步長為50,共9組實驗。在實驗3中的6組實驗中,業(yè)務流的數據大小分別為100,200,500,1 000,1 500和隨機,其中第6組實驗的流數據幀大小在100,200,500,1 000,1 500中隨機選取。在實驗2和實驗3中,實時業(yè)務流的應用周期分別從0.1 ms, 1 ms, 10 ms和0.1 ms, 0.5 ms, 1 ms中隨機選取。其中,隨機生成實時業(yè)務流的終端節(jié)點從D0~D15中隨機選取。為保證實驗結果的準確性和可靠性,所有實驗均進行20次并取平均值。

        Table 1 Experimental parameters setting

        本文所有實驗均經過仿真工具Omnet和TSN擴展框架Nesting驗證。在仿真驗證中,隨機添加了BE業(yè)務流對實時業(yè)務流進行干擾,仿真結果顯示實時業(yè)務流的時延符合預期,驗證了調度結果的正確性。

        在對比實驗中,本文主要選擇文獻[6]中的算法進行對比,該文獻中提出的No-wait約束調度算法是一種典型的TSN調度算法。以下實驗是在文獻[6]的基礎上應用靈活門控機制。需要注意的是,靈活門控機制并不只局限于No-wait約束算法,由于可以靈活選擇節(jié)點進行門控,因此靈活門控機制可以廣泛地應用在各種算法中,以降低其門控數量,提高其部署能力。

        5.2 實時業(yè)務流數量對門控數量影響分析

        實時業(yè)務流數量對門控數量影響的實驗結果如圖10所示,其中隨機門控中的p指的是對于某一條實時業(yè)務流,在某一條交換機上使能門控機制的概率為p。

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

        隨著網絡中實時業(yè)務流數量的增加,對于4種流調度策略,網絡中的全局門控事件數量都呈線性增加。其中文獻[6]中的策略由于采用的是全局門控機制來精確調度實時業(yè)務流,所以其門控數量在4種策略中上升較快。相比之下,本文所提出的靈活門控機制(隨機門控和尾節(jié)點門控)的門控事件數量顯著減少,其中,尾節(jié)點門控由于僅在實時業(yè)務流轉發(fā)路徑上最末端的交換機使能門控,所以無論實時業(yè)務流的轉發(fā)路徑有多長,其全局門控數量均為實時業(yè)務流數量的2倍,最終呈現在圖上時,其曲線幾乎是一條直線,而隨機門控機制由于其隨機性,其曲線呈現了一定的波動。

        由于本實驗的各組實驗都采用同一網絡拓撲,則隨機生成的實時業(yè)務流的轉發(fā)路徑的跳數期望值E(n)相等,同時其網絡周期也相等,根據4.5節(jié)的分析,對于隨機門控機制,網絡中的全局門控事件數量應與概率p成正比。

        如圖10所示,隨機門控流調度策略p=0.5的曲線約為文獻[6]流調度策略曲線的一半,而隨機門控流調度策略p=0.25的曲線又約為隨機門控流調度策略p=0.5曲線的一半,符合預期。另外,隨機門控流調度策略p=0.25的曲線與尾節(jié)點門控流調度策略的曲線重疊度較高,可以根據此計算出網絡中的實時業(yè)務流轉發(fā)路徑的跳數,即此時2*p*n=2,代入p=0.25,得到n=4跳,即此時網絡中實時業(yè)務流的平均跳數約為4跳,符合本實驗采用的網絡拓撲結構。

        本文所提出的靈活門控流調度策略允許對業(yè)務流靈活地進行門控,從而減少調度策略所需的GCL表項資源。在上述實驗中,采取最簡單的隨機分配門控策略,使用隨機因子0.25,可以將全局門控事件數量有效減少約75%。在實際的網絡部署中,需要綜合考慮設備能力和網絡業(yè)務流QoS約束,對門控進行更加精細的控制。

        5.3 業(yè)務流應用周期對門控數量影響分析

        本節(jié)實驗主要研究業(yè)務流應用周期對門控數量的影響,實驗結果如圖11所示。在該實驗中,本文所提出的靈活門控流調度策略針對實時業(yè)務流的應用周期特點,對網絡中的交換機分別使能門控。具體地,將所有交換機平均分為3組,分別對應應用周期為0.1 ms,1 ms和10 ms的實時業(yè)務流。每一組交換機僅對對應的實時業(yè)務流使能門控,這使得盡管網絡中的流的宏周期為10 ms,但網絡中各個交換機端口的GCL列表宏周期僅與使能門控的實時業(yè)務流相關。

        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[6]所采取的傳統的完全門控流調度策略導致了網絡中所有端口的GCL宏周期都為10 ms。此時,對于應用周期為0.1 ms的實時業(yè)務流,盡管其在每一個應用周期所需的GCL表項僅為2,但在宏周期中,其所需的GCL表項膨脹到了200個,這導致了全局門控事件急劇增加,遠遠超過了交換機的設備能力。而本文所使用的靈活門控流調度策略,通過將實時業(yè)務流根據應用周期分組在對應的端口進行門控,解決了門控事件膨脹的問題。在該實驗中,基于靈活門控機制設計的分組門控流調度,有效避免了因業(yè)務流周期不同導致的GCL表項膨脹問題。這種根據業(yè)務流周期特點進行分組的流調度設計,相比隨機門控流調度,節(jié)省了更多的GCL表項資源。

        5.4 最大調度流數量分析

        本節(jié)實驗主要研究本文所提出的靈活門控流調度策略對網絡可調度流的數量的影響。如前文所述,當交換機不對實時業(yè)務流使能門控時,其需要給其預留出可能受到干擾的時隙。當使能了幀搶占功能時,需要預留出的額外時隙為123 B、幀間隙以及前導碼的傳輸所需要的時間。

        在本節(jié)實驗設置中,實時業(yè)務流的應用周期從0.1 ms, 1 ms, 10 ms中隨機選取。其中,網絡增量式地生成實時業(yè)務流給調度器進行調度計算,當無法調度時停止運行,此時得到網絡的最大可調度流數量,實驗結果如圖 12所示。

        使用隨機門控流調度,將使能門控的概率p從1到0逐漸下降。當p=1時,隨機門控流調度策略等價于文獻[6]中的完全門控流調度策略;而當p=0時,網絡中所有交換機都不使能門控,即此時交換機保持所有隊列為開啟狀態(tài),等價于一個傳統的以太網交換機。在這種情況下,盡管網絡中無門控,但調度器在進行調度計算時,仍然需要將所預留的時隙考慮進去,以保證實時業(yè)務流之間的嚴格隔離。

        可以看到,隨著概率值的下降,網絡中的可調度流數量呈下降趨勢。其中,當業(yè)務流數據大小為100 B時,無門控情況下可調度流數量比完全門控情況下減少了約82.44%,對網絡的可調度性造成了嚴重的影響。另一方面,當業(yè)務流數據大小為1 500 B時,是否使能門控對可調度流的數量幾乎沒有影響。這是由于當不使能門控時,需要為業(yè)務流預留出至少123 B的額外傳輸時間,并且這個額外的時隙是逐跳累計的。即,對于未使能門控的每一跳,都需要為其預留出額外的干擾時隙。對于業(yè)務流數據量較小的場景,該額外預留時隙占比較大,所以不使能門控對網絡可調度流數量會造成較大影響,而當實時業(yè)務流的數據量較大時,該影響就微乎其微了。在實際的網絡部署中,管理員需要權衡網絡的實時業(yè)務流數量和設備能力,以選擇適合實際網絡需求的方案。

        6 結束語

        針對大規(guī)模時間敏感網絡中GCL表項資源緊張的問題,本文提出了一種新型的靈活門控機制,該機制在保證滿足實時業(yè)務流確定性網絡傳輸的前提下,允許在特定的節(jié)點不支持門控機制轉發(fā)或特定端口對部分實時業(yè)務流不使能門控,有效地減少了調度機制所需的GCL表項資源。

        基于該靈活門控機制,可以針對網絡中的流量周期特性,在各個交換機分別對不同的實時業(yè)務流使能門控,以減少設備GCL表項數量。從本文實驗結果可知,盡管不使能門控可以有效減少網絡交換機所需的GCL條目數量,但其增加了業(yè)務流的抖動,同時也減少了網絡可調度業(yè)務流的數量。

        在實際應用中,網絡管理員必須根據實際場景的業(yè)務流流量特征、網絡設備能力等信息綜合考慮門控部署方案。TSN中的流量調度問題本就是一個NP難問題,本文所提出的靈活門控機制又引入了一個新的維度空間(即網絡業(yè)務流的門控策略選擇)。這種靈活門控機制在減少調度策略所需GCL表項資源的同時,也帶來了新的調度計算問題。未來將進一步研究針對業(yè)務流特征和網絡特點的門控調度優(yōu)化算法。

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