基于时间敏感网络的路由调度优化方法及系统与流程

本公开涉及网络传输，具体涉及基于时间敏感网络的路由调度优化方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、在工业、智能交通和智能医疗等领域，有许多任务需要以时间保证的方式传输、处理和响应，如实时监控和控制应用的周期性流。这些时间敏感任务的传输延迟必须限制在一个预先确定的范围内，否则可能会导致重要信息丢失或者生产设备损坏等严重后果。

3、为了改善网络传输中的实时响应，人们对以太网进行了专门扩展。ieee时间敏感网络(tsn)任务组致力于对确定性实时网络进行标准化增强，例如，ieee802.1qbv标准规定了对时间敏感流的实时响应的增强。该标准引入了一种新的流量整形器，称为时间感知整形器(tas)，以确保时间敏感流的帧能够与ieee 1588和ieee 802.1的精确时钟同步机制一起传输。为了实现精确的同步传输，在交换机或路由器的传输端口中引入了ieee 802.1qbv标准的时控门。这些时控门需要在与时钟精确同步的预定时间打开或关闭。

4、在设计ieee 802.1qbv调度算法时，实现细粒度调度以确保流量及时传输是至关重要的。同时，调度算法的计算时间也非常重要，特别是在工业4.0概念下需要动态配置、网络设置可能频繁变化的场景下。因此，调度算法必须能够快速且准确地适应网络变化。考虑到每个流的调度以及路径的调度感知路由方案可以有效减少调度的计算时间，并提高网络的可调度性。这些调度感知路由机制还可以最大限度地减少调度算法无法找到任何可接受的定时调度的情况。

5、尽管ieee 802.1qbv标准定义了基本的调度机制，但当前tsn中的时间敏感流的路由方法还没有统一的标准，一般仍然采用传统以太网中的最短路径方法。然而，传统的最短路径方法会导致单条路径上传输的流量过多，整个网络能容纳的时间敏感流的数量受限。由于当前工业网络中的传感器越来越多，网络中的时间敏感流也相应增加，传统方法已无法满足需求。因此，研究人员提出了通过负载平衡的路由方法，使得网络中负载更均衡，从而容纳更多的流量。然而，现有方法忽略了经过同一链路的多个流可能具有不同的优先级。如果新添加的流在路由选择时忽略了经过同一链路的不同流之间的优先级差异，则会导致算法选择该链路进行路由。虽然这可能会提高链路利用率，但由于新增加的流在该链路上的优先级较低，因此需要更多时间完成传输。如果将这些路径提供给调度程序，调度程序可能无法成功地将新流添加到调度程序中并为其生成相应的gcl。或者，即使gcl可以成功生成并传输到流经过的所有交换机，允许终端设备开始传输新的流，流实际传输的端到端延迟也会超过流的截止日期。

技术实现思路

1、本公开为了解决上述问题，提出了基于时间敏感网络的路由调度优化方法及系统，通过构建tsn网络模型，对tsn中流端到端的最坏时延、链路负载率进使得时间敏感网络的路由技术可以在保证每个流的可调度性的同时兼顾负载均衡，实现路由的多目标优化。

2、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

3、基于时间敏感网络的路由调度优化方法，包括：

4、获取路由网络拓扑和时间触发流，构建网络拓扑和时间触发流的tsn网络模型；

5、对交换节点的流根据基于dm的优先级分配算法进行优先级排序；

6、针对排序后的流队列，对流计算流从源节点到目的节点的最坏时延，根据计算出的最坏时延，选取多个路由路径生成流的有效路由集；

7、针对有效路由集，计算所述有效路由集中所有路由路径的链路负载，选取链路负载最小的路由路径作为最佳路由；

8、更新流经过路由路径的所有链路负载值，进行下一个流的最佳路由选择，直至遍历完所有的时间触发流。

9、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

10、基于时间敏感网络的路由调度优化系统，包括：

11、模型构建模块，用于获取路由网络拓扑和时间触发流，构建网络拓扑和时间触发流的tsn网络模型；

12、排序模块，用于对交换节点的流根据基于dm的优先级分配算法进行优先级排序；

13、路由优化模块，用于针对排序后的流队列，对流计算流从源节点到目的节点的最坏时延，根据计算出的最坏时延，选取多个路由路径生成流的有效路由集；

14、针对有效路由集，计算所述有效路由集中所有路由路径的链路负载，选取链路负载最小的路由路径作为最佳路由；

15、更新流经过路由路径的所有链路负载值，进行下一个流的最佳路由选择，直至遍历完所有的时间触发流。

16、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

17、一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法。

18、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

19、一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法。

20、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

21、本公开的基于时间敏感网络的路由调度优化方法，通过构建tsn路由网络模型，首先对流进行排序，再根据端到端的最大时延确定每个流的初步路由方案，然后再根据链路利用率进行优化，使得每个流的路由既能够在截止日期到达之前传输流，又能够使得整个链路的链路负载率达到最小，使得时间敏感网络的路由技术可以在保证每个流的可调度性的同时兼顾负载均衡，实现路由的多目标优化。

22、本公开的基于时间敏感网络的路由调度优化方法，与使用单纯使用利用率、传递链路数或者单纯使用端到端时延作为链路开销的路由算法相比。使用本方法计算延迟时间，可以更准确、直观地估计该路由上的流，判断是否可以在限定时间内完成传输，并且可以很好的平衡链路利用率，从而为可调度性提供更好的保证。

技术特征：

1.基于时间敏感网络的路由调度优化方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法，其特征在于，构建网络拓扑和时间触发流的tsn网络模型，包括：将tsn网络模型构建为有向图g＝{v,e}，其中v表示网络模型的顶点，e表示相互连接的有向边，网络模型的顶点由交换节点、发送节点和接收节点组成。

3.如权利要求1所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法，其特征在于，当tsn网络模型中为周期性流量，周期性流量在超周期内进行中传输，而在超周期内，每个流都被单独处理。

4.如权利要求1所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法，其特征在于，为时间敏感流进行排序，基于dm的优先级分配算法根据任务集中各任务的相对截止日期来静态分配优先级，则生成一个时间敏感流集，时间敏感流集中的流按照截止日期的从小到大进行排序。

5.如权利要求1所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法，其特征在于，选优先级最高的第一条流，计算流从源节点到目的节点的所有路由的最坏端到端时延，选出时延小于截止日期的路由路径作为流的有效路由集，由于是第一个流，所有的路由路径都没有流的传输，所以每条链路上的负载值都为0，则直接选取最坏端到端时延最小的路径作为第一条流的路由，随之更新该路径上的负载值。

6.如权利要求5所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法，其特征在于，如果选取的不是优先级最高的第一条流，则需要对流的参数进行定义，并计算有效流集中所有路由路径的链路负载值，选择所有路径中cost最小的路径，作为选中的时间触发流的路径。

7.如权利要求6所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法，其特征在于，对流的参数进行定义，包括：对路由、有效路由、路由长度、边的负载以及路由的最大负载进行定义。

8.基于时间敏感网络的路由调度优化系统，其特征在于，包括：

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-7任一项所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1-7任一项所述的基于时间敏感网络的路由调度优化方法。

技术总结本公开提供了基于时间敏感网络的路由调度优化方法及系统，涉及网络传输技术领域，包括：获取路由网络拓扑和时间触发流，构建网络拓扑和时间触发流的TSN网络模型；对交换节点的流根据基于DM的优先级分配算法进行优先级排序；针对排序后的流队列，对流计算流从源节点到目的节点的最坏时延，根据计算出的最坏时延，选取多个路由路径生成流的有效路由集；针对有效路由集，计算所述有效路由集中所有路由路径的链路负载，选取链路负载最小的路由路径作为最佳路由；更新流经过路由路径的所有链路负载值，进行下一个流的最佳路由选择，直至遍历完所有的时间触发流。技术研发人员：史慧玲,张义伟,王小龙,张玮,谭立状,丁伟,郝昊,刘朔晗受保护的技术使用者：山东省计算中心（国家超级计算济南中心）技术研发日：技术公布日：2024/7/29