一种面向时间敏感网络的端口带宽优化方法和装置

本发明涉及通信领域和实时系统领域，具体涉及到一种面向时间敏感网络的端口带宽优化方法和装置。

背景技术：

1、当前，现代分布嵌入式实时系统的发展为其参数配置问题带来了新的挑战。在先进驾驶辅助系统、雾计算、智能制造等新场景下，不仅需要确保时间关键流量传输的实时性，同样需要提供大带宽以传输海量的非时间关键性流量。时间敏感网络(time-sensitivenetworking，tsn)是一项正在发展中的以太网协议，其在传统以太网的基础上进行了改造以支持确定性的流量传输。tsn协议中定义了多种保障流量传输实时性的调度机制，如何高效地对tsn网络的带宽配额参数进行配置，在保证关键流量传输实时性的前提下提升带宽利用率，是一个开放性问题。

2、针对tsn网络的端口带宽的配额分配问题，现有算法在对于可行解的搜索和验证阶段，会产生巨大的时间开销，且通常会造成较大的带宽浪费。

技术实现思路

1、本发明主要解决如何高效地对tsn网络的配额参数进行配置，在保证关键流量传输实时性的前提下提升带宽利用率，本发明公开了一种面向时间敏感网络的端口带宽优化方法和装置。

2、本技术实施例第一方面，公开了一种面向时间敏感网络的端口带宽优化方法，基于时间敏感网络tsn来实现，所述tsn包括端节点和交换节点，每个节点包括若干个输入端口和输出端口；数据流量由输入端节点，经过交换节点发送至输出端节点；端口包括若干个队列；数据流量包括若干个帧；数据流量分为时间关键流量和非时间关键流量；所述方法包括：

3、s1，获取流量信息集合、输出端口链路速率和网络所有传播路径中的跳数最大值；所述流量信息集合，包括时间关键流量类别数nc和每个时间关键流量信息、流量类别总数n(即时间关键和非时间关键流量类别数之和)；所述时间关键流量信息，包括时间关键流量的最大帧长、端到端截止期限、传播路径、最小帧间隔和类信息；

4、s2，对所述流量信息集合进行预处理，得到预处理信息集合；

5、s3，对所述预处理信息集合和流量信息集合进行第一计算处理，得到局部截止期限集合；所述局部截止期限集合，包括每一类时间关键流量对所有输出端口的局部截止期限；

6、s4，对所述流量信息集合、输出端口链路速率、预处理信息集合和局部截止期限集合进行第二计算处理，得到所有输出端口的最优带宽配额分配值，完成对所述时间敏感网络的端口带宽优化。

7、所述对所述流量信息集合进行预处理，得到预处理信息集合，包括：

8、对每个时间关键流量，计算得到其对应的输入端节点的突发度和到达速率；时间关键流量f的输入端节点的突发度的计算表达式为：

9、

10、其中，lf为时间关键流量f的最大帧长；

11、时间关键流量f的输入端节点的到达速率的计算表达式为：

12、

13、其中，tf为时间关键流量f的最小帧间隔；

14、确定所有时间关键流量对应的输入端节点的突发度和到达速率，为预处理信息集合。

15、所述对所述预处理信息集合和流量信息集合进行第一计算处理，得到每一类时间关键流量对各输出端口的局部截止期限集合，包括：

16、s31，确定第i类时间关键流量的数据流量对应的输入端节点，为所述第i类的时间关键流量的数据流量对应的参考节点，确定所述参考节点对应的第i类时间关键流量的局部截止期限，为第i类时间关键流量的参考局部截止期限

17、s32，基于所述预处理信息集合和流量信息集合，构建得到第一局部截止期限计算模型；

18、所述第一局部截止期限计算模型的表达式为：

19、

20、其中，为第i类时间关键流量在输出端口h的局部截止期限；表示在输出端口h处排队输出的第i类时间关键流量的集合；h为按照数据流量从输入端节点到输出端节点经过的输出端口的编号，h＝0时，表示参考节点的输出端口；表示在参考节点的输出端口处排队输出的第i类时间关键流量的集合；表示数据流f的传播路径上在输出端口h之前的全部输出端口的集合；h′表示数据流f的传播路径上在输出端口h之前的输出端口的序号；表示输出端口h′的第i类时间关键流量的局部截止期限；

21、s33，对所述第一局部截止期限计算模型进行转换处理，得到第二局部截止期限计算模型；

22、所述第二局部截止期限计算模型的表达式为：

23、

24、其中，为第i类时间关键流量在输出端口h的第二局部截止期限计算模型的第n项系数，m为网络所有传播路径中的跳数最大值；

25、s34，基于流量信息集合，构建得到第一约束不等式集合；

26、所述第一约束不等式集合的表达式为：

27、

28、其中，rf表示数据流f的传播路径上的所有输出端口的集合，表示第1个时间关键流量的传播路径上的所有输出端口的集合，依次类推，表示第b个时间关键流量的传播路径上的所有输出端口的集合；表示第i个时间关键流量的端到端截止期限；n为tsn网络中的时间关键流量的数目；

29、s35，对所述第一局部截止期限计算模型、第二局部截止期限计算模型和第一约束不等式集合进行联合求解处理，得到每一类时间关键流量对各输出端口的局部截止期限集合。

30、所述对所述第一局部截止期限计算模型、第二局部截止期限计算模型和第一约束不等式集合进行联合求解处理，得到局部截止期限集合，包括：

31、s351，对第i类时间关键流量，求解出h＝0条件下，满足第一约束不等式集合的的最大值，确定所述最大值，为所述第二局部截止期限计算模型中的实际数值；

32、s352，对输出端口h，利用所述第二局部截止期限计算模型，对所述实际数值进行计算处理，得到输出端口h对第i类时间关键流量的局部截止期限；

33、s353，对所有类时间关键流量的每个输出端口，执行s351和s352，得到每一类时间关键流量对所有输出端口的局部截止期限；

34、s354，利用每一类时间关键流量对所有输出端口的局部截止期限，构建得到局部截止期限集合。

35、所述对所述流量信息集合、输出端口链路速率、预处理信息集合和局部截止期限集合进行第二计算处理，得到所有输出端口的最优带宽配额分配值，包括：

36、s41，对所述预处理信息集合进行计算处理，得到每个输出端口的聚合到达数据量；

37、所述聚合到达数据量的计算表达式为：

38、

39、其中，t表示时间间隔，表示一个第i类时间关键流量的输入端节点的输出端口的在时间间隔t内的最大到达数据量，表示一个第i类时间关键流量的输入端节点的到达速率，表示一个第i类时间关键流量的输入端节点突发度，h-表示端口h的前序端口的序号，表示一个第i类时间关键流量的输出端口h的在时间间隔t内的最大到达数据量，表示第i类时间关键流量的输出端口h处的在时间间隔t内的聚合到达数据量，表示tsn网络中所有输出端口的集合，表示从输出端口h-离开并在输出端口h处排队输出的第i类时间关键流量的集合，表示输出端口h-的在时间间隔t内的链路整形函数，c表示输出端口的链路速率，表示从输出端口h-到输出端口h的传输路径上的第i类时间关键流量的帧长最大值；

40、s42，基于所述聚合到达数据量、流量信息集合、输出端口链路速率和局部截止期限集合，构建得到端口总带宽配额值优化模型；

41、所述端口总带宽配额值优化模型的表达式为：

42、

43、其中，μh,max(qh)表示在输出端口h的总带宽配额值为qh的情况下提供给非时间关键流的最大带宽比例，μh,max(qh)为关于qh的函数；k为遍历标号；表示在输出端口h排队的第i类流量的最大帧长；表示在输出端口h的总带宽配额值为qh的情况下，使得第i类时间关键流量中的所有数据流量在输出端口h完成输出时，不超过其对应的局部截止期限的最小带宽占比；所述带宽占比，是指第i类时间关键流量分配得到的带宽配额与总带宽配额值的比例；表示类别i和输出端口h的第一计算系数，表示类别i和输出端口h的第二计算系数，表示类别i和输出端口h的第三计算系数，c表示输出端口的链路速率，表示所述聚合到达数据量对于变量t的函数曲线的横坐标值最大的间断点的坐标，lh表示输出端口h上传输的所有类别的数据流量的对应的最大帧长的总和，即表示集合中的第k大的元素，表示所述集合中第i个元素；lh是通过得到输出端口h上传输的所有类别的数据流量的对应的最大帧长后，再对所有类别的最大帧长求总和得到。

44、s43，对所述端口总带宽配额值优化模型进行求解处理，得到每个输出端口的最优总带宽配额值；

45、s44，对每个输出端口的最优总带宽配额值分别进行约束计算处理，得到所有输出端口的各个流量类别的最优带宽配额分配值。

46、所述对所述端口总带宽配额值优化模型进行求解处理，得到每个输出端口的最优总带宽配额值，包括：

47、s431，在所述端口总带宽配额值优化模型的μh,max(qh)函数的每个分段子区间内，分别搜索得到每个分段子区间对应的最大带宽比例取值的极大值；搜索得到所有分段子区间对应的极大值中的最大值；根据μh,max(qh)函数，确定出所述最大值对应的qh；确定所述最大值对应的qh，为输出端口h的最优总带宽配额值qh,opt；

48、s432，对每个输出端口，执行s431，得到每个输出端口的最优总带宽配额值。

49、所述对每个输出端口的最优总带宽配额值分别进行约束计算处理，得到所有输出端口的各个流量类别的最优带宽配额分配值，包括：

50、s441，对每个输出端口的最优总带宽配额值，分别计算得到每一类时间关键流量的带宽配额比例最小值；

51、s442，所述带宽配额比例最小值的计算表达式为：

52、

53、其中，为总带宽配额值为qh的情况下，输出端口h的第i类时间关键流量的带宽配额比例最小值，为带宽配额比例最小值计算函数；

54、s443，对每个输出端口的各个流量类的带宽配额比例最小值进行最优带宽配额分配值计算处理，得到所有输出端口的各个流量类别的最优带宽配额分配值；

55、所述最优带宽配额分配值计算处理的表达式为：

56、

57、其中，为输出端口h的第i类时间关键流量的最优带宽配额分配值。

58、本技术实施例第二方面，公开了一种面向时间敏感网络的端口带宽优化装置，所述装置包括：

59、存储有可执行程序代码的存储器；

60、与所述存储器耦合的处理器；

61、所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行所述的面向时间敏感网络的端口带宽优化方法。

62、本技术实施例第三方面，公开了一种计算机可存储介质，所述计算机可存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被计算机调用时，用于执行所述的面向时间敏感网络的端口带宽优化方法。

63、本技术实施例第四方面，公开了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现如所述的面向时间敏感网络的端口带宽优化方法。

64、本发明的有益效果为：

65、为了解决端口带宽的配额分配的传统方法运行时间长、带宽利用率低的问题，本发明提出了一种面向tsn网络的调度器带宽优化配置方法，在保障时间关键流量传输实时性的前提下实现了节点级别的带宽利用率最大化，具有高效性和良好的可扩展性，能够被应用于运行时间或算力受限的工程场景。

66、本发明提出了一种面向tsn网络的调度器带宽优化配置方法，并开发了一种高效的基于局部解析解的数值逼近算法用于求解最优的带宽配额分配方案。相比传统的基于验证的网络配置方法，本发明在保障关键流量传输的实时性的前提下，具有更高的带宽利用率；本发明利用局部最优解的解析表达式极大地缩减了搜索空间，具有极低的运行时间复杂度。

67、本发明通过建立带宽优化配置模型，并采用“基于局部解析解”的数值逼近方法对模型进行求解，该方法是在局部解析解基础之上进行搜索，以缩小搜索空间，区别于传统的盲目搜索，具有带宽利用率高、求解快的优点。