一种总线网络多优先级流量准入控制与动态规划方法与流程

本发明属于有线通信网络资源动态调度与规划，尤其涉及一种总线网络多优先级流量准入控制与动态规划方法。

背景技术：

1、电子系统总线网络与以太网的合并，特别是通过时间敏感网络(tsn)技术合并，是工业自动化发展的一个重要方向，能够带来数据集成、网络简化和互操作性增强等多方面的优势。tsn是一组ieee标准，旨在为以太网提供确定性和实时性，从而使得周期性和非周期性数据能够在同一个网络中传输，同时保持高带宽和低延迟的特性。在tsn网络中，tt(time-triggered)流的重新配置方案是确保网络实时性和确定性的关键。在现有技术中，在重新配置tt流时，往往未考虑低优先级流量的通信性能，忽略了对速率受限的低优先级流量(rc流量)的端到端延迟的影响，导致可能引发一些相对关键的rc流量的服务质量下降甚至通信中断。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种总线网络多优先级流量准入控制与动态规划方法，解决待准入tt流影响rc流量迟导致的rc流端到端超时的问题。

2、本发明方法具体包括如下步骤：

3、基于待准入的多个tt流，求解满足各rc流端到端最坏情况时延均不超过相应的端到端时延期限的所述多个tt流的第一调度方案，若求解成功，则执行所述第一调度方案；否则，

4、求解端到端最坏情况时延超过相应的端到端时延期限的rc流数量尽可能少的所述多个tt流的第二调度方案，若求解失败，则所述多个tt流准入不通过；否则，

5、基于第二调度方案求解满足所有rc流端到端最坏情况时延均不超过相应的端到端时延期限的部分rc流压缩方案，若求解成功，则执行所述第二调度方案和压缩方案，否则，

6、执行所述第二调度方案，并对最坏情况时延超过相应的端到端时延期限的rc流实施传统rc流量重构方法。

7、进一步的，当收到tt流的退网通知时，若网络中存在压缩状态下的rc流，基于网络中存在的压缩状态的rc流量集合和退网流量途经路由，求解rc流的解压缩方案并执行该解压缩方案。

8、进一步的，使用粒子群算法基于第二调度方案求解所述部分rc流压缩方案，包括：

9、基于端到端最坏情况时延超过相应的端到端时延期限的rc流以及与其路由共用相同有向链路的rc流确定待求解rc流集合；

10、对待求解rc流集合各条rc流相应的压缩方案进行编号；

11、以各所述相应的压缩方案的组合作为粒子，以每个粒子中各相应的压缩方案对应编号的组合描述粒子位置，基于所述待求解rc流集合各条rc流相应的压缩方案随机初始化粒子群；

12、基于所有受影响的rc流的端到端时延和最大带宽约束构建适应度函数；

13、基于适应度函数对粒子群求最优解，得到部分rc流压缩方案。

14、进一步的，所述适应度函数表示为：

15、f(x)＝q(x)+γe(x)；

16、其中，q(x)为目标函数，q(x)＝max{dave-min{δ}}；dave表示所有rc流的平均延迟时间率；min{δ}表示所有受影响rc流由于压缩引发的延迟能够满足端到端时延不超过相应的端到端时延期限的最小值，δ满足其中frc'表示待求解rc流集合，fh表示集合中第h条rc流，表示第h条rc流到达目的端的偏移量，表示第k条rc流的数据流路由vlh的初始偏移量，dlh表示第h条rc流的端到端时延期限；

17、γ为惩罚权重；

18、e(x)为惩罚函数，

19、

20、其中，表示影响的rc流的数量；vlj表示第j条所述待准入tt流或网络中rc流的路由；eαβ表示连接网络节点vα、vβ的有向边；表示该rc流任意帧从网络节点vα传输到网络节点vβ的最坏时间间隔；dli表示第i条rc流的端到端时延期限；e表示网络拓扑节点之间的有向通信链路集合；e表示网络拓扑节点之间的有向通信链路；lj表示第j条待准入tt流或网络中rc流的数据流帧长度；pj表示第j条待准入tt流或网络中rc流的数据流周期；cj表示有向链路的最大带宽服务速率；表示期望待准入tt流和网络中rc流满足最大带宽约束。

21、进一步的，所述基于网络中存在的压缩状态的rc流量集合和退网流量途经路由，求解rc流的解压缩方案包括：

22、基于退网流量途经路由确定退网流量涉及的rc流；

23、使用粒子群算法对退网流量涉及的rc流的集合和网络中存在压缩状态的rc流量集合的交集求解rc流的解压缩方案。

24、进一步的，所述基于待准入的多个tt流，求解满足各rc流端到端最坏情况时延均不超过相应的端到端时延期限的所述多个tt流的第一调度方案包括：

25、基于待准入的多个tt流，逐条获取多个可选路由方案；

26、基于所述可选路由方案求解满足各rc流端到端最坏情况时延均不超过相应的端到端时延期限的第一路由方案，若求解成功，则基于第一路由方案求解所述多个tt流的第一调度方案；否则，求解第一调度方案失败。

27、进一步的，所述基于所述可选路由方案中求解满足各rc流端到端最坏情况时延均不超过相应的端到端时延期限的第一路由方案包括：

28、以优化每条受所述tt流影响的rc流的延迟时间率为目标，基于所述可选路由方案迭代求解优选路由方案；

29、在每一轮迭代中，基于该轮迭代求得的优选路由方案判断各rc流端到端最坏情况时延是否均不超过相应的端到端时延期限：

30、若是，则该轮迭代求得的优选路由方案为第一路由方案；

31、若否，则继续下一轮迭代，直到到达最大迭代次数。

32、进一步的，使用粒子群算法以优化每条受所述tt流影响的rc流的延迟时间率为目标，使用粒子群算法基于所述可选路由方案迭代求解优选路由方案，包括：

33、对所述可选路由方案进行编号；

34、以各待准入tt流的路由方案的组合作为粒子，以每个粒子中各待准入tt流的路由方案对应编号的组合描述粒子位置，基于所述多个可选路由方案随机初始化粒子群；

35、基于受影响的rc流的延迟时间率和最大带宽约束构建适应度函数；

36、在每一轮迭代中，基于适应度函数对粒子群求最优解，得到该轮迭代的优选路由方案。

37、进一步的，所述基于受影响的rc流的延迟时间率和最大带宽约束构建适应度函数包括：

38、基于受影响的rc流的延迟时间率构建目标函数；

39、基于最大带宽约束构建惩罚函数；

40、基于目标函数、惩罚函数和惩罚函数的权重系数构建适应度函数。

41、进一步的，所述求解端到端最坏情况时延超过相应的端到端时延期限的rc流数量尽可能少的待准入tt流的第二调度方案包括：

42、基于所述各优选路由方案迭代求解第二路由方案，在每一轮迭代中：

43、选取所述优选路由方案中端到端时延超过相应的最坏延迟的rc流数量最少的优选路由方案；

44、基于该优选路由方案和调度约束求解第二调度方案：

45、若成功，则该优选路由方案为第二路由方案，结束迭代；

46、若失败，则继续下一轮迭代，直到遍历所有优选路由方案。

47、本发明至少可以实现下述之一的有益效果：

48、通过考虑待准入的tt流对网络中rc流的端到端时延的影响确定tt流的调度方案，将tsn网络中tt流对rc流的影响降至最小，解决新准入的tt流影响rc流量端到端延迟导致的rc流端到端超时的问题。

49、通过求解满足所有rc流端到端最坏情况时延均不超过相应的端到端时延期限的第一路由方案，从源头上避免rc流的丢包与通信中断；并且在求解第一路由方案失败的情况下，降低准入要求，增加新tt流的准入概率，通过确定能满足大多数rc流端到端最坏情况时延均不超过相应的端到端时延期限的第二调度方案，并在第二调度方案的基础上，通过对部分rc流进行带宽压缩实现对rc流进行弹性重构，用降低部分rc流的服务质量换取全部rc流的通信连贯性，保证网络的鲁棒性和确定性，尽可能避免了rc流二次重构(即重新分配)的情况。

50、通过在收到tt流退网通知的情况下对rc流进行解压缩，充分利用网络带宽资源，进一步降低了对rc流传输质量的影响。

51、通过基于rc流的延迟时间和最大带宽约束构建适应度函数，使用粒子群算法分别求解第一、第二路由方案、部分rc流压缩方案和解压缩方案，保证本发明方法的各个环节求得相应方案的最优解。

52、本实施例，通过考虑待准入的tt流对网络中rc流的端到端时延的影响确定tt流的调度方案，将tsn网络中tt流对rc流的影响降至最小，能够在求解第一调度方案失败的情况下，降低准入要求，增加新tt流的准入概率，并通过对部分rc流进行带宽压缩实现对rc流进行弹性重构，用降低部分rc流的服务质量换取全部rc流的通信连贯性，避免rc流的丢包与通信中断，从而保证网络的鲁棒性和确定性。

53、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。