有线通信网络中用于帧传输的整形方法、装置及对应的计算机程序与流程

本公开涉及有线通信网络中的帧传输的领域。本公开更具体地涉及有线通信网络中帧传输的优化，以从节能的角度优化传输系统的空闲时段。本技术要求于2024年3月29日提交的欧洲专利申请no. ep24305491.3的优先权，该欧洲专利申请的内容通过引用并入本文。

背景技术：

1、虽然产品的可持续性和生态设计在许多情形下成为选择标准，但由于操作约束和环境保护约束之间的不兼容性，许多领域仍然无法实现。例如，有线传输技术就是这种情况。

2、事实上，时间敏感网络（tsn）是确保在标准以太网上进行确定性消息传送的ieee802.1定义的标准技术。该标准广泛用于制造或汽车应用之类的时间关键型信息传输。tsn帧及时交付的关键在于802.1qbv，其以循环tdma方式调度特定tsn以太网帧的传输。所有网络节点的这种同步实现了关键通信的快速和低抖动递送。ieee 802.1的tsn标准涵盖三个主要组成部分：使用ieee 1588精确时间协议的时间同步、针对不同流量类别的调度和流量整形、以及选择具有容错机制的通信路径。在调度组件内，用户可以从各种访问控制和调度机制中进行选择，以基于优先级处理以太网帧，包括ieee 802.1q严格优先级调度器之类的现有方法或tsn ieee 802.1qbv时间感知流量调度器之类的新方法。

3、ieee 802.1qbv时间感知调度器被设计为将以太网上的通信组织成固定长度的重复时间周期。这些时间周期可以被划分为分配给不同流量类别和/或帧传输队列的可配置时隙。这种机制允许将以太网介质专用于具有严格实时要求的流量类别，确保时间关键数据的不间断传输，而没有缓冲延迟。（时间周期的）时隙充当虚拟通信信道，将关键通信与非关键通信分开。例如，在工业应用中，特定时隙可以专用于关键的工业现场总线帧，而其它时隙则处理非时间敏感的流量。

4、另一方面，节能以太网（eee）是一种ieee标准（802.3az-2010）方法，旨在降低以太网装置在低链路利用时段期间的能耗。这种方法被称为低功耗空闲（lpi），涉及在“活动”和“lpi”状态之间转换，以通过关闭未使用的电路并维持同步以快速重新激活来节省能源。在“lpi”状态下，与活动状态相比，功耗显著下降，展示了eee在具有众多节点的网络中的优势。例如，利用eee的1gbps网络接口卡（nic）在空闲状态下可以仅消耗在活动状态下的使用的功率的40%，这突显了该技术的效率增益。

5、然而，迄今为止，启用eee在帧传输中引入了一些延迟，这些延迟与802.1qbv调度的tsn数据流的严格要求完全不兼容。例如，在为每个流量队列固定短时间周期和短时隙时，在时隙的起点开始帧发射以使得所有待处理的帧都可以在当前时隙内有效发送是至关重要的。否则，如果一些待处理的帧无法进行传输，则这些帧将遭受等于一个时间周期的延迟，这是接收对等应用程序无法接受的。使用eee会由于传输组件的唤醒时段而增加传输延迟，这可能导致无法在下一个专用时隙中传输所有待处理的帧。

6、图1示出了eee引入的延迟。时间周期（周期k、周期k+1）被划分为两个（固定）时隙。第一时隙专用于具有关键要求的流量类别（a1）。第二时隙专用于具有非关键要求的流量类别（a2）。l4时段指示lpi模式，l3时段从活动转换到lpi，或从lpi转换到活动。例如，值得注意的是，在启用eee的情况下，l3时段和l4时段导致无法及时传输第二个a1帧（即，在专用于a1帧的时隙结束之前）。

7、使用具有多个流量类别的802.1qbv调度也会导致待处理的帧的突发发射碎片化。事实上，由于时间周期被划分为专用于每个流量类别的不同时隙（如图1所示），每个时隙可能无法完全满足，并且发送器无法像传统以太网mac那样传输帧突发。因此，所传输的流量是间隔短空闲时段的缩短的帧突发的集合。该类流量并不适配节能以太网（eee），因为节能以太网要求最小空闲时段，以有效实现节能。

8、此外，由于不同优先级的帧在单独的未填充时隙中发送，因此在时隙之间插入了一些空闲时段。大多数时候，这些空闲时段太短而无法启用lpi模式，从能量角度来看，这会导致效率低下。

9、因此，需要一种整形方法，该方法能够：

10、-处理eee引入的时延，以使得关键的待处理的帧可以在预期的时间周期内完全传输，从而保护接收器对等端免受意外（和不可接受）的延迟。

11、-在处理专用时隙的同时，使给定ieee802.1qbv时间周期内的数据流量最优化，以使得空闲时段持续时间最大化。

技术实现思路

1、因此，本公开涉及一种用于在通信网络内传输数据帧的整形方法的方法，该整形方法由包括至少一个处理器和存储器的电子装置实现。

2、根据本公开，所述方法包括以下步骤：

3、-针对传输队列的集合中的至少一个当前队列确定针对所述至少一个当前队列要传输的帧，

4、-根据针对所述至少一个当前队列要传输的帧的数量，计算要传输的帧的传输结束与用于传输所述至少一个当前队列的帧的下一个时隙的起点之间的至少一个延迟，

5、并且包括：

6、-当所述至少一个延迟大于预定时间量时，根据所述至少一个延迟将网络控制器设置为空闲模式。

7、因此，所提出的方法既符合与特定传输类别相关联的实时帧传输要求，也符合以可持续的方式在装置中节能的要求。

8、根据特定特征，在将网络控制器设置为空闲模式之前，所述方法包括传输被设置为针对所述至少一个当前队列要传输的帧。

9、根据特定特征，所述传输队列的集合中的至少一些队列被标记为关键周期型或者延迟容忍型，并且其中，延迟的计算是根据与所述传输队列的集合中的队列相关联的标签的。

10、因此，这能够将队列分组为两个传输队列的集合，在一些情形下，通过允许实现不同的传输过程，可以单独管理这两个传输队列的集合。

11、根据特定特征，计算根据传输周期期间用于帧传输的重复时间切片来实现，所述重复时间切片限定时隙，每个时隙被分配给队列的集合中的至少一个当前队列。

12、因此，在一些情形下，可以进入空闲模式超过一个时间周期，这增加了节能效果。

13、根据一个特征，存在于队列的集合中的至少一个当前队列中的每个帧都受到生存时间值的影响，每个帧的所述生存时间值取决于与该帧被插入其中的所述至少一个当前队列的传输类别相关联的标签和/或取决于用于传输该帧的时间周期的数量。

14、根据一个特征，对于与传输类别相关联的至少一个当前队列中的每一个，计算包括：

15、-通过使用所述至少一个当前队列的待处理的帧的最小生存时间值、所述至少一个当前队列的待处理的帧的总持续时间和下一个传输时间周期中专用于所述传输类别的下一个时隙的时间开始，计算下一个发射时间值，

16、-计算用于所述传输类别的突发持续时间值。

17、根据一个特征，计算还包括：

18、-如果总帧持续时间大于时隙持续时间，则将下一个发射时间设置为用于传输类别的下一个时间周期的下一个时隙的开始，并且将突发持续时间值设置为所述时隙持续时间，

19、-否则，如果最小生存时间等于0，则突发持续时间值被设置为必须在具有最小持续时间的所有帧之前发送的帧的持续时间之和，并且所述下一个发射时间被设置为时隙的结束减去突发持续时间值，

20、-否则，所述下一个发射时间被设置为时间周期n的时隙的开始时间+ttl。

21、根据一个特征，所述方法在属于至少包括以下项的组的预定事件时执行：

22、-在帧突发的帧的传输之后，

23、-在唤醒定时器到期时，根据至少一个延迟来设置所述唤醒定时器，

24、-在所述队列的集合中的至少一个队列中插入帧时。

25、根据一个特征，在传输帧突发的帧之后，所述方法还包括：

26、-计算所述延迟的持续时间，并且根据在链路启动时协商的唤醒时间设置唤醒定时器，其中，所述延迟的结束时间是传输队列的集合中的队列当中的下一个发射时间中的较小者减去唤醒所需时间，

27、-使用所述延迟的结束来设置内部唤醒定时器。

28、根据一个特征，在将网络控制器设置为空闲模式期间，网络控制器的能量控制机制实现以下步骤：

29、-激活低功耗空闲模式以将所述控制器的mac层和phy层移动到空闲的节能以太网状态，

30、-通过将所述延迟与活动状态功率管理预定转换时间值中的至少一些进行比较来确定能够进入的最高活动状态功率管理级别，

31、-根据所确定的活动状态功率管理级别设置延迟容差报告最大值，以通知底层硬件。

32、根据一个特征，在唤醒定时器到期时，根据至少一个延迟来设置所述唤醒定时器，所述方法还包括：

33、-对于传输类别的每个队列，确定下一个发射时间，

34、-确定由每个队列的帧的突发组成的下一个突发，其中，确定组成和活动突发持续时间包括以下项的至少一次迭代：

35、-获得队列及其相关联的下一个发射时间值，

36、-确定下一个发射时间值是否大于所支持的最小lpi时段持续时间，并且如果是，则中断下一个帧突发的确定，

37、-否则，将队列的帧添加到突发的组成中，以及

38、-将队列调度的突发持续时间添加到活动突发持续时间值中。

39、根据一个特征，在获得队列及其相关联的下一个发射时间值之前，确定下一个突发包括通过增加队列的下一个发射时间的值来对队列的集合进行排序。

40、根据一个特征，关于在所述队列的集合中的至少一个队列中插入的帧，所述方法还包括：

41、-为插入到所述至少一个队列中的帧设置生存时间值，

42、-如果当前传输模式是活动模式，则确定所述至少一个队列属于当前发射的突发，以及

43、更新突发持续时间值和活动突发持续时间值。

44、根据另一方面，本公开还涉及一种用于在通信网络内传输数据帧的整形装置，所述整形装置包括至少一个处理器和存储器，并包括用于以下操作的必要组件：

45、-针对传输队列的集合中的至少一个当前队列确定针对所述至少一个当前队列要传输的帧，

46、-根据针对所述至少一个当前队列要传输的帧的数量，计算要传输的帧的传输结束与用于传输所述至少一个当前队列的帧的下一个时隙的起点之间的至少一个延迟，

47、并且包括：

48、-当所述至少一个延迟大于预定时间量时，根据所述至少一个延迟将网络控制器设置为空闲模式。

49、根据一方面，本公开还涉及一种服务，其中使用所述方法和设备来节省能源。

50、本公开还旨在提供一种包括指令的计算机程序，当这样的指令由处理器运行时，这些指令使得实现上面定义的方法。