一种时间感知调度器的报文调度方法及时间感知调度器与流程

1.本发明涉及网络资源调度技术领域，尤其涉及一种时间感知调度器的报文调度方法及时间感知调度器。


背景技术：

2.在工业和汽车控制应用中，通过网络传输的数据用于提供对涉及的工厂或机械的操作至关重要的控制回路的参数，并在重复的时间计划中传输承载控制数据的帧，这种帧的延迟交付可能导致不稳定，不准确，或有关控制回路的操作失败。上述时间敏感业务要求帧传输到目的地时所经历的整体延迟和抖动时间都有确定性。业界定义和开发了tsn(时间敏感网络)标准用于支持时间敏感业务。
3.ieee 802.1qbv规定的tsn时间感知调度器是为了将以太网上的通信划分为固定长度、重复的时间周期而设计的。在这些周期中，可以配置不同的时间片，这些时间片可以分配给8个以太网优先级中的一个或几个。通过这样做，就有可能在有限的时间内为那些需要传输保证且不能被中断的通信类授予以太网传输媒介的独占使用权。
4.ieee 802.1qbv规定的tsn时间感知调度器引入了时间片的概念。协议规定，以太网帧的传输是不能跨越时间片边界的，因此在时间片的末尾，会发生当前调度出的报文无法被在本时间片被传输的情况。出现这种情况，带宽是被浪费的。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种时间感知调度器的报文调度方法，应用于时间敏感网络，所述时间敏感网络中配置有循环的时间片和多个待调度队列，每个所述时间片包含多个调度周期；
6.则针对每个所述时间片，所述报文调度方法包括：
7.步骤s1，所述时间感知调度器在每个所述调度周期，扫描得到各所述待调度队列中的有效队列，由所述有效队列中选择一待传输报文和至少一备选报文，并将各所述备选报文加入一备选集合；
8.步骤s2，所述时间感知调度器判断所述待传输报文是否能够在当前的所述时间片完成传输：
9.若是，则调度并传输所述待传输报文，随后进入下一个所述调度周期；
10.若否，则转向步骤s3；
11.步骤s3，所述时间感知调度器判断所述备选集合中是否存在能够在当前的所述时间片完成传输的所述备选报文：
12.若是，则调度并传输对应的所述备选报文，随后等待进入下一个所述时间片；
13.若否，则等待进入下一个所述时间片。
14.优选的，所述步骤s1中，所述时间感知调度器由所有所述有效队列中选择报文长度最短的报文作为所述备选报文加入所述备选集合中。
15.优选的，所述步骤s1中，所述时间感知调度器将所述有效队列中的报文作为所述备选报文加入所述备选集合中；
16.则所述步骤s3包括：
17.步骤s31，所述时间感知调度器判断所述备选集合中，所述报文长度最短的所述备选报文是否能够在当前的所述时间片完成传输：
18.若是，则转向步骤s32；
19.若否，则等待进入下一个所述时间片；
20.步骤s32，所述时间感知调度器调度并传输所述报文长度最短的所述备选报文，更新所述备选集合，随后返回所述步骤s31。
21.优选的，所述时间敏感网络中预先配置有一门控列表，所述门控列表中配置有各所述待调度队列在各所述时间片的门控状态；
22.则所述步骤s1中，所述时间感知调度器在检测到任一所述门控状态发生改变时，或各所述待调度队列中存在空队列且所述空队列有报文到达时，或上一个所述待传输报文调度并传输完成时，触发扫描各所述待调度队列中的所述有效队列。
23.优选的，所述步骤s1中，所述时间感知调度器采用优先级策略或轮询策略由所述有效队列中选择所述待传输报文。
24.本发明还提供一种时间感知调度器，采用上述的报文调度方法，所述时间感知调度器包括：
25.报文选择模块，用于针对每个所述时间片中的每个调度周期，扫描得到各所述待调度队列中的有效队列，由所述有效队列中选择一待传输报文和至少一备选报文，并将各所述备选报文加入一备选集合；
26.第一判断模块，连接所述报文选择模块，用于在判断所述待传输报文能够在当前的所述时间片完成传输时，调度并传输所述待传输报文，随后进入下一个所述调度周期，以及在所述待传输报文不能够在当前的所述时间片完成传输时输出一备选信号；
27.第二判断模块，分别连接所述报文选择模块和所述第一判断模块，用于根据所述备选信号在判断所述备选集合中存在能够在当前的所述时间片完成传输的所述备选报文时，调度并传输对应的所述备选报文，随后等待进入下一个所述时间片。
28.优选的，所述报文选择模块由所有所述有效队列中选择报文长度最短的报文作为所述备选报文加入所述备选集合中。
29.优选的，所述报文选择模块将所述有效队列中的报文作为所述备选报文加入所述备选集合中；
30.则所述第二判断模块包括：
31.判断单元，用于在判断所述备选集合中，所述报文长度最短的所述备选报文能够在当前的所述时间片完成传输时输出一调度信号；
32.调度单元，连接所述判断单元，用于根据所述调度信号调度并传输所述报文长度最短的所述备选报文，随后更新所述备选集合；
33.所述判断单元判断更新后的所述备选集合中，所述报文长度最短的所述备选报文是否能够在当前的所述时间片完成传输，直至所述备选集合中的报文长度最短的所述备选报文不能够在当前的所述时间片完成传输。
34.优选的，所述时间敏感网络中预先配置有一门控列表，所述门控列表中配置有各所述待调度队列在各所述时间片的门控状态；
35.则所述报文选择模块中，在检测到任一所述门控状态发生改变时，或各所述待调度队列中存在空队列且所述空队列有报文到达时，或上一个所述待传输报文调度并传输完成时，触发扫描各所述待调度队列中的所述有效队列。
36.优选的，所述报文选择模块采用优先级策略或轮询策略由所述有效队列中选择所述待传输报文。
37.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
38.1)在遵守时间敏感网络的服务质量策略且不增加原有成本的情况下，尽量减小时间片被浪费的可能性，有效提升带宽的利用率；
39.2)选择备选报文采用的是最小包文先走的方式，符合短业务优先的最优原则；
40.3)在用户配置不当导致报文长度大于门控时间，进而出现报文阻塞其他队列时，采用本技术方案能够使得其他报文通过，不至于造成业务中断，有效提高时间感知调度器的容错性。
附图说明
41.图1为本发明的较佳的实施例中，一种时间感知调度器的报文调度方法的流程示意图；
42.图2为本发明的较佳的实施例中，时间感知调度器判断备选集合中是否存在能够在当前的时间片完成传输的备选报文的流程示意图；
43.图3为本发明的较佳的实施例中，一种时间感知调度器的结构示意图。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
45.本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种时间感知调度器的报文调度方法，应用于时间敏感网络，时间敏感网络中配置有循环的时间片和多个待调度队列，每个时间片包含多个调度周期；
46.如图1所示，则针对每个时间片，报文调度方法包括：
47.步骤s1，时间感知调度器在每个调度周期，扫描得到各待调度队列中的有效队列，由有效队列中选择一待传输报文和至少一备选报文，并将各备选报文加入一备选集合；
48.步骤s2，时间感知调度器判断待传输报文是否能够在当前的时间片完成传输：
49.若是，则调度并传输待传输报文，随后进入下一个调度周期；
50.若否，则转向步骤s3；
51.步骤s3，时间感知调度器判断备选集合中是否存在能够在当前的时间片完成传输的备选报文：
52.若是，则调度并传输对应的备选报文，随后等待进入下一个时间片；
53.若否，则等待进入下一个时间片。
54.具体地，现有时间感知调度器在进行报文调度时，如果选择的待传输报文不能在
当前时间片内完成传输，由于以太网帧的传输是不能跨越时间片边界的，因此被选择的待传输报文是不能被传输的，必须在队列中等待，当下一个门控时间到来时，时间感知调度器会从有效队列中重新调度出一个新的报文，因此，链路上有一段时间不能传输报文的，这种情况通常发生在时间片的末尾，造成了带宽资源的浪费。
55.基于此，本技术方案中，在选择的待传输报文的同时选择至少一个备选报文，当选择的待传输报文不能在当前时间片内完成传输时，进一步确定备选报文是否能够在当前时间片内完成传输，如果该备选报文能够在当前时间片内完成传输，则调度并传输该备选报文，以尽可能减少时间片被浪费的可能性，有效提升带宽的利用率。举例来说，若当前时间片的剩余带宽为450字节，选择的待传输报文的报文长度为500字节，则该待传输报文的传输需要跨越时间片边界，这是不被允许的，因此，该待传输报文不能在当前时间片内完成传输，此时，若存在报文长度为400字节的备选报文，则可以调度并传输该备选报文，可以看出，其减少了时间片400字节的带宽浪费，有效提升带宽的利用率。进一步由于选择出的待传输报文无法在本时间片完成传输时，剩余的时间碎片是被浪费掉的，此时选择其它的任何报文传输，都不违反qos策略。因此本技术方案在遵守qos策略的前提下避免了带宽浪费。
56.本发明的较佳的实施例中，上述备选集合中的备选报文可以是一个或多个，在备选报文为一个时，步骤s1中，时间感知调度器由所有有效队列中选择报文长度最短的报文作为备选报文加入备选集合中。
57.在备选报文为多个时，步骤s1中，时间感知调度器将有效队列中的报文作为备选报文加入备选集合中；
58.如图2所示，采用最小报文先走的方式进行报文调度，符合短业务优先的最优原则，则步骤s3包括：
59.步骤s31，时间感知调度器判断备选集合中，报文长度最短的备选报文是否能够在当前的时间片完成传输：
60.若是，则转向步骤s32；
61.若否，则等待进入下一个时间片；
62.步骤s32，时间感知调度器调度并传输报文长度最短的备选报文，更新备选集合，随后返回步骤s31。
63.具体地，本实施例中，举例来说，当前时间片的剩余带宽为450字节，选择的待传输报文的报文长度为500字节时，该待传输报文不能在当前时间片内完成传输，此时，若所有有效队列中按照报文长度从小到大的顺序排序依次存在200字节、220字节和230字节报文，则首先判断报文长度最短的备选报文，即200字节的报文是否能够在当前的时间片完成传输，由于200字节小于450字节，可以看出，其可以在当前的时间片完成传输，传输完成后，当前的时间片的剩余带宽为250字节，随后由备选集合中选择报文长度最短的备选报文，即220字节的报文，由于220字节小于250字节，可以看出，其同样可以在当前的时间片完成传输，传输完成后，当前的时间片的剩余带宽为30字节，随后由备选集合中选择报文长度最短的备选报文，即230字节的报文，由于230字节大于30字节，该备选报文无法在当前时间片完成传输，则等待进入下一个时间片。可以看出，当选择出的是一个无法在本时间片完成传输的长报文时，接下来可能会有多个备选短包填补剩余的时间片，其减少了时间片420字节的带宽浪费，可以充分提高带宽利用率。
64.本发明的较佳的实施例中，时间敏感网络中预先配置有一门控列表，门控列表中配置有各待调度队列在各时间片的门控状态；
65.则步骤s1中，时间感知调度器在检测到任一门控状态发生改变时，或各待调度队列中存在空队列且空队列有报文到达时，或上一个待传输报文调度并传输完成时，触发扫描各待调度队列中的有效队列。
66.具体地，本实施例中，时间感知调度器配置有调度状态机和最短包选择状态机，其中，调度状态机和最短选择状态机的触发条件相同且同步执行扫描各待调度队列中的有效队列。调度状态机在触发扫描各待调度队列中的有效队列以及调度传输待传输报文时处于调度状态，否则处于空闲状态，调度状态机在空闲状态下，检测到任一门控状态发生改变，或者各待调度队列中存在空队列且空队列有报文到达时，或者上一个待传输报文调度并传输完成时，触发扫描各待调度队列中的有效队列。最短包选择状态机与调度状态机的状态以及触发条件相同，此处不再赘述。由于最短包选择状态机的选择备选报文是由报文到达和离开事件触发的，可以用累进的方式实现，不需要高速运算电路，所以硬件开销非常小。
67.进一步具体地，不同的时间片各待调度队列对应的门控状态可能发生改变，以存在8个待调度队列为例，在上一个时间片时，第一个待调度队列的门控状态为开启状态，在当前时间片时，第一个待调度队列的门控状态为关闭状态，则在上一个时间片，第一个待调度队列可以作为有效队列，而在当前时间片第一个待调度队列不是有效队列，因此，在检测到任一门控状态发生改变时，有效队列会发生改变，需要触发扫描各待调度队列中的有效队列，实现有效队列的更新。
68.进一步具体地，在各待调度队列中存在空队列且空队列有报文到达时，在未有报文到达时，由于是空队列，不需要进行报文传输，其不是有效队列，但是有报文到达时，其可能具有较高的优先级，需要优先传输，因此，在空队列有报文到达时，需要触发扫描各待调度队列中的有效队列，实现有效队列的更新。
69.进一步具体地，在上一个待传输报文调度并传输完成时，需要接着调度下一个待传输报文，即要从有效队列中选择一个待传输报文，而在上一个待传输报文的调度及传输过程中，各待调度队列的状态可能发生变化，此时，需要触发扫描各待调度队列中的有效队列，实现有效队列的更新。
70.本发明的较佳的实施例中，步骤s1中，时间感知调度器采用优先级策略或轮询策略由有效队列中选择待传输报文。
71.本发明还提供一种时间感知调度器，采用上述的报文调度方法，如图3所示，时间感知调度器包括：
72.报文选择模块1，用于针对每个时间片的每个调度周期，扫描得到各待调度队列中的有效队列，由有效队列中选择一待传输报文和至少一备选报文，并将各备选报文加入一备选集合；
73.第一判断模块2，连接报文选择模块1，用于在判断待传输报文能够在当前的时间片完成传输时，调度并传输待传输报文，随后进入下一个调度周期，以及在待传输报文不能够在当前的时间片完成传输时输出一备选信号；
74.第二判断模块3，分别连接报文选择模块1和第一判断模块2，用于根据备选信号在判断备选集合中存在能够在当前的时间片完成传输的备选报文时，调度并传输对应的备选
报文，随后等待进入下一个时间片。
75.本发明的较佳的实施例中，报文选择模块1由所有有效队列中选择报文长度最短的报文作为备选报文加入备选集合中。
76.本发明的较佳的实施例中，报文选择模块1将有效队列中的报文作为备选报文加入备选集合中；
77.则第二判断模块3包括：
78.判断单元31，用于在判断备选集合中，报文长度最短的备选报文能够在当前的时间片完成传输时输出一调度信号；
79.调度单元32，连接判断单元31，用于根据调度信号调度并传输报文长度最短的备选报文，随后更新备选集合；
80.判断单元31判断更新后的备选集合中，报文长度最短的备选报文是否能够在当前的时间片完成传输，直至备选集合中的报文长度最短的备选报文不能够在当前的时间片完成传输。
81.本发明的较佳的实施例中，时间敏感网络中预先配置有一门控列表，门控列表中配置有各待调度队列在各时间片的门控状态；
82.则报文选择模块1中，在检测到任一门控状态发生改变时，或各待调度队列中存在空队列且空队列有报文到达时，或上一个待传输报文调度并传输完成时，触发扫描各待调度队列中的有效队列。
83.本发明的较佳的实施例中，报文选择模块1采用优先级策略或轮询策略由有效队列中选择待传输报文。
84.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。