一种延迟保障传输系统及方法

1.本发明涉及数据通信技术领域，特别是涉及一种延迟保障传输系统及方法。


背景技术：

2.随着智能化、信息化的小型嵌入式计算平台的广泛应用，平台内与平台间对信息实时共享与高带宽数据传输需求更加显著。与大型数据中心不同，嵌入式计算平台能够获取时间敏感流数量、链路带宽、网络拓扑等相关信息，数据流的数量相较于大型数据中心较低，端到端的延迟更加苛刻，要求延迟保障在微秒级。
3.目前主流的延迟保障方法是采用确定性网络，例如：时间触发以太网tte(time-triggered ethernet)、时间敏感网络tsn(time sensitive network)等。确定性网络能够在延迟、抖动、可靠性方面获得比较理想的结果，然而，网络需要使用专有协议和专用硬件平台支持，尚未大规模推广部署。而传统互联网数据流传输采用尽力转发模式，虽然具有高带宽和兼容性强的优点，却难以满足通信延迟的保障需求。
4.为了解决通信延迟保障问题，在传统互联网上采用区分服务的方法来对待不同的业务，这种方法简单、高效、可扩展性高，但区分服务存在服务质量(quality of service，qos)保证粒度较大、不同业务流只能提供相对的优先级、网络资源开销大、端到端延迟针对性不强，在实际应用中很难满足延迟保障的需求。因此，提供一种简单、高效，可以解决时间敏感流的延时边界保障问题，提高转发效率的延迟保障传输系统及方法是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种延迟保障传输系统及方法，该装置结构简单，安全、有效、可靠；该方法逻辑清晰，操作简单，均可以解决时间敏感流的延时边界保障问题，提高转发效率。
6.基于以上目的，本发明提供的技术方案如下：
7.一种延迟保障传输系统，包括：端适配器、cpu、集中控制器和交换网络；
8.所述端适配器包括第一端适配器和第二端适配器；
9.所述cpu包括第一cpu和第二cpu；
10.所述第一cpu与所述第一端适配器连接；
11.所述第二cpu与所述第二端适配器连接；
12.所述第一端适配器与所述第二端适配器分别设置在所述交换网络的两端并与所述交换网络连通；
13.所述集中控制器与所述交换网络连接，用于根据第一端适配器的tsn流申请配置所述交换网络的tsn流带宽和优先级和所述第一端适配器和第二端适配器的tsn流带宽和优先级。
14.优选地，所述端适配器包括：超宽匹配引擎和流量限速引擎；
15.所述超宽匹配引擎与所述流量限速引擎连接；
16.所述超宽匹配引擎用于在标识报文流，区分tsn流和非tsn流；
17.位于所述第二端适配器中的所述流量限速引擎用于根据所述tsn流带宽对tsn流限速。
18.优选地，所述超宽匹配引擎包括：
19.生成模块，用于根据所述报文流中的报文头，生成对应的元数据；
20.第一存储模块，用于存储已取出所述报文头的报文；
21.查表模块，用于根据所述报文头与所述元数据查询预设的超宽匹配表；
22.发送模块，用于根据查询结果，发送所述元数据与报文。
23.优选地，所述流量限速引擎包括：
24.第二存储模块，用于存储由所述发送模块发送来的报文；
25.令牌桶模块，用于根据预设时间周期添加令牌；
26.限速配置模块，用于根据cpu配置为所述令牌桶内令牌添加粒度；
27.流限速模块，用于判断所述令牌桶内令牌数量是否满足当前报文发送字节数，若满足则发送当前报文，若不满足则丢弃当前报文。
28.优选地，所述令牌桶模块包括若干个不同速率的子令牌桶模块。
29.一种延迟保障传输方法，基于延迟保障传输系统实现，包括如下步骤：
30.根据预设延迟保障系统参数进行配置；
31.第一cpu通过第一端适配器向集中控制器提交增加tsn流数量的申请；
32.所述集中控制器根据所述增加tsn流数量申请，获取tsn流优先级与tsn流带宽；
33.所述集中控制器将所述tsn流优先级下发至交换网络和将所述tsn流带宽下发至第一端适配器和第二端适配器；
34.所述第一cpu向第二cpu发送tsn流报文；
35.所述第二cpu通过第二端适配器向所述集中控制器提交减少tsn流数量的申请；
36.所述集中控制器根据所述减少tsn流数量的申请，更新所述tsn流优先级与所述tsn流带宽；
37.所述集中控制器将更新后的tsn流优先级下发至交换网络和将更新后tsn流带宽下发至第一端适配器和第二端适配器。
38.优选地，所述延迟保障系统参数具体为：端适配器链路速率和当前时间敏感流数量。
39.优选地，增加的tsn流数量与减少的tsn流数量相等。
40.优选地，tsn流优先级的值根据所述交换网络实际支持的优先级获取。
41.优选地，还包括：若当前时间敏感流数量为0时，则清空第一端适配器、第二端适配器中的tsn流带宽和所述交换网络中的tsn流优先级。
42.本发明所提供的延迟保障传输系统，通过在交换网络两端分别设置有第一端适配器和第二端适配器，第一端适配器和第二端适配器分别连接第一cpu和第二cpu；集中控制器与交换网络连接。实际运用过程中，第一cpu通过第一端适配器向第二cpu发送tsn流申请，集中控制器从交换网络中接收到tsn流申请后，根据该申请配置交换网络的tsn流优先级和第一端和第二端适配器的tsn流带宽。当第一cpu向第二cpu发送tsn流报文时，tsn流报
文按照交换网络tsn流优先级与第一端适配器的tsn流带宽传输，从而解决tsn流的延迟边界保障问题，降低第一cpu和第二cpu的传输延迟，提高转发效率。
附图说明
43.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明实施例提供的一种延迟保障传输系统的结构示意图；
45.图2为本发明实施例提供的端适配器的结构示意图；
46.图3为本发明实施例提供的超宽匹配引擎的结构示意图；
47.图4为本发明实施例提供的流量限速引擎的结构示意图
48.图5为本发明实施例提供的一种延迟保障传输方法的流程图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.本发明实施例采用递进的方式撰写。
51.本发明实施例提供了一种延迟保障传输系统及方法。主要解决现有技术中，时间敏感流的延时边界导致在tsn网络中传输出现较大延迟，转发效率较低的技术问题。
52.一种延迟保障传输系统，包括：端适配器、cpu、集中控制器和交换网络；
53.端适配器包括第一端适配器和第二端适配器；
54.cpu包括第一cpu和第二cpu；
55.第一cpu与第一端适配器连接；
56.第二cpu与第二端适配器连接；
57.第一端适配器与第二端适配器分别设置在交换网络的两端并与交换网络连通；
58.集中控制器与交换网络连接，用于根据第一端适配器的tsn流申请配置交换网络的tsn流优先级和第一端适配器和第二端适配器的tsn流带宽。
59.本发明所提供的延迟保障传输系统，通过在交换网络两端分别设置有第一端适配器和第二端适配器，第一端适配器和第二端适配器分别连接第一cpu和第二cpu；集中控制器与交换网络连接。实际运用过程中，第一cpu通过第一端适配器向第二cpu发送tsn流申请，集中控制器从交换网络中接收到tsn流申请后，根据该申请配置交换网络的tsn流优先级和第一端和第二端适配器的tsn流带宽。当第一cpu向第二cpu发送tsn流报文时，tsn流报文按照交换网络tsn流优先级与第一端和第二端适配器的tsn流带宽传输，从而解决tsn流的延迟边界保障问题，降低第一cpu和第二cpu的传输延迟，提高转发效率。
60.优选地，端适配器包括：超宽匹配引擎和流量限速引擎；
61.超宽匹配引擎与流量限速引擎连接；
62.超宽匹配引擎用于在标识报文流，区分tsn流和非tsn流；
63.位于第一端适配器和第二端适配器中的流量限速引擎用于根据tsn流带宽对tsn流限速。
64.实际运用过程中，在端适配器中设置有超宽匹配引擎和流量限速引擎。其中，超宽匹配引擎用于对tsn流进行标记分类，区分tsn流和非tsn流。第一端适配器和第二端适配器中的流量限速引擎，在计算获取tsn流带宽后，依据tsn流带宽对tsn流进行限速。
65.需要说明的是，时间敏感网络(tsn)是ieee 802.1任务组开发的一套数据链路层协议规范，用于构建更可靠的、低延迟、低抖动的以太网。tsn的诞生和发展离不开传统以太网的技术支撑和行业需求的推进。
66.优选地，超宽匹配引擎包括：
67.生成模块，用于根据报文流中的报文头，生成对应的元数据；
68.第一存储模块，用于存储已取出报文头的报文；
69.查表模块，用于根据报文头与元数据查询预设的超宽匹配表；
70.发送模块，用于根据查询结果，发送元数据与报文。
71.实际运用过程中，超宽匹配引擎内还设有生成模块、第一存储模块、查表模块和发送模块。工作过程中，当第一cpu向第二cpu发送tsn流报文时，第一端适配器内的生成模块将tsn流报文中的报文头提取出来，并生成对应的元数据(metadate)，随后生成模块将报文头和元数据传输至查表模块，将已取出报文头的报文传输至第一存储模块进行存储。查表模块接收报文头和元数据后，将其进行带掩码的超宽匹配查表，将查表结果填入元数据中，并将元数据传输至发送模块；发送模块接收到查表结果后，从第一存储模块中取出报文和元数据一起传输至流量限速引擎。在本实施例中，报文头的大小为64字节，元数据的大小为16字节。
72.需要说明的是，元数据被定义为：描述数据的数据，对数据及信息资源的描述性信息。
73.元数据(metadata)是描述其它数据的数据(data about other data)，或者说是用于提供某种资源的有关信息的结构数据(structured data)。元数据是描述信息资源或数据等对象的数据，其使用目的在于：识别资源；评价资源；追踪资源在使用过程中的变化；实现简单高效地管理大量网络化数据；实现信息资源的有效发现、查找、一体化组织和对使用资源的有效管理。
74.元数据的基本特点主要有：
75.a)元数据一经建立，便可共享。元数据的结构和完整性依赖于信息资源的价值和使用环境；元数据的开发与利用环境往往是一个变化的分布式环境；任何一种格式都不可能完全满足不同团体的不同需要；
76.b)元数据首先是一种编码体系。元数据是用来描述数字化信息资源，特别是网络信息资源的编码体系，这导致了元数据和传统数据编码体系的根本区别；元数据的最为重要的特征和功能是为数字化信息资源建立一种机器可理解框架。
77.元数据体系构建了电子政务的逻辑框架和基本模型,从而决定了电子政务的功能特征、运行模式和系统运行的总体性能。电子政务的运作都基于元数据来实现。其主要作用有：描述功能、整合功能、控制功能和代理功能。
78.由于元数据也是数据，因此可以用类似数据的方法在数据库中进行存储和获取。如果提供数据元的组织同时提供描述数据元的元数据，将会使数据元的使用变得准确而高效。用户在使用数据时可以首先查看其元数据以便能够获取自己所需的信息。
79.在本实施例中，超宽通配匹配引擎采用基于静态存储和寄存器混合的通配匹配实现，相对于传统的基于tcam器件实现方式而言，在能耗、搜索宽度、可扩展性方面更具优势，可有效支撑以web服务以及分布式计算业务的时间敏感流标记功能，在资源受限情况下，实现了超宽通配匹配对于通配匹配能力的扩展需求。
80.优选地，流量限速引擎包括：
81.第二存储模块，用于存储由发送模块发送来的报文；
82.令牌桶模块，用于根据预设时间周期添加令牌；
83.限速配置模块，用于根据cpu配置为令牌桶内令牌添加粒度；
84.流限速模块，用于判断令牌桶内令牌数量是否满足当前报文发送字节数，若满足则发送当前报文，若不满足则丢弃当前报文。
85.实际运用过程中，流量限速引擎内还设有第二存储模块、令牌桶模块、限速配置模块和流限速模块。工作过程中，第二存储模块接收到由发送模块发送来的报文后存储，第二存储模块同时为第二cpu提供接口。令牌桶模块根据预设的时间周期添加令牌；限速配置模块，根据cpu配置为令牌桶内令牌添加粒度；流限速模块将令牌桶内令牌数量与当前报文发送字节数比较，若令牌桶内令牌数量满足当前报文发送字节数则发送当前报文，若不满足则丢弃当前报文。在本实施例中，流量限速引擎采用令牌桶算法来实现限速功能。
86.需要说明的是，令牌桶算法是网络流量整形(traffic shaping)和速率限制(rate limiting)中最常使用的一种算法。典型情况下，令牌桶算法用来控制发送到网络上的数据的数目，并允许突发数据的发送。
87.大小固定的令牌桶可自行以恒定的速率源源不断地产生令牌。如果令牌不被消耗，或者被消耗的速度小于产生的速度，令牌就会不断地增多，直到把桶填满。后面再产生的令牌就会从桶中溢出。最后桶中可以保存的最大令牌数永远不会超过桶的大小。
88.传送到令牌桶的数据包需要消耗令牌。不同大小的数据包，消耗的令牌数量不一样。
89.令牌桶这种控制机制基于令牌桶中是否存在令牌来指示什么时候可以发送流量。令牌桶中的每一个令牌都代表一个字节。如果令牌桶中存在令牌，则允许发送流量；而如果令牌桶中不存在令牌，则不允许发送流量。因此，如果突发门限被合理地配置并且令牌桶中有足够的令牌，那么流量就可以以峰值速率发送。
90.优选地，令牌桶模块包括若干个不同速率的子令牌桶模块。
91.实际运用过程中。基于增加tsn流控制精度，令牌桶包含多种速率的子令牌桶模块。在本实施例中，为三种不同速率，分别为100mbps、1mbps、1kbps三种，可以计算出限速为100m
×
x 1m
×
y 1k
×
z，配置的令牌添加粒度对应寄存器为16字节的位宽，因此流限速引擎支持1kbps到65536gbps之间的限速区间。
92.一种延迟保障传输方法，基于延迟保障传输系统实现，包括如下步骤：
93.s1.根据预设延迟保障系统参数进行配置；
94.s2.第一cpu通过第一端适配器向集中控制器提交增加tsn流数量的申请；
95.s3.集中控制器根据增加tsn流数量申请，获取tsn流优先级与tsn流带宽；
96.s4.集中控制器将tsn流优先级下发至交换网络和将tsn流带宽下发至第一端适配器和第二端适配器；
97.s5.第一cpu向第二cpu发送tsn流报文；
98.s6.第二cpu通过第二端适配器向集中控制器提交减少tsn流数量的申请；
99.s7.集中控制器根据减少tsn流数量的申请，更新tsn流优先级与tsn流带宽；
100.s8.集中控制器将更新后的tsn流优先级下发至交换网络和将更新后tsn流带宽下发至第一端适配器和第二端适配器。
101.优选地，延迟保障系统参数具体为：端适配器链路速率和当前时间敏感流数量。
102.实际运用过程中，延迟保障系统参数包括端适配器链路速率为r，当前已有的时间敏感流数量为n，若端到端延迟保障传输系统首次开始工作，n可以设置为0。
103.优选地，增加的tsn流数量与减少的tsn流数量相等。
104.实际运用过程中，增加的tsn流数量与减少的tsn流数量均为n。
105.优选地，tsn流优先级的值根据交换网络实际支持的优先级获取。
106.实际运用过程中，tsn流优先级c的值可以根据实际交换网络中实际支持的优先级进行等比增加，例如：当前交换网络仅支持8个优先级，若n为64时，c的优先级可以定义为{1，8，16，32，40，48，56，64}。
107.优选地，还包括：若当前时间敏感流数量为0时，则清空第一端适配器、第二端适配器中的tsn流带宽和交换网络中的tsn流优先级。
108.步骤s1中，本发明所提供的延迟保障传输方法是基于上述延迟保障系统来实现的，因此，用户输入预设相关参数对延迟保障系统进行配置。在本实施例中，用户输入端适配器链路速率为r，当前已有的时间敏感流数量为n，若端到端延迟保障传输系统首次开始工作，n可以设置为0。
109.步骤s2中，第一cpu向集中控制器发送请求报文，内容是：增加tsn流数量。
110.步骤s3中，集中控制器接收到请求报文后，计算获取tsn流优先级和tsn流带宽。
111.集中控制器收到端适配器的时间敏感流n申请后，计算端适配器上不同优先级c的时间敏感流的带宽为rc/2(n n)，将计算出时间敏感流带宽，通过配置报文下发到端适配器上，将时间敏感流的优先级通过配置报文下发到交换网络。
112.其中，集中控制器计算时间敏感流的带宽公式推导如下：
113.假设网络中时间敏感流为n条，那么，如果每个数据包的大小为p，每条链路速率为r，那么发送一个数据包的时间需要p/r秒，假设所有时间敏感流均向某一个端适配器发送，那么可以计算出这种最坏情况下交换延迟为最坏情况下交换延迟，是在整个空闲的交换网络为每个发送时间敏感流的cpu提供一个数据包的服务的最长时间。在这个时间内，如果每个cpu都能够限速，不能发出多个报文，那么，整个交换网络就不会存在永久队列，这样就可以保持端到端的延迟为最坏情况下交换延迟。
114.最坏情况下交换延迟可以认为是类似于确定性网络中的时间槽概念，在这个时间槽内，每个节点只允许发送一个报文。但由于整个交换网络缺少确定性网络中时钟同步的协议(例如：ieee 802.1as)，所以无法对所有主机发送报文做出精确的规划，不同时间槽可
能存在偏移，导致在一个时间槽内可能存在两个报文。
115.为了减少这种冲突现象，将最坏情况下交换延迟增大一倍，可以得到最坏情况下交换延迟为
116.根据最坏情况下交换延迟可以计算出时间敏感流的带宽为考虑时间敏感流为n条一般不会全部向某一个端适配器发送，因此增加优先级c，可以得到时间敏感流的带宽为其中c的范围为(1≤c≤n)。当c＝1时为最高优先级，带宽最低，当c＝n时为最低优先级，带宽最宽。
117.步骤s4中，集中控制器将已计算获取的tsn流优先级和tsn流带宽分别下发至交换网络和第一端适配器和第二端适配器。
118.步骤s5中，待tsn流优先级和tsn流带宽已经配置好后，第一cpu向第二cpu发送tsn流报文；
119.实际运用过程中，cpu通过端适配器开始发送时间敏感流报文，时间敏感流报文可以根据用户的需求选择不同的优先级，高优先级的时间敏感流有较好端到端的延迟保障，但带宽较低，低优先级的时间敏感流有较差端到端的延迟保障，但带宽较宽。将优先级映射不同的带宽，解决了网络中时间敏感流和非时间敏感流对延迟和带宽的不同需求。
120.步骤s6中，第二cpu向集中控制器发送请求报文，请求内容为：减少tsn流数量。
121.步骤s7中，集中控制器接收到请求报文后，计算获取新的tsn流优先级和新的tsn流带宽，并对原有的tsn流优先级和tsn流带宽进行更新。
122.步骤s8中，集中控制器将已更新后的sn流优先级和tsn流带宽分别下发至交换网络和第一端适配器和第二端适配器。
123.实际运用过程中，集中控制器收到端适配器的时间敏感n流释放申请后，计算端适配器上不同优先级c的时间敏感流的带宽为rc/2(n n-n)，将计算出时间敏感流带宽，通过配置报文下发到端适配器上，将时间敏感流的优先级通过配置报文下发到交换网络。
124.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个模块或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
125.另外，在本发明各实施例中的各功能模块可以全部集成在一个处理器中，也可以是各模块分别单独作为一个器件，也可以两个或两个以上模块集成在一个器件中；本发明各实施例中的各功能模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
126.本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令及相关的硬件来完成，前述的程序指令可以存储于计算机可读取存储介质中，该
程序指令在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(read only memory，rom)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
127.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
128.以上对本发明所提供的一种延迟保障传输系统及方法进行了详细介绍。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。