一种时敏流量调度方法和电子设备与流程

1.本发明涉及通信技术领域，特别是指一种时敏流量调度方法和电子设备。


背景技术：

2.工业互联网是满足工业智能化发展的关键网络基础设施，具有较强的时敏特征，要求网络低时延、高稳定，以此保证自动化生产线的顺利运行。但由于构建成本问题，其实际部署范围往往十分有限。
3.全球数字化革命使工业互联网具有远程、广域的应用需求。但是，要构建全方位深度融合、支持广域应用的工业互联网平台，势必要涉及到全球化的网络智能互联，即本地(工业园区内部)构建时敏网络，中间借助现有互联网，进而支持跨域的工业通信需求。但由于现有互联网流量的突发性特征，在融合网络中，对工业通信流量和普通民用流量进行分级调度势在必行。其中，工业通信的高优先级流量的实时性、带宽、抖动等方面的服务质量保障是重点难点问题之一。
4.针对这一问题，现有常见的做法是对高优先级流量(如时敏流量)采用节点内部的qos调度尽量保证其服务质量(例如路由交换设备内部的队列调度)，但这种局部调度策略效果有限。原因如下：在进行本机qos策略时可能会由于调度开销引入的计算负担反而增加了一定的时延；并且，单节点的队列调度“天花板”较低，即便将高优先级业务都放到最优先队列，也可能无法满足工业应用中较高的时延和带宽要求。因此，本专利另辟蹊径，尝试从寻求更高优先级路径的角度来解决问题。但是，这种路径调度并不简单。众所周知，现有互联网还未完全过渡到sd-wan架构，仍是纯分布式体系结构。如果采用路由更新方式来完成上述的路径调度，即尝试对高优先级业务采用多路径路由方式“支开”，对路由器的转发平面会引入更大的压力(截至2022年ipv4前缀已破百万条)。此外，该方式也可能造成路由震荡，不利于拓扑的稳定。
5.因此，有必要提供一种时敏流量调度方法，能够借助普通路由实现高优先级的时敏流量转发。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种时敏流量调度方法，仅需将少量必要节点放入srh中，就能够借助普通路由实现高优先级的时敏流量转发。
7.基于上述目的，本发明提供一种时敏流量调度方法，包括：
8.当节点转发时敏流量数据包感知到链路拥塞时，确定拥塞链路及所述时敏流量数据包的绕行路径，并计算所述绕行路径的节点压缩序列；
9.所述节点将节点压缩序列、所述拥塞链路的拥塞后节点以及所述时敏流量数据包的目的节点存入到时敏流量数据包的srh中，以指示后续节点对所述时敏流量数据包的流量调度。
10.其中，所述计算所述绕行路径的节点压缩序列，具体包括：
11.若所述绕行路径中的绕行节点个数大于1，则所述绕行路径的节点压缩序列中包括所述绕行路径的分界后节点。
12.其中，所述绕行路径的分界后节点，具体根据如下方法确定：
13.从绕行路径上第一个节点开始，依次判断各节点是否为绕行路径的分界后节点：对于绕行路径上当前待判断的节点，计算该节点到所述目的节点的最短路径；并判断该最短路径是否可以绕过拥塞链路；若是，则判断该节点为绕行路径的分界后节点。
14.进一步，所述计算所述绕行路径的节点压缩序列，还包括：
15.若所述绕行路径中的绕行节点个数大于1，进一步确定所述绕行路径的节点压缩序列是否还包括所述绕行路径的分界前节点。
16.较佳地，所述确定所述绕行路径的节点压缩序列是否还包括所述绕行路径的分界前节点，具体包括：
17.拥塞前节点确定本节点到所述绕行路径的分界后节点的最短路径；并
18.在判断该最短路径经由所述拥塞链路后，确定所述绕行路径的节点压缩序列还包括绕行路径的分界前节点；
19.其中，所述拥塞前节点为感知到链路拥塞的节点；所述绕行路径的分界前节点为所述绕行路径上邻近所述分界后节点的在前节点。
20.进一步，所述计算所述绕行路径的节点压缩序列，还包括：
21.若所述绕行路径中的绕行节点个数等于1，则所述绕行路径的节点压缩序列中仅包括该绕行节点。
22.本发明还提供一种电子设备，包括中央处理单元、信号处理和存储单元，以及存储在信号处理和存储单元上并可在中央处理单元上运行的计算机程序，其中，所述中央处理单元执行如上所述的时敏流量调度方法。
23.本发明的技术方案中，当节点转发时敏流量数据包感知到链路拥塞时，确定拥塞链路及所述时敏流量数据包的绕行路径，并计算所述绕行路径的节点压缩序列；所述节点将节点压缩序列、所述拥塞链路的拥塞后节点以及所述时敏流量数据包的目的节点存入到时敏流量数据包的srh中，以指示后续节点对所述时敏流量数据包的流量调度。这样，后续节点可以根据srh中存储的节点信息将所述时敏流量数据包经由所述绕行路径进行转发，避免拥塞，从而就能够借助普通路由实现高优先级的时敏流量转发；
24.而且，本发明技术方案，针对绕行路径很长、节点数量很多的情况，srh不必存储绕行路的所有节点，而其只需存储的压缩序列中最多包括两个节点，即绕行路径的分界前、后节点，能大量减少srh开销，且能够有效防止自环。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
26.图1为本发明实施例提供的srh报文格式示意图；
27.图2为本发明实施例提供的一种时敏流量调度方法流程图；
28.图3为本发明实施例提供的链路拥塞后确定绕行路径的示例图；
29.图4、5、6为本发明实施例提供的绕行路径节点序列压缩算法示例图；
30.图7为本发明实施例提供的绕行路径压缩算法流程图；
31.图8为本发明实施例提供的一种融合网络场景中时敏流量调度的示例图；
32.图9为本发明实施例提供的一种电子设备硬件结构示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
34.需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
35.本发明的基本思想是仅在拥塞的上一跳节点感知到拥塞后(例如发现出队列过长等多种方式)，首先通过dijkstra算法(迪杰斯特拉算法)计算绕行路径(基于ospf的拓扑)；然后，为有效降低srh的链路开销(ipv6地址较大造成带宽浪费)，拟提出一种绕行路径上的节点序列压缩方法，能够借助普通路由，仅将必要节点放入如图1所示的srh(segment routing header，分段路由头部)中，且算法可有效防止自环。
36.下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。
37.本发明实施例提供了一种时敏流量调度方法，流程如图2所示，包括如下步骤：
38.步骤s201：当节点转发时敏流量数据包感知到链路拥塞时，确定拥塞链路及所述时敏流量数据包的绕行路径。
39.本步骤中，当节点转发时敏流量数据包感知到链路拥塞时，确定拥塞链路，以及拥塞链路的拥塞后节点，即拥塞链路的出口节点，以及确定本节点为拥塞链路的拥塞前节点；并且将当前拥塞链路的开销变更为无穷大。也就是说，感知到链路拥塞的节点为拥塞前节点。
40.拥塞前节点基于ospf(open shortest path first，开放式最短路径优先)拓扑运用dijkstra算法确定能够绕过拥塞链路的路径，即拥塞前节点与拥塞后节点之间除拥塞链路之外的其它路径；
41.进而，根据确定的各路径的开销大小，对各路径进行排序，选择开销最小的路径，作为所述时敏流量数据包的绕行路径；之后，将拥塞链路的开销变更为原值。
42.例如，如图3所示，由节点s0发送到目的节点d0的时敏流量数据包，其初始的转发路径为最短路径：s0
→a→e→f→
d0；
43.当拥塞前节点a感知到出口队列发生拥塞时，确定拥塞链路的拥塞后节点e，节点a将拥塞链路{a，e}开销由1改为∞；
44.节点a运用dijkstra算法计算可以绕过拥塞链路{a，e}的所有路径，包括：
①a→b→
e，开销为4；
②a→c→
e，开销为8，选择开销最小的绕行路径a
→b→
e，再将拥塞链路{a，e}的开销变更为1。
45.步骤s202：拥塞前节点计算所述绕行路径的节点压缩序列。
46.本步骤中，在计算所述绕行路径的节点压缩序列之前，先确定绕行路径中的绕行节点个数；所述绕行路径中的绕行节点指的是绕行路径中除拥塞前节点和拥塞后节点之外的节点。
47.在计算所述绕行路径的节点压缩序列时，可以分两种情况处理：
48.情况一：所述绕行路径中的绕行节点个数为1时，例如图4中的绕行路径a
→b→
e，则确定绕行路径的节点压缩序列仅包括该绕行节点，即图4中的节点b；
49.情况二：当所述绕行路径中的绕行节点个数大于1时，例如图5、6中的绕行路径h
→i→j→k→
l
→
m，为减少srh开销，需对此绕行路径进行压缩，具体流程如图7所示，包括如下子步骤：
50.子步骤s701：拥塞前节点基于ospf拓扑依次计算绕行路径上的节点到目的节点的最短路径，确定绕行路径的分界后节点，即绕行路径上避免链路自环的第一个分界点；
51.本子步骤中，拥塞前节点从绕行路径上第一个节点开始，依次判断各节点是否为绕行路径的分界后节点：
52.拥塞前节点对于绕行路径上当前待判断的节点，计算该节点到所述时敏流量数据包的目的节点的最短路径；并判断该最短路径是否可以绕过拥塞链路；若是，则判断该节点为绕行路径的分界后节点；否则，继续绕行路径的下一个节点的判断。
53.例如，如图5为例，拥塞前节点h基于ospf拓扑计算：
①
节点i到d2的最短路径为i
→h→m→n→
d2，未绕过拥塞链路{h，m}，导致h、m节点产生自环；
②
计算节点j到d2的最短路径为j
→i→h→m→n→
d2，未绕过拥塞链路{h，m}，导致h、m节点产生自环；
③
计算节点k到d2的最短路径为k
→
l
→m→n→
d2，成功绕过拥塞链路{h，m}。因此绕行路径的分界后节点为k。
54.子步骤s702：拥塞前节点基于ospf拓扑，计算本节点到绕行路径的分界后节点的最短路径；
55.子步骤s703：拥塞前节点判断本节点到绕行路径的分界后节点的最短路径是否经由拥塞链路，根据判断结果确定绕行路径节点压缩序列中是否还包括绕行路径的分界前节点；
56.具体地，拥塞前节点若判断本节点到绕行路径的分界后节点的最短路径不经由拥塞链路，则绕行路径节点压缩序列仅包括一个节点，即绕行路径的分界后节点；例如以图5为例，拥塞前节点h基于ospf拓扑，计算节点h到节点k的最短路径为h
→i→j→
k，该路径不经由拥塞链路{h，m}，因此绕行路径节点压缩序列仅包括节点k；
57.拥塞前节点若判断本节点到绕行路径分界后节点的最短路径经由拥塞链路，则绕行路径节点压缩序列还包括绕行路径的分界前节点，即所述绕行路径上邻近所述分界后节点的在前节点；例如以图6为例，拥塞前节点h基于ospf拓扑，计算节点h到节点k的最短路径为h
→m→
l
→
k，该路径经由拥塞链路{h，m}，因此绕行路径节点压缩序列还包括节点j；
58.本算法的优点在于无论绕行路径节点数量多少，整合的绕行压缩序列都最多不超过两个节点，尽管有时序列压缩率虽稳定，但在绕行路径很长、节点数量很多的情况下压缩
率高，能大量减少srh开销。
59.步骤s203：拥塞前节点将节点压缩序列、拥塞后节点、目的节点存入到srh中。
60.步骤s204：后续节点根据srh对所述时敏流量数据包进行流量调度。
61.具体地，拥塞前节点转发时敏流量数据包后，接收到该时敏流量数据包的后续节点根据srh对所述时敏流量数据包进行转发，实现对时敏流量的调度：
62.接收到所述时敏流量数据包的节点，判断所述时敏流量数据包的srh的栈顶节点是否为本节点的下一跳节点；若是，则根据该栈顶节点进行所述时敏流量数据包的转发；否则，将srh的栈顶节点作为目的地址，根据一维路由表转发所述时敏流量数据包。
63.这样，后续节点可以根据srh中存储的节点信息将所述时敏流量数据包经由所述绕行路径进行转发，避免拥塞，从而就能够借助普通路由实现高优先级的流量转发；且在绕行路径很长、节点数量很多的情况下，srh中存储的节点压缩序列最多包括两个节点，即绕行路径的分界前、后节点，压缩率高，能大量减少srh开销。
64.进一步，当拥塞前节点感知到当前的绕行路径也发生拥塞后，可继续寻找其它绕行路径：拥塞前节点确定除当前的绕行路径之外能绕过所述拥塞链路的其它路径，并将确定的路径中，开销最小的路径作为重新计算的绕行路径；
65.拥塞前节点基于重新计算的绕行路径，重新计算绕行路径的节点压缩序列，并更新时敏流量数据包的srh后，继续转发时敏流量数据包，具体方法与上述图2中步骤s202～步骤s204相同。
66.例如，如图3所示，当拥塞前节点a感知到绕行路径{a，b，e}发生拥塞时，将拥塞链路{a，e}开销由1改为∞，{a，b，e}开销由4改为∞；
67.进而节点a运用dijkstra算法计算拥塞链路{a，e}之间其余所有的绕行路径，为：
①a→c→
e，开销为8，选择开销最小的绕行路径a
→c→
e，再将拥塞链路{a，e}，{a，c，e}的开销变更为1、4；
68.节点a运用绕行路径节点序列压缩算法确定新的绕行路径节点压缩序列为c；并依次将c、e、d0压入srh，实现从s0到d0走最优绕行路径。
69.如图8所示的融合网络场景中，包括工业互联网及民用互联网。时敏流量数据包从节点s到d的最短路径为s
→a→b→c→h→
l
→n→
d；当节点c感知链路{c，h}拥塞时，确定拥塞链路{c，h}的拥塞前节点为c、拥塞后节点为h；
70.拥塞前节点c将当前拥塞链路{c，h}的开销由4变更为∞，进而运用dijkstra算法计算拥塞链路{c，h}之间所有的绕行路径，分别为：
①c→g→
h，开销为6；
②c→d→i→j→k→
h，开销为13；在根据其开销对绕行路径进行排序后，选择开销最小的绕行路径：c
→g→
h，开销为6；之后，将当前拥塞链路{c，h}的开销变更回4；
71.拥塞前节点c运用绕行路径节点序列压缩算法确定绕行路径节点压缩序列：计算当前最优绕行路径c
→g→
h的绕行节点数；若绕行节点数为1，则绕行序列为绕行节点，此时路径c
→g→
h的绕行节点数为1(即g)，则绕行序列为g；若绕行节点数大于1，则根据上述图7所示流程各子步骤计算压缩序列；
72.拥塞前节点c将绕行路径节点压缩序列g、拥塞后节点h，目的节点d存入srh中；其余字段依据时敏流量数据包相应信息填入；
73.融合网络中节点转发时敏流量数据包时，若时敏流量数据包的srh的栈顶节点是
下一跳，则根据srh转发；比如节点g收到带有的srh信息的时敏流量数据包，查该数据包的栈顶节点h是下一跳，则将数据包直接转发给节点h；若srh的栈顶节点不是下一跳，则将该栈顶节点作为目的地址，根据一维路由表转发；比如，节点h收到带有的srh信息的时敏流量包，查该数据包的栈顶节点d不是下一跳，则将节点d作为目的地址，通过查一维路由表将数据包转发给下一跳。
74.当拥塞前节点c感知到绕行路径{c，g，h}发生拥塞时，将{c，g，h}开销由6变更为∞；将原拥塞链路{c，h}由4变更为∞后，重新计算新的最优绕行路径：拥塞前节点c运用dijkstra算法计算拥塞链路{c，h}之间其余的绕行路径，为：c
→d→i→j→k→
h，开销为13，为开销最小的绕行路径；
75.拥塞前节点c运用绕行路径节点序列压缩算法确定绕行路径节点压缩序列：计算当前最优绕行路径c
→d→i→j→k→
h的绕行节点数为4；由于此路径绕行节点数大于1，因此拥塞前节点c基于ospf拓扑计算：
76.①
节点d到d的最短路径为d
→c→h→
l
→n→
d，未绕过链路{c，h}，导致c、h节点产生自环；
77.②
节点i到d的最短路径为i
→d→c→h→
l
→n→
d，未绕过链路{c，h}，导致c、h节点产生自环；
78.③
节点j到d的最短路径为j
→k→h→
l
→n→
d，成功绕过链路{c，h}；
79.因此绕行路径的分界后节点为j；
80.拥塞前节点c基于ospf拓扑计算节点c到绕行路径分界后节点j的最短路径为c
→d→i→
j；该最短路径不经由拥塞链路，因此绕行路径节点压缩序列为j；
81.拥塞前节点c将绕行路径节点压缩序列j、拥塞后节点h，目的节点d存入srh字段中；其余字段依据时敏流量数据包相应信息填入后，转发该时敏流量数据包；
82.融合网络中其它节点根据srh转发时敏流量数据包。
83.图9示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。
84.处理器1010可以采用通用的cpu(central processing unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的时敏流量调度方法。
85.存储器1020可以采用rom(read only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。
86.输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，可以与非线性接收机相连，从非线性接收机接收信息，实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
87.通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。
88.总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。
89.需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
90.本发明的技术方案中，当节点转发时敏流量数据包感知到链路拥塞时，确定拥塞链路及所述时敏流量数据包的绕行路径，并计算所述绕行路径的节点压缩序列；所述节点将节点压缩序列、所述拥塞链路的拥塞后节点以及所述时敏流量数据包的目的节点存入到时敏流量数据包的srh中，以指示后续节点对所述时敏流量数据包的流量调度。这样，后续节点可以根据srh中存储的节点信息将所述时敏流量数据包经由所述绕行路径进行转发，避免拥塞，从而就能够借助普通路由实现高优先级的时敏流量转发；
91.而且，本发明技术方案，针对绕行路径很长、节点数量很多的情况，srh不必存储绕行路的所有节点，而其存储的压缩序列中最多包括两个节点，即绕行路径的分界前、后节点，能大量减少srh开销，且能够有效防止自环。
92.本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
93.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
94.另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
95.尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例
如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。
96.本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。