一种热轧控制系统中确定性资源调度方法及系统与流程

1.本发明涉及工业物联网资源调度领域，特别是涉及一种热轧控制系统中确定性资源调度方法及系统。


背景技术：

2.近些年来随着工业物联网技术的快速发展，大量基于物联网技术的智能终端设备在工业现场大量的普及，譬如在热轧工艺流水线上应用的各类自动化系统和信息化系统，这些系统在钢铁行业与工业物联网的融合创新发展中起着关键作用。但是其中的信息化系统面临着大量的工业现场数据的流量冲击，以及保证关键性数据传输实时性和稳定性的问题。
3.目前，时间敏感网络（time-sensitive networking，tsn）有关研究工作主要集中于时间敏感（time triggered，tt）流量，tt流量作为热轧控制系统中的网络资源，为tt流量提供确定时延范围的网络服务尤为重要。为了确定tt流量传输过程中时间延迟范围，提出了一种基于双队列模型的循环排队机制，可以为tt流量提供确定时延范围的网络服务，从而实现热轧控制系统中确定性资源调度。但是这一机制存在以下不足：（1）循环排队机制对于双队列模型的利用中存在大量的空闲队列资源，影响传输效率。
4.（2）无法保证对抖动要求严格的同步流类型的tt流量的传输稳定性。


技术实现要素：

5.基于此，本发明实施例提供一种热轧控制系统中确定性资源调度方法及系统，以在实现热轧控制系统中确定性资源调度过程中，提高时间敏感流量的传输效率和传输稳定性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种热轧控制系统中确定性资源调度方法，包括：获取目标热轧控制系统的流量集合；所述流量集合中包括：周期性的时间敏感流量和同步流类型的时间敏感流量；按照流量占用资源的大小对所述周期性的时间敏感流量进行降序排列，得到降序流量序列；以吞吐量最大为目标，以时隙偏移约束作为约束条件，按照偏移量逐次递减的贪心策略，对所述降序流量序列中周期性的时间敏感流量的时隙进行偏移，并将时隙偏移后的降序流量序列映射至循环流队列，以实现对所述周期性的时间敏感流量的传输；所述时隙偏移约束包括：帧发送偏移约束、端到端延迟约束、接受窗口约束和队列资源约束；以吞吐量最大为目标，以无等待整形器的特定约束作为约束条件，将所述同步流类型的时间敏感流量映射至同步流队列，以实现对所述同步流类型的时间敏感流量的传输；所述无等待整形器的特定约束，包括：出端口时间约束、零抖动约束和传输开始时间约
束。
7.可选地，所述流量集合中还包括：非时间敏感的尽力而为流量；所述非时间敏感的尽力而为流量为目标热轧控制系统的流量中除所述周期性的时间敏感流量和所述同步流类型的时间敏感流量之外的流量；在所述周期性的时间敏感流量和所述同步流类型的时间敏感流量完成传输之后，还包括：采用尽力而为流队列的设定协议的传输规则传输所述非时间敏感的尽力而为流量。
8.可选地，所述获取目标热轧控制系统的流量集合，具体包括：获取目标热轧控制系统的初始流量；按照设定协议的传输规则和流量类型对所述初始流量进行筛选和队列分配，得到目标热轧控制系统的流量集合。
9.可选地，所述同步流队列的优先级大于所述循环流队列的优先级，所述循环流队列的优先级大于所述尽力而为流队列的优先级。
10.可选地，所述帧发送偏移约束为：fi·
offset＜fi·
period/lenofslot；其中，fi为周期性的时间敏感流量中第i个数据流；fi·
offset为周期性的时间敏感流量中第i个数据流的偏移量；fi·
period为周期性的时间敏感流量中第i个数据流的周期；lenofslot为时隙长度；所述端到端延迟约束为：fi·
offset
×
lenofslot （fi·
hop 1）
×
lenofslot＜fi·
deadline；其中，fi·
hop为周期性的时间敏感流量中第i个数据流经过的跳数；fi·
deadline为周期性的时间敏感流量中第i个数据流到达目的节点的时间限制；所述接受窗口约束为：lenofslot＞lenofcqf/b；其中，lenofcqf为循环流队列的队列长度；b为周期性的时间敏感流量的数据包在链路上的发送速率；所述队列资源约束为：；其中，fi·
size为周期性的时间敏感流量中第i个数据流的尺寸；为t1时隙内经过循环流队列的全部数据流的长度；n为t1时隙内经过循环流队列的周期性的时间敏感流量的数据流的总数量；o（fi, m1, e1, l1, t1）表示周期性的时间敏感流量，m1为周期性的时间敏感流量中第i个数据流的报文，e1为周期性的时间敏感流量中第i个数据流经过的交换机，l1为周期性的时间敏感流量中第i个数据流经过的交换机的端口，t1为周期性的时间敏感流量中第i个数据流的报文经过交换机的时隙。
11.可选地，所述出端口时间约束为：t
j ‑ꢀ
t
r ≥ d
r,k ‑
( d
j,k-1 d prop
d proc
)；其中，t
j 为同步流类型的时间敏感流量中第j个数据流在源主机的传输开始时间；tr为同步流类型的时间敏感流量中第r个数据流在源主机的传输开始时间；第r个数据流的传输时间早于第j个数据流的传输时间；d prop
为传输延迟；d proc
为处理延迟；d
r,k
为第r个数据流传输到第k个交换机的累积网络延迟；d
j,k-1
为第j个数据流传输到第k-1个交换机的累积网络延迟；k≥2；所述零抖动约束为：；其中，t
r,k
为同步流类型的时间敏感流量中第r个数据流在第k个交换机上的传输开始时间；t
r,k-1
为同步流类型的时间敏感流量中第r个数据流在第k-1个交换机上的传输开始时间；a为某一时隙内经过同步流队列的同步流类型的时间敏感流量的数据流的总数量；为同步流类型的时间敏感流量中第r个数据流在第k-1个交换机上的传输时间；所述传输开始时间约束为：t
r = min；其中，tr为同步流类型的时间敏感流量中第r个数据流的传输开始时间；min为设定最小传输开始时间。
12.可选地，所述设定协议为ieee802.1qci协议。
13.本发明还提供了一种热轧控制系统中确定性资源调度系统，包括：流量获取模块，用于获取目标热轧控制系统的流量集合；所述流量集合中包括：周期性的时间敏感流量和同步流类型的时间敏感流量；降序排列模块，用于按照流量占用资源的大小对所述周期性的时间敏感流量进行降序排列，得到降序流量序列；周期性流量调度模块，用于以吞吐量最大为目标，以时隙偏移约束作为约束条件，按照偏移量逐次递减的贪心策略，对所述降序流量序列中周期性的时间敏感流量的时隙进行偏移，并将时隙偏移后的降序流量序列映射至循环流队列，以实现对所述周期性的时间敏感流量的传输；所述时隙偏移约束包括：帧发送偏移约束、端到端延迟约束、接受窗口约束和队列资源约束；同步流型流量调度模块，用于以吞吐量最大为目标，以无等待整形器的特定约束作为约束条件，将所述同步流类型的时间敏感流量映射至同步流队列，以实现对所述同步流类型的时间敏感流量的传输；所述无等待整形器的特定约束，包括：出端口时间约束、零抖动约束和传输开始时间约束。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实施例提出了一种热轧控制系统中确定性资源调度方法及系统，按照流量占用资源的大小对周期性的时间敏感流量进行降序排列，得到降序流量序列；以吞吐量最大为目标，以时隙偏移约束作为约束条件，按照偏移量逐次递减的贪心策略，对降序流量序列中周期性的时间敏感流量的时隙进行偏移，并将时隙偏移后的降序流量序列映射至循环
流队列，以实现对周期性的时间敏感流量的传输，这样对不同流量施加不同偏移量，充分利用了双队列模型的循环流队列中的空闲队列资源，能提高时间敏感流量的传输效率；以吞吐量最大为目标，以无等待整形器的特定约束作为约束条件，将同步流类型的时间敏感流量映射至同步流队列，以实现对同步流类型的时间敏感流量的传输，这样面对时隙偏移带来的抖动增加的问题，为同步流类型的时间敏感流量单独开辟一条传输通道，同时通过无等待整形器实现零抖动传输，提高了时间敏感流量的传输稳定性。本发明为热轧控制系统提供了确定性网络服务，提高了热轧控制系统中确定性资源调度过程的数据传输效率和传输稳定性，满足了关键流量的实时性需求。
附图说明
15.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例提供的热轧控制系统中确定性资源调度方法的流程图；图2为本发明实施例提供的传输链路图；图3为本发明实施例提供的调度前的时隙偏移图；图4为本发明实施例提供的调度后的时隙偏移图；图5为本发明实施例提供的同步流类型时间敏感流量单独开辟通道的循环排队模型示意图。
具体实施方式
17.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。
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
19.本发明面向热轧控制系统对于时间敏感类数据的实时传输需求，为解决通信链路资源未充分利用的问题，综合考虑“感 传 控”过程中的关键参数，设计了一种热轧控制系统中确定性资源调度方法，为热轧控制系统提供确定性网络服务，提高了热轧控制系统中确定性资源调度过程的数据传输效率和传输稳定性，以满足关键流量的实时性需求。
20.参见图1，本发明实施例提供的热轧控制系统中确定性资源调度方法，包括：步骤101：获取目标热轧控制系统的流量集合；所述流量集合中包括：周期性的时间敏感流量和同步流类型的时间敏感流量。
21.步骤102：按照流量占用资源的大小对所述周期性的时间敏感流量进行降序排列，得到降序流量序列。时间敏感流量即tt流量。
22.具体的：对周期性的tt流量进行排序时，排序原则为优先映射占用资源较少的周期性的tt流量，因此有四种不同的排序策略，即周期性的tt流量周期长短降序、周期性的tt
流量路径长短升序、周期性的tt流量报文长短降序、周期性的tt流量允许的最大端到端延迟大小升序，按照上述任意一种排序策略来调整不同周期性的tt流量的顺序。
23.步骤103：以吞吐量最大为目标，以时隙偏移约束作为约束条件，按照偏移量逐次递减的贪心策略，对所述降序流量序列中周期性的时间敏感流量的时隙进行偏移，并将时隙偏移后的降序流量序列映射至循环流队列，以实现对所述周期性的时间敏感流量的传输。循环流队列是基于循环排队转发机制（cyclic queuing and forwarding model，cqf）实现流量传输。
24.偏移量逐次递减的贪心策略，具体的：对于周期性的tt流量的起始时隙偏移，优先对于占用资源较少的周期性的tt流量施加偏移量，并且施加的偏移量是依次减小的，对于排序在前的周期性的tt流量施加较大的偏移量，为后续的周期性的tt流量预留较大的可偏移时隙，依次递减，从而有效的利用循环流队列的空闲队列资源。
25.吞吐量的目标函数为：；其中，为吞吐量，n为调度成功的数据流的总大小，delay为调度成功的数据流的总时延；n
syn
为调度成功的周期性的tt流量的总大小，delay
syn
为调度成功的周期性的tt流量的总时延；n
cly
为调度成功的同步流类型的tt流量的总大小，delay
cly
为调度成功的同步流类型的tt流量的总时延；n
nor
为调度成功的非tt流量的总大小，delay
nor
为调度成功的非tt流量的总时延；k为tt流量的加权系数。
26.并且：其中n
cly
为调度成功的周期性的tt流量的个数，n
syn
为调度成功的同步流类型的tt流量的个数。fi为周期性的tt流量中的第i个数据流；fr为同步流类型的tt流量中的第r个数据流。fi·
offset为周期性的tt流量中第i个数据流的偏移量；lenofslot为时隙长度，fi·
hop为周期性的tt流量中第i个数据流经过的跳数。fr·
hop为同步流类型的tt流量中第r个数据流经过的跳数，d prop
为传输延迟，d proc
为处理延迟，为同步流类型的tt流量中第r个数据流在第k个交换机上的传输时间。
27.所述时隙偏移约束包括：帧发送偏移约束、端到端延迟约束、接受窗口约束和队列资源约束。具体的：所述帧发送偏移约束为：fi·
offset＜fi·
period/lenofslot；其中，fi·
period为周期性的时间敏感流量中第i个数据流的周期。帧发送偏移约束即对数据流起始时隙施加的偏移量不能大于其周期。
28.所述端到端延迟约束为：fi·
offset
×
lenofslot （fi·
hop 1）
×
lenofslot＜fi·
deadline；其中，fi·
deadline为周期性的时间敏感流量中第i个数据流到达目的节点的时间限制。端到端延迟约束即对起始时隙施加的偏移量必须要满足数据流的最大端到端延迟。
29.所述接受窗口约束为：lenofslot＞lenofcqf/b；其中，lenofcqf为循环流队列的队列长度；b为周期性的时间敏感流量的数据包在链路上的发送速率。接受窗口约束即上下游的交换机发送、接受报文的时隙应该相同。
30.所述队列资源约束为：；其中，fi·
size为周期性的时间敏感流量中第i个数据流的尺寸；为t1时隙内经过循环流队列的全部数据流的长度；n为t1时隙内经过循环流队列的周期性的时间敏感流量的数据流的总数量；o（fi, m1, e1, l1, t1）表示周期性的时间敏感流量，m1为周期性的时间敏感流量中第i个数据流的报文，e1为周期性的时间敏感流量中第i个数据流经过的交换机，l1为周期性的时间敏感流量中第i个数据流经过的交换机的端口，t1为周期性的时间敏感流量中第i个数据流的报文经过交换机的时隙。队列资源约束即某时隙内经过一段链路的tt流量的数据帧的长度不能大于缓存队列的长度。
31.步骤104：以吞吐量最大为目标，以无等待整形器的特定约束作为约束条件，将所述同步流类型的时间敏感流量映射至同步流队列，以实现对所述同步流类型的时间敏感流量的传输。所述无等待整形器的特定约束，包括：出端口时间约束、零抖动约束和传输开始时间约束。
32.所述出端口时间约束为：t
j ‑ꢀ
t
r ≥ d
r,k ‑
( d
j,k-1 d prop
d proc
)；其中，t
j 为同步流类型的时间敏感流量中第j个数据流在源主机的传输开始时间；tr为同步流类型的时间敏感流量中第r个数据流在源主机的传输开始时间；第r个数据流的传输时间早于第j个数据流的传输时间；d
r,k
为第r个数据流传输到第k个交换机的累积网络延迟；d
j,k-1
为第j个数据流传输到第k-1个交换机的累积网络延迟；k≥2。具体的：1个交换机的累积网络延迟；k≥2。具体的：
filtering and policing，psfp）定义流的管理与过滤功能。
42.步骤s3、利用基于流量可偏移时隙降序的资源调度算法，对周期性的tt流量进行调度，按照不同流量占用资源大小降序的方式调整流的顺序，并建立一个吞吐量的目标函数，具体函数表达式在此不再赘述。
43.步骤s4、排序后，在循环流队列传输周期性的tt流量的源端对时隙进行偏移，其中数据流的物理传输链路如图2所示，具体偏移方式如图3和图4所示；采用偏移量逐次递减的贪心策略，从可容许偏移量最大的数据流进行映射，为后映射的数据流预留偏移量依次减小的时隙。时隙偏移约束在此不再赘述。
44.图2中，实线箭头表示物理链路，虚线箭头表示数据流传输路径，f1指主机1到交换机2的第1个数据流，f2指主机1到交换机2的第2个数据流，f3指主机2到交换机2的一个数据流。f1、f2和f3的参数如表1所示。
45.表1 数据流参数表图3和图4中，f1.1是数据流f1的第一个数据帧，f1.2是数据流f1的第二个数据帧，f2.1是数据流f2的第一个数据帧，f2.2是数据流f2的第二个数据帧，f3.1是数据流f3的第一个数据帧，f3.2是数据流f3的第二个数据帧。
46.参见图3，主机1的数据流f1的数据帧f1.1和数据流f2的数据帧f2.1，同主机2的数据流f3的数据帧f3.1同时到达交换机1，但是交换机1的缓存队列长度有限，f1.1、f2.1、f3.1三个数据帧的长度超过了缓存队列的长度，此时不得不将f3.1丢弃，让其在下一周期重新发送，同时后续的f1.2和f2.2传输分布不规则是因为两个数据流的周期并不相同。
47.参见图4，将数据流f3的第一个数据帧f3.1的传输开始时间向后偏移一个时隙，此时交换机的缓存队列在时隙0只有f1.1和f2.1到达。此时数据帧的长度并未超过缓存队列上限，不会发生数据帧丢失，而数据流f3的第一个数据帧f3.1在时隙1到达交换机，数据帧长度也未超过缓存队列上限，这样经过一个偏移，原本会产生丢失的传输过程，却能够正常传输，减小了传输时延，对数据流f3后续数据帧执行相同操作就能够达到减小数据流传输时延的目的。
48.步骤s5、对于同步流类型的tt流量，将进入优先级为7的队列，其队列模型如图5所示，并将由无等待整形器进行调度，无等待整形器的特定约束在此不再赘述。
49.图5中，共有q7-q0八个队列，优先级分别为7-0，传输队列优先级从左到右依次减小，其中同步流类型的tt流量组成的同步流队列经由优先级为7的q7队列进行传输。
50.周期性的tt流量组成的循环流队列经由优先级为6、5的q6、q5队列进行传输，这里选择两个队列传输周期性的tt流量是利用乒乓队列来传输，是对ieee802.1qci协议中确定性时延的实现，与其他队列相比该队列多了两个输入门，也是该机制的实现方法。
51.而非tt流量组成的尽力而为流量的队列经由优先级为4-0的q4-q0的队列进行传输。
52.而输出门对应的门控列表是实现队列优先级的关键，例如在队列时间t0，即传输的最开始，此时由同步流类型的tt流量进行传输，此时q7队列的输出门打开（o），其他队列的输出门关闭（c），等传输完毕后，再打开q6、q5的输出门，循环流队列再进行传输，这里的q6、q5交替打开，是由于其依赖的乒乓队列传输机制导致的，等其传输完毕后再打开q4-q0队列的输出门。从而实现优先级高的队列先传输，优先级低的队列后传输。
53.本实施例首先定义热轧控制系统中不同数据流的特征参数，然后利用逐流过滤与监管机制(psfp)对数据流进行过滤和分配队列，然后利用基于流量可偏移时隙降序的资源调度算法对不同的时间敏感流施加不同的偏移量，最后利用循环排队转发机制(cqf)和无等待整形器传输时间敏感流量。本发明为工业现场具备最高优先级的tt流量提供确定性时间延迟范围，并且充分利用了cqf队列模型的空闲资源，还能为同步流类型的tt流量提供零抖动确定性网络服务。
54.本发明还提供了一种热轧控制系统中确定性资源调度系统，包括：流量获取模块，用于获取目标热轧控制系统的流量集合；所述流量集合中包括：周期性的时间敏感流量和同步流类型的时间敏感流量。
55.降序排列模块，用于按照流量占用资源的大小对所述周期性的时间敏感流量进行降序排列，得到降序流量序列。
56.周期性流量调度模块，用于以吞吐量最大为目标，以时隙偏移约束作为约束条件，按照偏移量逐次递减的贪心策略，对所述降序流量序列中周期性的时间敏感流量的时隙进行偏移，并将时隙偏移后的降序流量序列映射至循环流队列，以实现对所述周期性的时间敏感流量的传输；所述时隙偏移约束包括：帧发送偏移约束、端到端延迟约束、接受窗口约束和队列资源约束。
57.同步流型流量调度模块，用于以吞吐量最大为目标，以无等待整形器的特定约束作为约束条件，将所述同步流类型的时间敏感流量映射至同步流队列，以实现对所述同步流类型的时间敏感流量的传输；所述无等待整形器的特定约束，包括：出端口时间约束、零抖动约束和传输开始时间约束。
58.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
59.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。