交换机的时间感知整形器的设计

时间敏感网络(TSN)是应用于未来工业网络实时性的一种增强型以太网技术。作为主要关键技术之一,流量调度机制决定了时间敏感网络数据传输的确定性和实时性,对其进行研究是非常具有价值的。在研究了802.1Qbv标准中所定义的时间感知整形器的实现机制和完整的处理流程的基础上,提出了一种时间感知整形器调度机制的设计。将整个设计在自研的TSN交换机平台上进行组网测试,验证了调度器可支持时间敏感业务流的确定性传输。

一种基于时间感知整形器的TAS-WRR调度算法研究与实现

随着工业4.0概念的提出,工业自动化生产对工业以太网的通信性能提出了更高的要求.当不同类型数据在工业以太网中的交换设备进行转发时,会在发送端口存在排队等待现象,数据通信的实时性和确定性难以保证.针对上述问题,本文将时间敏感网络(Time sensitive network,TSN)引入工业以太网,基于TSN时间感知整形器提出了TAS-WRR(Time Awareness Shaper-Weighted Round Robin,基于时间感知整形器的加权轮询)调度算法.首先,该算法根据通信需求,将数据划分不同优先级.其次,为保证数据通信的周期性和实时性,将通信时间划分周期,并为高优先级的实时数据预留带宽.最后,采用加权轮询调度的方式,在保证高优先级数据通信质量的同时,有效的减少低优先级数据的饥饿现象.通过对比测试,可证明TAS-WRR算法能有效提高不同数据流在交换设备中调度通信的实时性和确定性.

基于多核网络处理器的时间感知整形技术研究与实现

时间感知整形(Time Aware Shaper,TAS)是时间敏感网络(Time-Sensitive Network,TSN)的关键机制,对于TAS的研究与实现具有重要意义.基于多核网络处理器设计了TAS机制功能模块结构和TAS引擎处理流程,针对由于内核时钟与PTP(Precision Time Protocol)时钟存在误差而导致的时隙长度偏差问题,提出了调整保护时隙算法来校正时隙.最后,基于Cavium多核网络处理器实现了TAS机制,实验结果表明:TAS机制可以按照预配置时隙发包;增加保护时隙调整,可以有效的校正时隙误差,增加TAS机制的鲁棒性.

TSN中时间感知整形器测试方案设计及实现

时间敏感网络(TSN)是支持工业互联网的以太网新标准。TSN通过引入时间感知整形器(TAS)来精确控制不同优先级别的数据帧转发,使以太网能够支持低时延、低时间抖动的确定性服务。对TSN的目的、发展现状以及主要标准进行了叙述,结合TAS的基本原理和工作流程,提出了TAS的测试方案,将其划分为几个独立的部分,采用观察测试流量通过每个部分后特征变化的测试方法,并完成了测试设计和测试验证,测试结果证明了测试方案的有效性。

时间感知整形调度技术研究

IEEE时间敏感网络TSN(Time Sensitive Network)工作组专门致力于在标准以太网上增加实时传输能力,并于2016年公布了IEEE802.1Qbv标准,提出了时间感知整形TAS(Time Aware Shaper)方案,引起学术界广泛关注。TAS虽然隔离了普通流对时间敏感流的影响,但是在每个节点,TAS为这些流分配了同一个缓存队列,然而标准没有讨论如何隔离同一队列中时间敏感流之间的影响。本文针对多条时间敏感流缓存于同一队列导致的时延抖动问题,分析了采用边界条件限制的解决方案存在的扩展性问题和带宽利用率问题,提出了采用多队列缓存的TAS问题模型,并进一步阐述了TAS问题研究思路。

时间敏感网络流量整形技术综述

在保持与标准以太网兼容的基础上,基于以太网协议的时间敏感网络(TSN)通过建立网络时间同步、流量调度等手段,使得网络同时具备传输实时信号的能力.流量整形作为TSN关键技术,在解决时间敏感流传输的实时性和确定性问题方面至关重要.TSN目前主要的流量整形措施有4种,包括基于信用的整形技术(CBS)、时间感知整形调度技术(TAS)、周期性排队与转发调度技术(CQF)和帧抢占技术.本文对这4种流量调度机制的工作原理、运行机制进行了全面的介绍,通过分析各算法的特点,梳理不同应用场景下流量调度的优选策略.

一种应用于大规模时间敏感网络的混合流量调度机制

针对仅能保证设备间频率同步的大规模时间敏感网络(TSN,time-sensitive networking)场景,提出一种时间感知整形(TAS,time-aware shaper)结合指定周期的排队和转发(CSQF,cycle specified queuing and forwarding)的混合流量调度机制。首先,研究位于不同时间域内的两个相邻节点间实现周期循环映射对齐的方案;其次,结合段路由技术,提出一种基于CSQF机制的联合路由和调度的启发式算法,完成对大带宽流量的资源分配。实验结果表明,相较于现有方案,所提方案大幅度提升了系统资源利用率及调度成功率,实现了广域网场景下的TSN高效流量调度。

机载时间敏感网络流量调度算法性能研究

时间敏感网络是由IEEE802.1工作组开发的一套确定性实时通信的协议标准,定义了以太网传输的时间敏感机制,适用于机载安全关键系统网络通信;流量调度机制可以有效保证机载时间敏感网络实时可靠通信,时间感知整形器和帧抢占是典型的TSN流量调度算法,目前还没有针对机载业务的传输需求进行性能评估;通过分析TSN系统架构及调度算法的核心特性,基于机载网络拓扑,提出一个机载时间敏感网络的数据流传输时延模型,并进行了数学推导,使用离散仿真工具构建TSN网络仿真平台,对3种典型网络流量调度算法进行验证,得到了流量传输时延性能的上界值,分析了流特性参数对调度算法选择的影响;最后,对机载应用流量调度算法的选择进行了总结。

HSTC:TSN中的混合流量调度机制

针对借助时间敏感网络(TSN)实现工业网络中混合流高效传输的问题,提出了一种结合时间感知整形与循环排队转发的混合流量调度机制。该机制通过求解网络最小时隙并调整预订流量采样周期,大幅降低时间敏感流对传输资源的占用;并针对流预留流,提出奇偶映射方案及流偏移规划算法,实现对大带宽流的调度规划。仿真结果表明,所提机制的系统带宽利用率可达88%,并提升52%的网络调度成功率上界,实现了TSN中混合流的高效调度。

基于时分复用的轻量型自适应调度算法

提出一种基于时分复用、按照调度时间段(即传输时间)的轮询调度机制。该机制可调度周期流量和突发流量,不依赖时间同步且无带宽浪费,同时兼容时间感知整形机制,并给出一种求解传输时间的简单方法。实验表明,该算法对周期流量和突发流量均可有效调度。

基于TSN的智能变电站流量确定性传输

针对智能变电站三层两网及点对点传输架构存在的布线复杂和运维效率低下的问题,设计了一种基于时间敏感网络(TSN)的智能变电站“全站共网”的组网方案,以实现多种类型智能变电站报文在同一网络中混合传输。考虑到智能变电站通信网络流量种类较多,针对较低时延要求的突发性事件报文和周期性报文混合传输带来的不确定性问题,利用IEEE 802.1Qbv中的时间感知整形器功能,对网络中所有具有时延要求的流量进行了调度规划,制定了流量调度约束,并求解了网络设备流量传输的调度参数。设计了两个场景下的仿真实验,将调度参数配置到仿真实验中的TSN节点,使得流量按照求解的时隙进行传输,并对有无Qbv门控调度和背景流量的干扰进行了多组对比实验。实验结果表明,制定的Qbv门控调度策略能够保证智能变电站多种流量的混合传输,具有严格时延要求的流量能够在专门的时隙中进行传输,调度流量不受背景流量的干扰,实现了智能变电站报文的低时延确定性传输。

面向智能汽车的Ethernet AVB网络设计与优化

为确保车载Ethernet AVB网络的传输实时性,在分析智能汽车网络拓扑结构和消息特性基础上,引入预定流量类型,给出面向音视频流和实时控制类消息流混合传输的时间感知整形调度机制;推导出该机制下流预留(SR)类消息的最坏响应时间计算式;给出IEEE标准预留带宽参数配置方法导致网络不可调度的证明,并以超预留带宽最小为目标,以IEEE标准规定的最大预留带宽和SR类消息响应时间为约束,提出Ethernet AVB网络超预留带宽优化设计模型,给出求解该模型的OAPO和OBPO算法。在Vector CANoe中的试验结果表明:与IEEE标准中配置方法相比,所提出的方法不仅可以确保Ethernet AVB网络中各类消息传输的实时性,而且还能使网络预留带宽达到最优,进而更好地满足智能汽车网络高速实时的通信要求。

OPC UA-TSN传输时延实验方法

OPC UA是一种能提供高带宽、高互操作性和高实时性的工业通信协议,它定义了一套通用的数据描述和语法表达方法(信息模型),每个系统都可以采用OPC UA的信息模型,从而实现系统间数据交互和互操作。TSN具备时间同步、数据调度、负载整形等多种优化机制,可保证数据传输的实时性。将OPC UA与时间敏感网络(TSN)相结合,可提供一个实时、高确定性通信网络,将对网络带宽、安全性、互操作、延迟和同步等方面得到较大改善。与现有的OPC UA over TSN测试仅关心终端间往返时延问题不同,提出了一种包含电机同步的OPC UA over TSN测试框架,引入实际TSN交换设备以及实际应用。本测试架构聚焦TSN标准(IEEE 802.1AS和IEEE 802.1Qbv)以及OPC UA标准IEC 62541-14《OPC UA统一架构14部分:Pub/Sub发布订阅》在IT/OT融合中的端到端传输时延测试问题,在不同调度机制以及不同负载条件下,测试了交换机连接的不同分布式控制计算机间链路层及应用层端到端传输时延。实验结果表明,时间感知整形器(TAS)能保证时间敏感流不受链路中竞争流量的影响,且即使在最坏条件下,也能提供确定性传输时延保障。