本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域和實(shí)時(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及到一種面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的端口帶寬優(yōu)化方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，現(xiàn)代分布嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的發(fā)展為其參數(shù)配置問題帶來了新的挑戰(zhàn)。在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)、霧計(jì)算、智能制造等新場(chǎng)景下，不僅需要確保時(shí)間關(guān)鍵流量傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，同樣需要提供大帶寬以傳輸海量的非時(shí)間關(guān)鍵性流量。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(time-sensitivenetworking，tsn)是一項(xiàng)正在發(fā)展中的以太網(wǎng)協(xié)議，其在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造以支持確定性的流量傳輸。tsn協(xié)議中定義了多種保障流量傳輸實(shí)時(shí)性的調(diào)度機(jī)制，如何高效地對(duì)tsn網(wǎng)絡(luò)的帶寬配額參數(shù)進(jìn)行配置，在保證關(guān)鍵流量傳輸實(shí)時(shí)性的前提下提升帶寬利用率，是一個(gè)開放性問題。

2、針對(duì)tsn網(wǎng)絡(luò)的端口帶寬的配額分配問題，現(xiàn)有算法在對(duì)于可行解的搜索和驗(yàn)證階段，會(huì)產(chǎn)生巨大的時(shí)間開銷，且通常會(huì)造成較大的帶寬浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明主要解決如何高效地對(duì)tsn網(wǎng)絡(luò)的配額參數(shù)進(jìn)行配置，在保證關(guān)鍵流量傳輸實(shí)時(shí)性的前提下提升帶寬利用率，本發(fā)明公開了一種面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的端口帶寬優(yōu)化方法和裝置。

2、本技術(shù)實(shí)施例第一方面，公開了一種面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的端口帶寬優(yōu)化方法，基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)tsn來實(shí)現(xiàn)，所述tsn包括端節(jié)點(diǎn)和交換節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括若干個(gè)輸入端口和輸出端口；數(shù)據(jù)流量由輸入端節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過交換節(jié)點(diǎn)發(fā)送至輸出端節(jié)點(diǎn)；端口包括若干個(gè)隊(duì)列；數(shù)據(jù)流量包括若干個(gè)幀；數(shù)據(jù)流量分為時(shí)間關(guān)鍵流量和非時(shí)間關(guān)鍵流量；所述方法包括：

3、s1，獲取流量信息集合、輸出端口鏈路速率和網(wǎng)絡(luò)所有傳播路徑中的跳數(shù)最大值；所述流量信息集合，包括時(shí)間關(guān)鍵流量類別數(shù)nc和每個(gè)時(shí)間關(guān)鍵流量信息、流量類別總數(shù)n(即時(shí)間關(guān)鍵和非時(shí)間關(guān)鍵流量類別數(shù)之和)；所述時(shí)間關(guān)鍵流量信息，包括時(shí)間關(guān)鍵流量的最大幀長(zhǎng)、端到端截止期限、傳播路徑、最小幀間隔和類信息；

4、s2，對(duì)所述流量信息集合進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理信息集合；

5、s3，對(duì)所述預(yù)處理信息集合和流量信息集合進(jìn)行第一計(jì)算處理，得到局部截止期限集合；所述局部截止期限集合，包括每一類時(shí)間關(guān)鍵流量對(duì)所有輸出端口的局部截止期限；

6、s4，對(duì)所述流量信息集合、輸出端口鏈路速率、預(yù)處理信息集合和局部截止期限集合進(jìn)行第二計(jì)算處理，得到所有輸出端口的最優(yōu)帶寬配額分配值，完成對(duì)所述時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的端口帶寬優(yōu)化。

7、所述對(duì)所述流量信息集合進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理信息集合，包括：

8、對(duì)每個(gè)時(shí)間關(guān)鍵流量，計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的輸入端節(jié)點(diǎn)的突發(fā)度和到達(dá)速率；時(shí)間關(guān)鍵流量f的輸入端節(jié)點(diǎn)的突發(fā)度的計(jì)算表達(dá)式為：

9、

10、其中，lf為時(shí)間關(guān)鍵流量f的最大幀長(zhǎng)；

11、時(shí)間關(guān)鍵流量f的輸入端節(jié)點(diǎn)的到達(dá)速率的計(jì)算表達(dá)式為：

12、

13、其中，tf為時(shí)間關(guān)鍵流量f的最小幀間隔；

14、確定所有時(shí)間關(guān)鍵流量對(duì)應(yīng)的輸入端節(jié)點(diǎn)的突發(fā)度和到達(dá)速率，為預(yù)處理信息集合。

15、所述對(duì)所述預(yù)處理信息集合和流量信息集合進(jìn)行第一計(jì)算處理，得到每一類時(shí)間關(guān)鍵流量對(duì)各輸出端口的局部截止期限集合，包括：

16、s31，確定第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的數(shù)據(jù)流量對(duì)應(yīng)的輸入端節(jié)點(diǎn)，為所述第i類的時(shí)間關(guān)鍵流量的數(shù)據(jù)流量對(duì)應(yīng)的參考節(jié)點(diǎn)，確定所述參考節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的局部截止期限，為第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的參考局部截止期限

17、s32，基于所述預(yù)處理信息集合和流量信息集合，構(gòu)建得到第一局部截止期限計(jì)算模型；

18、所述第一局部截止期限計(jì)算模型的表達(dá)式為：

19、

20、其中，為第i類時(shí)間關(guān)鍵流量在輸出端口h的局部截止期限；表示在輸出端口h處排隊(duì)輸出的第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的集合；h為按照數(shù)據(jù)流量從輸入端節(jié)點(diǎn)到輸出端節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的輸出端口的編號(hào)，h＝0時(shí)，表示參考節(jié)點(diǎn)的輸出端口；表示在參考節(jié)點(diǎn)的輸出端口處排隊(duì)輸出的第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的集合；表示數(shù)據(jù)流f的傳播路徑上在輸出端口h之前的全部輸出端口的集合；h′表示數(shù)據(jù)流f的傳播路徑上在輸出端口h之前的輸出端口的序號(hào)；表示輸出端口h′的第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的局部截止期限；

21、s33，對(duì)所述第一局部截止期限計(jì)算模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，得到第二局部截止期限計(jì)算模型；

22、所述第二局部截止期限計(jì)算模型的表達(dá)式為：

23、

24、其中，為第i類時(shí)間關(guān)鍵流量在輸出端口h的第二局部截止期限計(jì)算模型的第n項(xiàng)系數(shù)，m為網(wǎng)絡(luò)所有傳播路徑中的跳數(shù)最大值；

25、s34，基于流量信息集合，構(gòu)建得到第一約束不等式集合；

26、所述第一約束不等式集合的表達(dá)式為：

27、

28、其中，rf表示數(shù)據(jù)流f的傳播路徑上的所有輸出端口的集合，表示第1個(gè)時(shí)間關(guān)鍵流量的傳播路徑上的所有輸出端口的集合，依次類推，表示第b個(gè)時(shí)間關(guān)鍵流量的傳播路徑上的所有輸出端口的集合；表示第i個(gè)時(shí)間關(guān)鍵流量的端到端截止期限；n為tsn網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間關(guān)鍵流量的數(shù)目；

29、s35，對(duì)所述第一局部截止期限計(jì)算模型、第二局部截止期限計(jì)算模型和第一約束不等式集合進(jìn)行聯(lián)合求解處理，得到每一類時(shí)間關(guān)鍵流量對(duì)各輸出端口的局部截止期限集合。

30、所述對(duì)所述第一局部截止期限計(jì)算模型、第二局部截止期限計(jì)算模型和第一約束不等式集合進(jìn)行聯(lián)合求解處理，得到局部截止期限集合，包括：

31、s351，對(duì)第i類時(shí)間關(guān)鍵流量，求解出h＝0條件下，滿足第一約束不等式集合的的最大值，確定所述最大值，為所述第二局部截止期限計(jì)算模型中的實(shí)際數(shù)值；

32、s352，對(duì)輸出端口h，利用所述第二局部截止期限計(jì)算模型，對(duì)所述實(shí)際數(shù)值進(jìn)行計(jì)算處理，得到輸出端口h對(duì)第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的局部截止期限；

33、s353，對(duì)所有類時(shí)間關(guān)鍵流量的每個(gè)輸出端口，執(zhí)行s351和s352，得到每一類時(shí)間關(guān)鍵流量對(duì)所有輸出端口的局部截止期限；

34、s354，利用每一類時(shí)間關(guān)鍵流量對(duì)所有輸出端口的局部截止期限，構(gòu)建得到局部截止期限集合。

35、所述對(duì)所述流量信息集合、輸出端口鏈路速率、預(yù)處理信息集合和局部截止期限集合進(jìn)行第二計(jì)算處理，得到所有輸出端口的最優(yōu)帶寬配額分配值，包括：

36、s41，對(duì)所述預(yù)處理信息集合進(jìn)行計(jì)算處理，得到每個(gè)輸出端口的聚合到達(dá)數(shù)據(jù)量；

37、所述聚合到達(dá)數(shù)據(jù)量的計(jì)算表達(dá)式為：

38、

39、其中，t表示時(shí)間間隔，表示一個(gè)第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的輸入端節(jié)點(diǎn)的輸出端口的在時(shí)間間隔t內(nèi)的最大到達(dá)數(shù)據(jù)量，表示一個(gè)第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的輸入端節(jié)點(diǎn)的到達(dá)速率，表示一個(gè)第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的輸入端節(jié)點(diǎn)突發(fā)度，h-表示端口h的前序端口的序號(hào)，表示一個(gè)第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的輸出端口h的在時(shí)間間隔t內(nèi)的最大到達(dá)數(shù)據(jù)量，表示第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的輸出端口h處的在時(shí)間間隔t內(nèi)的聚合到達(dá)數(shù)據(jù)量，表示tsn網(wǎng)絡(luò)中所有輸出端口的集合，表示從輸出端口h-離開并在輸出端口h處排隊(duì)輸出的第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的集合，表示輸出端口h-的在時(shí)間間隔t內(nèi)的鏈路整形函數(shù)，c表示輸出端口的鏈路速率，表示從輸出端口h-到輸出端口h的傳輸路徑上的第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的幀長(zhǎng)最大值；

40、s42，基于所述聚合到達(dá)數(shù)據(jù)量、流量信息集合、輸出端口鏈路速率和局部截止期限集合，構(gòu)建得到端口總帶寬配額值優(yōu)化模型；

41、所述端口總帶寬配額值優(yōu)化模型的表達(dá)式為：

42、

43、其中，μh,max(qh)表示在輸出端口h的總帶寬配額值為qh的情況下提供給非時(shí)間關(guān)鍵流的最大帶寬比例，μh,max(qh)為關(guān)于qh的函數(shù)；k為遍歷標(biāo)號(hào)；表示在輸出端口h排隊(duì)的第i類流量的最大幀長(zhǎng)；表示在輸出端口h的總帶寬配額值為qh的情況下，使得第i類時(shí)間關(guān)鍵流量中的所有數(shù)據(jù)流量在輸出端口h完成輸出時(shí)，不超過其對(duì)應(yīng)的局部截止期限的最小帶寬占比；所述帶寬占比，是指第i類時(shí)間關(guān)鍵流量分配得到的帶寬配額與總帶寬配額值的比例；表示類別i和輸出端口h的第一計(jì)算系數(shù)，表示類別i和輸出端口h的第二計(jì)算系數(shù)，表示類別i和輸出端口h的第三計(jì)算系數(shù)，c表示輸出端口的鏈路速率，表示所述聚合到達(dá)數(shù)據(jù)量對(duì)于變量t的函數(shù)曲線的橫坐標(biāo)值最大的間斷點(diǎn)的坐標(biāo)，lh表示輸出端口h上傳輸?shù)乃蓄悇e的數(shù)據(jù)流量的對(duì)應(yīng)的最大幀長(zhǎng)的總和，即表示集合中的第k大的元素，表示所述集合中第i個(gè)元素；lh是通過得到輸出端口h上傳輸?shù)乃蓄悇e的數(shù)據(jù)流量的對(duì)應(yīng)的最大幀長(zhǎng)后，再對(duì)所有類別的最大幀長(zhǎng)求總和得到。

44、s43，對(duì)所述端口總帶寬配額值優(yōu)化模型進(jìn)行求解處理，得到每個(gè)輸出端口的最優(yōu)總帶寬配額值；

45、s44，對(duì)每個(gè)輸出端口的最優(yōu)總帶寬配額值分別進(jìn)行約束計(jì)算處理，得到所有輸出端口的各個(gè)流量類別的最優(yōu)帶寬配額分配值。

46、所述對(duì)所述端口總帶寬配額值優(yōu)化模型進(jìn)行求解處理，得到每個(gè)輸出端口的最優(yōu)總帶寬配額值，包括：

47、s431，在所述端口總帶寬配額值優(yōu)化模型的μh,max(qh)函數(shù)的每個(gè)分段子區(qū)間內(nèi)，分別搜索得到每個(gè)分段子區(qū)間對(duì)應(yīng)的最大帶寬比例取值的極大值；搜索得到所有分段子區(qū)間對(duì)應(yīng)的極大值中的最大值；根據(jù)μh,max(qh)函數(shù)，確定出所述最大值對(duì)應(yīng)的qh；確定所述最大值對(duì)應(yīng)的qh，為輸出端口h的最優(yōu)總帶寬配額值qh,opt；

48、s432，對(duì)每個(gè)輸出端口，執(zhí)行s431，得到每個(gè)輸出端口的最優(yōu)總帶寬配額值。

49、所述對(duì)每個(gè)輸出端口的最優(yōu)總帶寬配額值分別進(jìn)行約束計(jì)算處理，得到所有輸出端口的各個(gè)流量類別的最優(yōu)帶寬配額分配值，包括：

50、s441，對(duì)每個(gè)輸出端口的最優(yōu)總帶寬配額值，分別計(jì)算得到每一類時(shí)間關(guān)鍵流量的帶寬配額比例最小值；

51、s442，所述帶寬配額比例最小值的計(jì)算表達(dá)式為：

52、

53、其中，為總帶寬配額值為qh的情況下，輸出端口h的第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的帶寬配額比例最小值，為帶寬配額比例最小值計(jì)算函數(shù)；

54、s443，對(duì)每個(gè)輸出端口的各個(gè)流量類的帶寬配額比例最小值進(jìn)行最優(yōu)帶寬配額分配值計(jì)算處理，得到所有輸出端口的各個(gè)流量類別的最優(yōu)帶寬配額分配值；

55、所述最優(yōu)帶寬配額分配值計(jì)算處理的表達(dá)式為：

56、

57、其中，為輸出端口h的第i類時(shí)間關(guān)鍵流量的最優(yōu)帶寬配額分配值。

58、本技術(shù)實(shí)施例第二方面，公開了一種面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的端口帶寬優(yōu)化裝置，所述裝置包括：

59、存儲(chǔ)有可執(zhí)行程序代碼的存儲(chǔ)器；

60、與所述存儲(chǔ)器耦合的處理器；

61、所述處理器調(diào)用所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的所述可執(zhí)行程序代碼，執(zhí)行所述的面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的端口帶寬優(yōu)化方法。

62、本技術(shù)實(shí)施例第三方面，公開了一種計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令被計(jì)算機(jī)調(diào)用時(shí)，用于執(zhí)行所述的面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的端口帶寬優(yōu)化方法。

63、本技術(shù)實(shí)施例第四方面，公開了一種信息數(shù)據(jù)處理終端，所述信息數(shù)據(jù)處理終端用于實(shí)現(xiàn)如所述的面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的端口帶寬優(yōu)化方法。

64、本發(fā)明的有益效果為：

65、為了解決端口帶寬的配額分配的傳統(tǒng)方法運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、帶寬利用率低的問題，本發(fā)明提出了一種面向tsn網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度器帶寬優(yōu)化配置方法，在保障時(shí)間關(guān)鍵流量傳輸實(shí)時(shí)性的前提下實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)級(jí)別的帶寬利用率最大化，具有高效性和良好的可擴(kuò)展性，能夠被應(yīng)用于運(yùn)行時(shí)間或算力受限的工程場(chǎng)景。

66、本發(fā)明提出了一種面向tsn網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度器帶寬優(yōu)化配置方法，并開發(fā)了一種高效的基于局部解析解的數(shù)值逼近算法用于求解最優(yōu)的帶寬配額分配方案。相比傳統(tǒng)的基于驗(yàn)證的網(wǎng)絡(luò)配置方法，本發(fā)明在保障關(guān)鍵流量傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性的前提下，具有更高的帶寬利用率；本發(fā)明利用局部最優(yōu)解的解析表達(dá)式極大地縮減了搜索空間，具有極低的運(yùn)行時(shí)間復(fù)雜度。

67、本發(fā)明通過建立帶寬優(yōu)化配置模型，并采用“基于局部解析解”的數(shù)值逼近方法對(duì)模型進(jìn)行求解，該方法是在局部解析解基礎(chǔ)之上進(jìn)行搜索，以縮小搜索空間，區(qū)別于傳統(tǒng)的盲目搜索，具有帶寬利用率高、求解快的優(yōu)點(diǎn)。