Research on Traffic Scheduling Algorithm in Time-Sensitive Networking

时间敏感网络（Time-Sensitive Networking，TSN）是一种可以提供高可靠通信保障的新一代以太网技术，它在标准以太网的基础上，利用时间同步、流量整形与网络配置等技术来满足多种复杂流量混合传输的端到端时延、抖动要求。目前，TSN被认为是工业互联网、自动驾驶等场景中主要的确定性通信以太网技术，也是学术界、产业界的研究热点。其中，IEEE 802.1Qbv通过时间感知整形器（Time-Aware Shaper, TAS），并结合门控列表（Gate Control List，GCL），使报文按照确定的时间在网络中转发。GCL是Qbv实现调度的基础，但是GCL需要基于网络拓扑、流量发送周期、时延要求、报文长度等多种参数计算生成，对调度算法的质量和效率要求极高。目前，TSN调度还存在以下不足：采用超周期作为端口调度周期导致求解出的GCL中需要配置的时隙条目较多；求解器调度执行时间较长；缺乏真实实验场景中的流量调度实验。本文基于Qbv标准，研究并设计调度算法，对TSN中的周期性时间敏感流量进行调度计算，在满足抖动和时延的基础上，制定出网络中所有调度流量的转发策略。本文主要研究内容如下：（1）总结了TSN相关的技术标准，深入研究了TSN调度原理、调度机制，针对TSN的配置问题，利用软件定义网络（Software-Defined Networks, SDN）的思想提出了一种针对工业场景的网络架构，能够对网络进行集中管理和配置。（2）提出了基于Qbv的基本周期调度模型，采用基本周期作为端口GCL的循环周期，可以有效减少GCL中的时隙条目数量，使交换机的配置更加简单高效。基于该模型利用可满足性模理论（Satisfiability Modulo Theories, SMT）构建了一系列的流量传输约束，对流量传输定量分析，利用优化模理论（Optimization Modulo Theories，OMT）提出优化目标。（3）提出增量式调度，每次只调度一条流，根据网络的剩余资源对当前调度的流量进行调度规划。根据基本周期作为调度循环的特点设计了时隙共享和时隙专用两种增量式时隙分配算法。通过改变流的发送周期、调度流的数量以及网络拓扑大小等几个方面的信息，对本文两种算法在调度生成时间、平均端到端时延、最坏情况下的端到端时延和基本周期占用率四个方面对算法进行了评估。此外，与传统的超周期方法相比，本文提出的调度方法在保证低延迟和低抖动的同时可以更快地计算调度结果，有效降低了调度执行时间。（4）设计并搭建了TSN流量调度实验平台，在真实设备中进行流量门控调度测试。设计了多个不同的实验场景，测试GCLs的配置对流量端到端时延、抖动和丢包率的影响，对TSN流量调度的研究提供了一定的参考价值