时间敏感网络流量调度算法研究综述

时间敏感网络（Time-sensitive Networking,TSN）是一种新型确定性网络,具有低时延、低抖动等特点,能够满足现代网络传输控制的要求。流量调度是TSN标准中关键技术之一,用于确保流量传输的服务质量。首先对时间敏感网络的发展背景、重要机制、应用场景进行阐述,着重研究5种时间敏感网络流量调度机制,包括基于时间的整形机制、基于信用值的整形机制、循环队列转发机制、帧抢占机制以及异步流量整形机制;然后,分析了流量调度算法的研究现状,归纳和总结了时间触发（Time-triggered,TT）流和事件触发（Event-triggered,ET）流的调度算法,分析了目前流量调度算法存在的问题;最后,指出了TSN流量调度算法的发展方向和趋势。     

一种基于时间敏感网络的变电站确定性网络架构优化方法

新型智能变电站网络基于传统以太网尽力而为转发机制,在突发大流量时难以保证敏感流量可靠传输。文中提出一种基于TSN（时间敏感网络）的变电站网络架构优化方法,根据敏感SV报文的传输特性,采用TSN协议簇中IEEE802.1Qbv、IEEE 802.1AS结合的时间门控调度机制,在敏感流量到来的时隙开辟专用通道保证其以最佳时延通过;采用TSN协议簇中IEEE 802.1Qci技术对网络所有流量进行过滤管理,保障敏感流量能进入专用通道并阻挡其他流量误入。经模拟变电站实际场景组网验证表明,相对于传统以太网,时间敏感网络能确保网络拥塞时敏感流量能够以最大时延2.17μs、平均抖动0.16μs的最佳时延抖动传输。     

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(T...     

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。     

基于门控制的星载时间敏感网络调度算法

空间信息网络中时间敏感业务的实时性、确定性和可靠性要求对基于存储转发方式的传统以太网交换提出巨大挑战。提出一种基于门控制的星载时间敏感网络调度算法,设计星载时间敏感网络交换方案;针对卫星业务突发的特点,提出一种基于时分复用的门控制列表生成方法,对该调度算法在不同业务流量特征背景下的确定性时延及时延抖动性能进行仿真分析。仿真结果表明,所提算法的最小时延减小至10 μs量级,最小时延抖动为0,满足空间时间时敏业务的确定性传输要求,提高了空间信息网络业务传输的确定性、可靠性、灵活性。     

面向带宽碎片最小化和QoS保障的数据中心网络流量调度算法

随着数据中心网络流量的迅速增长,如何提高数据中心网络性能和服务质量成为了研究热点。然而现有的流量调度算法在网络负载加大时,一方面会导致网络带宽碎片化从而使得网络吞吐量降低,另一方面忽视了流量应用需求导致网络服务质量较差。为此,该文提出一种面向带宽碎片最小化和QoS保障的动态流量调度算法,算法综合考虑了带宽敏感的大流、时延与丢包敏感的小流的不同需求,首先根据待调度流的源地址和目的地址建立最短路径集,其次从中筛选出满足待调度流的带宽需求的所有路径,然后根据路径剩余带宽信息和小流应用需求情况为每条路径建立权重函数,最后根据权重函数值利用轮盘赌算法选择转发路径。实验仿真结果显示,与其它算法相比,所提算法降低了小流的丢包率和时延,同时在网络负载较大时提升了网络吞吐量。     

一种基于OpenFlow的多路径传输机制

针对高连通度数据中心网络存在吞吐量低、网络负载均衡差等流量工程问题,该文提出一种基于OpenFlow的多路径传输(OpenFlow based Multipath Transmission, OFMT)机制。借助OpenFlow集中控制的优势,OFMT为每条流精确计算传输路径,将网络中的流量优化分配到端到端的多条路径上,并通过周期性轮询和动态调度实现良好的负载均衡,进而提高数据中心网络吞吐量。实验结果表明,在相同的网络流量负载下,OFMT与较典型数据中心传输协议相比,有效提高了网络的吞吐量,并降低了流完成时间。     

一种基于多跳光旁路的IP over WDM节能网络设计方法

针对IP over WDM网络,基于多跳光旁路和流量疏导,以减少能耗为目标对网络链路配置进行设计;考虑多跳光旁路会增大业务传输距离的问题,分析了光路建立顺序对业务传输距离的影响;通过优先路由短距离业务和限制最大传输跳数来减少业务的平均传输跳数。仿真结果表明,优先建立短距离光路的启发式算法与Dijkstra算法相比可以减少25%～55%的能耗,业务平均物理跳数与Dijkstra算法相差在1跳之内。     

多模态网络中时间敏感网络模态的智能调度机制

针对多模态网络中时间敏感网络模态转发调度不确定、求解时间长等问题,提出了一种基于CSQF的时间敏感网络模态的联合路由与调度机制。综合考虑有界时延需求、网络状态和不同的路由机制,建立联合缓存队列和路由的混合资源调度模型,旨在优化整个网络的资源使用。基于深度强化学习方法,利用流量特征与缓存队列利用率来预测下一循环的缓存利用率。此外,基于多队列CSQF转发调度机制和基于缓存利用率的显式路由算法,提出了一种迭代调度算法,实现了确定性转发和资源分配。仿真结果表明,所提机制可以根据网络的资源使用情况有效地调整确定性应用的传输调度,与其他离线调度机制相比,具有更好的调度性能。     

基于时隙分区的TTE任务调度算法研究

时间触发以太网(TTE)将通信任务通过合理的调度定时触发发送,保证了消息的实时性和安全关键性.提出了一种基于时隙分区的时间触发以太网任务调度算法,该算法通过获取网络拓扑结构中的交换机信息,对各端系统的时刻调度表进行分区,并根据TT流量路由配置信息将其发送时刻配置在相应分区中,从而保证了TT流量在物理链路中的无冲突传输.同时,该算法使分散的网络资源得以整合,减少了RC流量的延迟并且避免了网络资源的浪费.实验结果表明,所提算法在保证TT流量可调度的同时,具有网络资源整合和运算速度方面的优势.     

一种混合WDM网络的实时传输策略

波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)网络应用于实时性网络环境的关键因素是实时传输策略。在混合式WDM网络结构中,研究了子网内的实时调度和子网间的路由策略。其中子网内为星形耦合式WDM网络,分析了区分丢弃-最早时限优先调度法(DDS-EATS)的不足,针对多消息多次调度的问题提出了改进方案。子网间网络采用洗牌型WDM波长路由网,消息路由采用轻载固定路由,重载流量疏导的方法。最后在OPNET仿真平台上,验证了该传输策略下消息的实时传输性能和多次消息调度中改进算法的网络延迟和网络利用率的网络性能。     

基于时间敏感网络的门控调度算法研究

时间敏感网络在标准以太网的基础上通过增加高精度时间同步、资源预留及路径控制、流量整形和业务调度等一系列关键技术,能够保证数据传输的实时性和可靠性。然而,启发式算法在实现门控调度时,数据的周期比过大会导致缓存容量增大和相同优先级数据同时、同向传输时无控制调度等问题。为此,优化改进了门控调度的启发式算法,通过采取数据周期感知和输出缓存长度感知循环等技术,解决了缓存容量不足和时延抖动等问题。仿真结果表明,与传统的启发式算法相比,所提算法在数据周期比超过60倍时能有效减少门控列表90%的存储空间,在相同优先级数据传输情况下平均时延抖动降低了约50%。     

基于快速增量的时间触发以太网优化调度技术

面向航空航天应用的时间触发以太网(TTE)对通信实时性、消息安全性提出了严苛要求,高效的全局静态调度技术有利于充分保障不同消息的服务质量。针对实时性最高的时间触发(TT)消息决定了低优先级速率受限(RC)消息的发送时刻这一问题,提出一种基于快速增量的TTE优化调度技术,通过快速增量基本调度单元回溯修正多跳延迟,优化TT消息静态调度表,提升RC消息传输性能,最后将网络调度算法应用于时间触发航电系统网络拓扑模型进行验证。仿真实验表明：在保障TT消息满足传输约束的情况下,该TTE优化调度技术有效提升了网络实时性能,RC消息的平均端到端延迟最高优化14.08%,最坏端到端延迟最高优化22.86%。     

面向卫星网络的流量工程路由算法

针对卫星网络链路长时延、拓扑时变等特征,将链路传输时延引入并基于MPLS网络中源-目的节点对已知这一先验知识,提出了一种面向卫星网络的MPLS流量工程路由算法。该算法基于卫星网络时变拓扑模型的卫星拓扑快照,定义链路初始权重为链路剩余带宽、传输时延的综合函数,在为当前节点对建路时考虑其余节点对将来建路的可能需求计算链路的关键度,在此基础上通过链路权重的动态调整及延期选用实现流量工程,从而优化卫星网络的链路利用。实验表明,此算法在请求拒绝数、吞吐量、平均跳数及平均时延等方面性能都有较理想的提升。     

机载光纤通道航电网络确定性传输方法

综合化航空电子系统变得越来越复杂，对总线速率和确定性的要求也越来越高，而时间触发传输可以使光纤通道总线具有确定性。针对采用通用时间调度算法较复杂的问题，提出了一种基于分区域调度的时间触发确定性传输方案，采用循环移位调度的通用化方法生成时间调度表。详细介绍了时间确定性传输方法的基本原理、循环移位调度方法以及具体实现方案，最后通过仿真验证表明该方法正确可行。该方法简单易行，可应用于综合化航空电子系统中。     

基于FlexRay静态段快速最优调度算法

FlexRay正成为新一代车载通信网络。为解决FlexRay静态段调度(FSSS)的帧标志(FID)分配难题,该文提出一种基于周期特征的自动模型系数矩阵生成(AMCMG)算法,在大规模FSSS时,可快速得到最优调度模型的各类消息调度属性并确定系统所需的最少FID数;为进一步确定消息相位,并最终得到完整的周期调度表,根据不同周期消息之间调度的兼容性,提出了一种可实现最优规划的基于相位保留规则FID分配(PRFIDA)算法;最后,仿真实验结果表明AMCMG算法能快速正确地建立调度模型,同时PRFIDA算法可以实现消息在已知调度属性时的FID最优分配。     

无线传感器网络中联合路由优化的高能效链路调度

链路调度技术是提高无线传感器网络数据传输可靠性的重要途径.传统的链路调度算法主要关注如何寻找无干扰传输条件下的最小调度帧,而忽视路径选择对链路调度的影响,会导致部分链路的干扰集过大,降低了时隙复用性.针对这一难题,系统分析了链路调度与路径选择及网络能耗的关系,提出联合路径优化的高能效链路调度模型.为加快求解速度,首先通过变量删减及模型转化,提出基于整数规划的最优路由树构建算法;进一步,根据整数规划求解的路由树与链路需求,提出基于最大干扰度优先的启发式链路调度算法.大量仿真实验验证了本文算法的有效性.     

应用DT-MLWDF降低下一代铁路通信业务的丢包率

针对目前铁路通信系统丢包问题,采用最大权重优先算法和最大权重时延优先算法对延时改进,提出基于延时吞吐量算法(DT-MLWDF),找出接近阈值的最大度量业务;然后利用比例算法均衡最大度量业务的吞吐量和数据传输,降低业务丢包率,解决车地实时性(RT)和非实时性业务(NRT)数据的同步传输问题。以往调度算法侧重于商业LTE技术,改进算法是在铁路通信系统中的应用。仿真结果显示,在阈值范围内增加时延,可以有效地降低丢包率。     

面向移动边缘计算中多应用服务的虚拟机部署算法

移动边缘计算(MEC)通过在用户近端以虚拟机(VM)形式部署应用服务,能有效降低服务响应延迟并减少核心网络数据流量。然而,当前MEC中虚拟机部署的大多数研究尚未具体考虑用户对多种应用服务的需求。因此,该文针对MEC中多应用服务的虚拟机部署问题,提出两种启发式算法,即基于适应度的启发式部署算法(FHPA)和基于分治的启发式部署算法(DCBHPA),通过在边缘网络中配置支持多种应用服务的虚拟机来最大限度地减少网络中的数据流量。FHPA和DCBHPA分别基于边缘服务器的网络连接特征和用户对应用请求的差异性,定义了不同的适应度计算模型。在此基础上,通过子问题划分机制实现VM配置。仿真结果表明,相比于基准算法,所提算法能更好地控制系统数据流量,有效地提高边缘网络服务资源的利用率。     

5G网络切片场景中基于预测的虚拟网络功能动态部署算法

针对无线虚拟化网络在时间域上业务请求的动态变化和信息反馈时延导致虚拟资源分配的不合理,该文提出一种基于长短时记忆(LSTM)网络的流量感知算法,该算法通过服务功能链(SFC)的历史队列信息来预测未来负载状态。基于预测的结果,联合考虑虚拟网络功能(VNF)的调度问题和相应的计算资源分配问题,提出一种基于最大最小蚁群算法(MMACA)的虚拟网络功能动态部署方法,在满足未来队列不溢出的最低资源需求的前提下,采用按需分配的方式最大化计算资源利用率。仿真结果表明,该文提出的基于LSTM神经网络预测模型能够获得很好的预测效果,实现了网络的在线监测;基于MMACA的VNF部署方法有效降低了比特丢失率的同时也降低了整体VNF调度产生的平均端到端时延。