时间敏感网络流量调度机制研究综述_宋小庆.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期：；修回日期：基金项目：军队科研项目（，）作者简介：宋小庆（），女，博士，教授，博士生导师，：。通信作者：王海生（），男，硕士研究生，：。：时间敏感网络流量调度机制研究综述宋小庆，王海生，赵梓旭，魏 健（陆军装甲兵学院，北京）摘要：时间敏感网络作为一种确定性网络技术，能够通过多种流量调度机制确保关键流量进行具有确定延迟边界的实时传输，具有重要的应用价值。从实现原理角度，分析对比时间敏感网络各调度机制的特点；分析各调度机制的基本原理和研究重点，并以调度性能提升为主线，梳理各调度机制研究进展；针对当前的研究盲区，阐述时间敏感网络流量调度机制的研究趋势。关键词：时间敏感网络；调度机制；实时性；可靠性；可扩展性本文引用格式：宋小庆，王海生，赵梓旭，等 时间敏感网络流量调度机制研究综述 兵器装备工程学报，（）：，（）：中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（），：；引言受各种应用场景需求的驱使，实现数据的实时传输，成为网络技术的一个重要发展方向。远程手术中要求延迟可达 ，沉浸式虚拟现实场景要求延迟为 ，工业自动化领域要求延迟达亚毫秒，高压配电要求延迟为 。但传统总线网络如、等因带宽受限难以保证大量数据的实时传输，传统以太网采用“尽力而为”的传输理念难以保证关键流量的实时性，新兴技术方案如、等多针对特定应用定制，因兼容性、互操作性等原因难以获得广泛应用，兼具成本、带宽、兼容优势和高实时、高可靠特性的新方案 时间敏感网络应运而生。时间敏感网络源于传统以太网，由 工作组提出并致力于标准化，获得 联盟等组织的认可，利于形成生态优势，已经在车载网络、航空网络、工业互联网、及能源网络等方面获得广泛关注。传统以太网采用“”方式，不能提供差异化数据传输服务，关键数据传输时易被冲突，严重影响相关业务的实现，而时间敏感网络通过流量调度机制，使流量相互隔离并有序传输，减少传输的随机冲突，控制排队时延，保证传输实时性。当前，工作组不断完善时间敏感网络流量调度机制，并将其标准化，提升调度性能。针对时间敏感网络流量调度机制，介绍基本原理和研究现状，梳理各机制的研究重点和研究进展，分析各机制的优点和不足，最后阐述当前研究趋势。时间敏感网络流量调度 调度原理与分类通常，时间敏感网络根据流量优先级（或类别），在空间上通过队列隔离流量，而后按一定规则调度流量，进而实现传输时间的隔离，保证传输延迟的确定性。时间敏感网络流量调度机制主要有基于信用整形、时间感知整形、帧抢占、循环排队转发、异步流量整形等。按照调度原理，可分为按时分复用原理调度机制和按竞争规则调度机制。按时分复用原理调度机制，将传输实时性要求直接与传输时隙划分相对应，通过调整传输时隙控制流量调度，因传输时隙易与周期流量匹配，因此该类调度对周期流量调度效果较好，调度机制有时间感知整形和循环排队转发。按竞争规则调度机制，将传输实时性要求与优先规则相对应，按优先规则调度流量，该类调度对流量周期性无要求，可混合调度周期流量和突发流量，如帧抢占（及严格优先级调度）是按照流量的优先级调度，基于信用整形按照信用值调度，异步流量整形以合格时间（即流量传输紧急度）作为调度依据。各调度机制可单独使用，也可多个综合运用。研究对象如图 所示，时间敏感网络流量调度研究对象为有延迟要求的时间敏感流量和无延迟要求的尽力而为流量，前者是研究重点，后者作为背景流量。时间敏感流量因对传输时间“敏感”而得名，这种流量通常按预定时间发送，也称时间触发流量（对应事件触发流量）、计划流量（对应突发流量），而当前许多研究中流量的发送时间间隔是固定时间，因此实际是周期流量。部分研究针对非预定时间发送的关键流量即关键非计划流量（实为突发流量）。另外，最初研究针对音视频传输，也被称为（）流量，流量用于基于信用整形机制，优先级较低，但高于尽力为流量。从抖动要求看，时间敏感流量又分为抖动要求高的硬实时要求流量和抖动要求低的软实时要求流量。图 时间敏感网络研究对象 评价指标流量调度评价指标主要有最坏情况延迟、最坏情况延迟的悲观度（悲观度越大表示理论值与实验值差别越大）、带宽利用率、调度能力、算法效率等。时间敏感网络流量调度机制及研究现状 首先，从调度机制的发展看，后续机制针对不同应用需求，对前面机制进行完善，如图 所示。传统网络可采用严格优先级调度，保证高优先级流量实时性，但易导致低优先级流量“饿死”。为避免该问题，基于信用整形将优先级与排队时间综合为信用值，按照信用值调度，带宽利用率高，但流量传输时易相互影响，抖动大，最坏情况延迟计算复杂、悲观度较大。而基于时分复用的时间感知整形和循环排队转发，最坏情况延迟计算简单，直接用传输时隙调度各类流量，避免流量间冲突，利于降低抖动和最坏情况延迟悲观度。相比时间感知整形，循环排队转发只有 个队列，解决了帧传输的有界时延，算法求解简单，但流量调度数量受限。基于时分复用调度机制存在 个问题：一是因保护带存在，导致带宽浪费，网络实时性有提升潜力；二是依赖时间同步；三是该类机制主要针对周期流量，难以调度突发流量。而帧抢占可减小保护带，减少带宽浪费。异步流量整形关注每跳的流量调度情况，不依赖时间同步，实现周期流量和突发流量的混合调度，抖动小、带宽利用率高，模型设计较为复杂。各种调度机制性能比较和使用分别见表 和图 所示。另外，结合时间敏感网络的网络配置标准和时间感知整形而提出时间敏感型软件定义网络（，），可实现在线流量调度，是当前一个研究热点，单独作为一个综述内容。兵 器 装 备 工 程 学 报：图 流量调度机制发展路线图 表 时间敏感网络各调度机制性能比较 机制同步依赖抖动带宽利用率流量类型说明基于信用整形否较大高混合流量延迟分析复杂时间感知整形是小低主要针对周期流量循环排队转发是小低主要针对周期流量有界时延帧抢占否高优先级小高混合流量异步流量整形否较小高混合流量机制复杂图 流量调度过程 其次，从各调度机制的研究看，工作组提出流量调度机制对应的标准（各调度分标准正汇总至，为方便区分，仍以分标准介绍），明确了各机制的基本原理，提供了实现确定边界延迟传输的条件。而实时传输易受众多因素影响，各研究不断完善影响因素分析，提高调度性能。基于信用整形该机制以 标准为依据，采用基于信用整形器（，），用队列隔离流量，根据各队列信用值进行调度，兼顾各优先级流量的实时性。信用值由流量所在队列的优先级和流量在队列中排队情况 个因素决定。一方面，该机制根据信用值大小控制各流量传输，信用值大的优先传输；另一方面，流量的排队、传输分别导致信用值的增、减。信用值增加、减少的快慢与队列优先级有关。该机制研究重点是延迟影响因素分析。这主要因为该机制流量间仍易冲突，导致最坏情况延迟分析复杂。延迟分析既要横向上考虑单个节点中各流量间影响、传输离散性、以及其他机制（如时间感知整形）影响等，也要纵向上考虑多个节点延迟积累、路由影响等。基于信用整形的最坏情况延迟是众多因素综合产生的极端情况，考虑的因素越多、情况越极端得到最坏情况延迟计算公式越准确，但最坏情况发生的概率可能会越低，悲观度越大，实际中应综合悲观度和复杂度运用该机制。机制研究方面。帧在排队过程中，前面帧对后面帧产生的影响（即帧序列化）易被忽略，等推导基于信用整形调度的最坏情况延迟公式，重点分析帧序列化的影响，同时去除信用补充与高优先级帧传输的重叠时间，降低延迟悲观度最大达 。上述研究是按照数据流调度，具有连续性，而实际是按照帧调度，具有离散性，用帧调度模型比流调度模型降低悲观度最大达 。而 等将原机制的 个优先级队列扩充至任意数量，增加了调度流量数量，利用网络演算分析，使延迟悲观度相比以往研究降低最大达。机制综合运用方面。等分析时间感知整形机制下 流量的调度性能，该研究兼顾帧抢占和非帧抢占 种模式，推导信用值非溢出条件，确保基于信用整形的参数实现有界的最坏情况延迟。另外，将数据压缩技术与基于信用整形机制相结合也可减少延迟。分析方法方面。采用不同分析方法也会影响延迟计算结果。研究表明，采用网络演算、前向端到端延迟分析、轨迹法比组合性能法有更低的悲观度，这主要因为组合性能法是先求单个节点的延迟，而后将各个节点延迟简单相加获得端到端延迟，而其他方法分析时考虑前后节点的延迟影响，更加合理。时间感知整形该机制以 标准为依据。该机制采用时宋小庆，等：时间敏感网络流量调度机制研究综述间感知整形器（，），用队列隔离流量，通过循环的门控列表控制每个队列的开关状态，使队列内流量按划分时隙传输，实现传输的时间隔离，提供可预测的有界延迟。该机制未要求前后节点时间同步，各节点利用本地时钟即可调度，但时间同步利于流量按照预定时间在各节点间传输，保证调度有效性，因此该机制在现有研究中往往依赖时间同步，通常被认为是同步调度机制。标准中该机制只定义了 个队列，当流量的数量超过 个时，流量会共用队列，则共用队列的流量会发生冲突，调度更加复杂。该机制研究重点是门控列表生成。门控列表实为调度列表，生成复杂。门控列表生成是在时隙约束、路由约束、冲突避免约束等的条件下，根据流量的特性求得最小延迟的解，它是 完全问题（，多项式复杂度的非确定性问题），无已知算法可在多项式时间内生成最优调度列表，因此，门控列表生成算法调度主要为离线调度。网络越复杂、流量越多，门控列表的求解越难。通常采用 种方式求解：一是运用专门的搜索算法，如元启发式、启发式或遗传算法；二是利用通用工具，如整数线性规划（，）或可满足性模理论（，）求解器。现有研究多分析时间同步、路由选择等对该机制调度效果影响，以及如何设计算法快速生成门控列表。门控列表生成问题可以等效为无等待车间调度问题（，）。等将调度列表生成问题等效为无等待数据包调度问题，用禁忌搜索算法寻找保护带最少的解，使保护带平均降低，提高了带宽利用率。上面研究针对固定路由，将路由选择与流量调度结合，可进一步提升实时性。等考虑路由与调度的相互影响，利用遗传算法选择路由，仿真表明比固定路由可减少保护带，平均降低时延。而采用基于路由子集和时间片的启发式算法，在保证效果的同时，可进一步提高算法的效率。时间感知整形与基于信用整形综合使用时，在文献、文献中首先根据时间触发流量的周期确定其调度时间，而后进行 流量的调度，这可为时间触发流量提供独享的调度时间窗口，但会导致 流量的实时性降低甚至无法调度，也减少了可行解的范围。为此，等综合路由与调度前提下，考虑时间触发流量和 流量的实时性，用“尽快”启发式算法进行帧偏移，进一步优化队列使用和最小延迟，该方法获得更多可行解，解决其他方法可能无法调度的问题。进一步地，同时打开多个队列，使多个类型流量在一个共同时间段内传输，将使解的范围进一步增大。为此，等进一步考虑同一节点上不同优先级流量窗口重叠的情况，基于延迟评估来优化时间触发流量窗口偏移量，实现了更小悲观度的端到端延迟，最大降低 。合理的优先级划分，也可提升调度效果。等研究流量不同类型划分对调度影响，将时间敏感流量的优先级分别定为：单独 类、类与 类、类（时间触发流量）与 类，比较 种分类调度效果，实验表明单独 类比 类与 类延迟小，但在大负载数据下会出现无法调度问题，采用 类与 类可保证关键数据的延迟和抖动更小，但 类流量抖动会变大。特别地，通过预留调度时间可实现混合流量调度。为此，等根据事件触发流量的延迟要求，预先为其分配“虚拟调度时间”，减少事件触发流量对时间触发流量的影响，实现混合流量调度，同时采用复用机制，事件触发流量未传输时，该虚拟调度时间由时间触发流量使用，可使事件触发流量的可调度性提升，延迟降低，带宽利用率提升。此外，干扰可能会导致调度失败，因为各队列内是按照严格优先级调度，如某计划流量因网络传输抖动等原因不能按时到达队列时，则同一队列内先到达的非计划流量会提前传输，导致计划流量可能会错过一个调度周期。为此，等为各数据帧设定优先级，在时间感知整形机制中引入缓存机制，使队列中低优先级的非计划流量等待优先级高的计划流量到达，确保计划流量的可调度性。循环排队转发该