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。     

无线虚拟网络中基于自回归滑动平均预测的在线自适应虚拟资源分配算法

该文针对无线虚拟化网络中业务的不确定和信息反馈的时延而引起虚拟资源分配不合理,提出一种基于自回归滑动平均(ARMA)预测的在线自适应虚拟资源分配算法。首先,该算法以保障虚拟网络队列上溢概率为目标对时频资源和缓存资源进行联合分配,并建立虚拟网络总成本最小化的理论分析模型。其次,考虑到虚拟网络对不同资源差异化的应用需求,设计了一种多时间尺度的资源动态调度机制,在长周期上基于ARMA模型的预测信息实现缓存资源的预留策略,在短周期上基于利用大偏差原理推导的队列上溢概率对虚拟网络优先级排序,并根据确定的优先级动态调度时频资源,从而满足各虚拟网络的业务需求。仿真结果表明,该算法可有效降低比特丢失率,同时提升物理资源的利用率。     

时间敏感网络中基于网络演算的队列分析与优化

时间敏感网络（TSN）中循环队列转发（CQF）机制保留了时间感知整形中门控调度的转发可控特性，同时又降低了门控列表配置的复杂度，但是缓存队列的长度作为一个关键参数直接影响着网络的调度性能，并且在实现时受到硬件资源的约束。为了寻找到合适的CQF队列长度值以实现网络系统设计的性能和成本的优化，提出了一个基于网络演算的CQF性能分析方法。通过曲线模型的构建和计算，分析流量传输时延和积压的性能上界值，从而选择出合适的队列长度值。通过不同场景的实验，得到了不同流特性参数对队列长度选择的影响。     

基于5G接入网络的多优先级虚拟网络功能迁移开销与网络能耗联合优化算法

针对5G接入网络中虚拟网络功能(VNF)部署完成后,其资源需求发生动态变化,导致网络中物理机(PM)资源利用率过高或过低这一问题,该文首先将网络中PM的资源使用情况划分5个不同分区,提出一种多优先级VNF迁移请求队列调度模型。其次基于该模型,对VNF迁移开销的最小化及网络能耗的最小化建立联合优化模型。最后提出一种基于5G接入网络的多优先级VNF迁移开销与网络能耗联合优化算法对其进行求解。仿真结果表明,该算法在有效实现VNF迁移开销与网络能耗折中的同时,提高了PM资源利用率,保证了PM性能并均衡各PM负载。     

基于OMNeT++的大规模确定性网络仿真实践

时间敏感网络（TSN）和确定性网络（DetNet）是确定性网络整体解决方案的重要组成部分,目前产业界还缺少这两种技术在大规模联合组网方面的研究。在OMNeT++仿真平台基于时隙调度实现了TSN和DetNet联合组网的确定性转发,并打通了控制器和仿真系统的通道,实现了转控协同的确定性仿真网络。重点介绍了对于仿真系统的改造,以及基于此的大规模跨域场景下确定性业务的端到端时延和抖动性能研究。结果表明,在大规模跨域场景下,时隙调度的机制可以提供端到端的确定性业务保障。     

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。     

机会网络中基于优先级的缓存管理策略研究

机会网络中的消息传递是基于"存储—携带—转发"的路由方式进行的,网络中往往保留消息的多个副本,因此研究消息的转发和丢弃策略对路由策略的性能提高至关重要。为了提高网络的投递率、减少传递延迟以及降低网络开销,文章在考虑消息属性如消息副本数、生存时间及产生时间的基础上,通过定义消息优先级,提出了一种新的缓存管理策略——基于消息优先级的缓存调度策略PSP。此外,本文还提出一种计算消息副本数的方法。仿真结果表明PSP在消息平均投递率、平均传输延迟以及平均网络开销方面比其他几种策略具有明显的性能提高。     

时间敏感网络时隙感知循环排队转发流量整形机制

时间敏感网络是智能工厂内网的核心技术之一。智能工厂内存在多种需求各异的业务流。为保证关键业务流的性能，同时提升网络带宽利用率，该文提出一种时隙感知循环排队转发流量整形机制(TSA-CQF)。TSACQF通过将低优先级流量插入CQF奇偶队列中剩余可用时隙中传输提高带宽利用率。TSA-CQF机制包括低优先级流量的时隙感知插入和全局流量规划两个部分。低优先级流量的时隙感知插入是在CQF队列出队时，通过感知奇偶队列剩余时隙的大小，将低优先级流量插入到奇偶队列的剩余时隙进行传输。将全局流量规划建模为多条件约束目标优化问题，通过模拟退火算法求解，完成全局流量的调度，提高可调度流数目，进一步提高资源利用率。仿真结果表明，在混合流量条件下TSA-CQF比传统CQF机制平均提高了带宽利用率11.29%。与传统的CQF相比，TSA-CQF在牺牲一定调度策略生成时间的前提下，能明显提高带宽利用率并且降低最坏端到端时延。     

无线多跳网络中一种基于网络编码的机会路由

近年来机会路由和网络编码是两种利用无线信道广播特性提高网络性能的新兴技术。相比传统的静态路由决策,机会路由利用动态和机会路由选择减轻无线有损链路带来的影响。网络编码可以提高网络的资源利用率。但编码机会依赖于多个并发流所选路径的相对结构。为了创造更多的网络编码机会和提高网络吞吐量,本文提出了一种基于流间网络编码的机会路由(ORNC)算法。在ORNC中,每个分组转发的机会路径选择是基于网络编码感知的方式进行的。当没有编码机会时,采用背压策略选择下一跳转发路径以平衡网络负载。仿真结果表明本文提出的ORNC算法能够提高无线多跳网络的吞吐量。     

无结构P2P网络资源搜索方法研究

对等网络（P2P）成为近年来的研究热点，如何进行高效准确的资源搜索是实现对等网络应用的关键问题。本文在分析Gnutella网络的基本泛洪算法存在问题的基础之上，介绍了现有的资源搜索改进方法，包括优化网络拓扑结构方法、改进转发机制方法、基于路由信息方法和基于缓存的方法。     

大容量星上交换网络的设计与实现

针对星上工作环境的限制,介绍一种使用多个小型交换单元构成的星上大容量交换网络结构,描述了该结构采用的输入缓存VOQ和输出缓存VIQ队列管理技术;在分析信元长度与交换网络内部链路加速比关系的基础上,给出了信元长度的选取方法;提出了采用多个子调度器并行完成交换网络内部链路选路的路由调度算法及系统所需子调度器数目的计算方法;最后结合实际的硬件演示平台,验证了该网络结构及相关技术的合理性和有效性。     

面向大规模确定性网络的全局循环排队与转发机制

时延抖动敏感的工业控制和远程驾驶应用驱动网络由尽力而为服务向确定性转发服务转变。为满足确定性应用时延抖动的有界需求,工业界和学术界在逐流过滤整形和队列转发控制方面进行了大量研究,实现了小规模以太网环境下轻载稳定流的微秒级时延和亚微秒级抖动保障。多数研究因较少考虑长距离网络拓扑变化、传输时延波动和短时突发流量过载等影响,难以满足大规模骨干网场景下的确定性要求。在循环排队转发（cyclic queuing and forwarding,CQF）基础上,考虑了源目的路径特性和确定性流量强度因素,提出了全局循环排队转发三队列（global cyclic queuing and forwarding 3-queue,GCQF-3）,并在基于OMNeT++搭建的确定性网络仿真系统中,比较了CQF、CQF-3和GCQF-3的转发控制机制,实验表明GCQF-3能根据确定性流量状态及时调整门控时机和排队优先级,在时延、抖动和网络利用率等方面都达到最佳。     

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。     

基于校园机会网络的协作小组缓存调度策略

缓存管理已经成为机会网络的研究热点,目前大多数缓存管理方法都集中在单节点,本文在校园协作学习背景下提出了缓存共享的协作小组资源调度方法.节点活跃度描述了移动节点的缓存空间利用率和节点参与消息转发积极性,消息树描述了消息在网络中的扩散程度.以协作小组为单位建立已送达消息链表,对已成功投递消息所占缓存空间及时进行释放.该方法能有效提升节点空间利用率和消息投递率并且降低了消息的投递延迟.实验结果表明,与已有算法相比,消息投递成功率平均提高了10.53％,为小组缓存的共享利用与资源的高效调度提供方法.     

无线自组织网络中一种拥塞意识的多径路由算法

提出了无线自组织网络中一种拥塞意识的多径路由算法。该算法在路由发现过程中,综合节点的队列长度和路径跳数来动态确定路由请求消息的转发概率,可以在保证路由请求消息有一定送达率的条件下,降低路由开销;在路径选择和流量分配过程中,综合考虑节点的队列长度和路径质量作为路由度量,发现流量高吞吐量低拥塞路径,并基于该度量值进行流量分配。仿真结果显示,所提出的多径路由算法能有效提高网络性能。     

内容中心网络中基于差异化缓存通告的混合路由机制

针对内容中心网络(CCN)节点暂态缓存的高效利用问题,将数据场的思想引入到CCN转发决策中,该文提出一种基于差异化缓存通告的混合路由机制。缓存通告时,依据内容活跃等级和缓存驻留概率,执行差异化的内容通告和势能辐射;路由查找时,针对持久稳定的内容源和动态可变的临时缓存副本,分别构建全局导向和局域吸引势能辐射场,实现兴趣包请求的全局路由和局部就近应答。仿真结果表明,该机制减小了内容请求时延,提高了缓存命中率,以少量额外的开销提升了CCN网络整体的内容分发性能。     

内容中心网络中基于温度场的路由算法

内容中心网络（content-centric networking,CCN）作为一种全新的网络体系结构,对路由算法的设计提出了许多新的挑战。针对CCN的特点,提出了一种基于温度场的路由（temperature field based routing,TFBR）算法,将物理学中稳态温度场的概念引入CCN,并采用有限元法求解稳态温度场,形成路由转发决策。仿真实验表明,TFBR 算法能够充分利用CCN 的路由节点缓存功能,在降低网络平均时延性能的同时,提高了CCN 的负载均衡性能。     

一种控制消息广播与合并策略的低开销路由算法

针对现有基于社区的机会社会网络多副本消息传输机制中网络控制开销较大和网络资源浪费的问题,提出了一种基于广播策略的机会社会网络低开销路由算法.该算法采用了"ACK消息快速产生机制"和"控制消息合并机制"两种新机制,能够有效减少网络中数据消息副本不必要的转发次数和降低网络控制开销.理论分析和仿真验证表明,相较于现有的基于社区的消息机会传输路由算法和基于重叠社区的消息机会转发路由算法,所提算法能有效减少网络控制开销和节省网络资源.     

面向WIA-PA工业无线传感器网络的确定性调度算法

WIA-PA （Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）是我国自主制定的工业无线传感器网络标准,确定性调度技术是其中一项关键技术.但目前已有的确定性调度算法主要集中在通用传感器网络或WirelessHART,ISA100.11a等遵循国外标准的工业无线传感器网络中,未能针对WIA-PA网络进行优化设计.鉴于此,本文提出了一种适用于WIA-PA网络的基于回溯法的最优确定性调度算法,能够获取调度解的最大成功率;并以此为基础,进一步提出了一种基于最小时间裕度优先的时分多址调度算法（Least Slack First on Time Division Multiple Access,LSF-TDMA）.仿真实验结果表明,所提出的LSF-TDMA算法能够满足WIA-PA网络端到端数据传输的确定性需求,在调度解获取成功率接近于最优的同时,有效降低了算法复杂度.