iFIT-Color-EDF：一种基于概率着色的确定性网络中的半抢占式最早截止日期优先调度算法，通过iFIT实现

《Computer Networks》：iFIT-Color-EDF:Semi-preemptive earliest deadline first scheduling in deterministic networking based on probabilistic coloring through iFIT

针对混合时间敏感流量在确定性网络中的微突发和截止违反问题，提出iFIT-Color-EDF调度机制，结合实时网络遥测、概率报文着色和半抢占式EDF算法，通过理论分析和仿真验证了其端到端延迟、抖动和丢包率性能优势。

　　

蔡月平|王胜凯|韩晓|当银佳

重庆大学微电子与通信工程学院，中国重庆，400030

摘要

确定性网络（DetNet）为工业4.0、智能电网和车联网等应用中的时间敏感流量提供了具有有限低延迟和抖动的保证服务。然而，混合时间敏感流量（包括时间触发和事件触发流量）会导致大规模DetNet中的突发流量和截止时间违规问题。为了解决上述问题，本文提出了iFIT-Color-EDF调度机制。该机制包括三个部分：通过原位流量信息遥测（iFIT）进行实时网络遥测；基于数据包截止时间和到达时间的概率包着色算法；以及基于数据包优先级和颜色的半抢占式最早截止时间优先（EDF）调度算法。本文进行了分析和仿真评估。理论分析基于确定性网络演算理论，并在流量假设下得到了延迟的上限。广泛的仿真结果验证了所提机制在端到端延迟、抖动和数据包丢失率方面的性能优势，优于之前的CSQF、D-TSN和DRL等算法。

引言

确定性网络（DetNet）是工业自动化系统、智能电网和自动驾驶等新兴时间敏感应用快速发展的重要解决方案之一[1]。这些时间敏感应用对网络性能（如延迟、抖动和数据包丢失）提出了巨大挑战，因此数据包网络的服务质量（QoS）控制成为一个研究课题。文献中提出了许多关于数据包网络QoS控制的框架。

IntServ（集成服务）[2]是20世纪90年代初为互联网架构提出的一个QoS框架。它通过流管理和平等排队提供具有有限延迟的保证服务，但其实现既复杂又昂贵。DiffServ（差异化服务）[3]旨在降低IntServ的复杂性，根据流量特性和需求将流量划分为有限类别，但无法对数据包延迟性能提供任何保证。

MPLS（多协议标签交换）[4]于2001年提供了面向连接的LSP（标签交换路径）用于FEC（转发等价类）数据包传输，并通过标签交换实现。它保证了属于同一FEC的数据包的某些QoS性能。MPLS采用LDP（标签分发协议）和RSVP-TE（带流量工程的资源预留协议）来建立LSP。然而，MPLS架构的可扩展性成为一个挑战，尤其是在网络拥塞时无法保证数据包交付的最坏情况延迟。

IEEE 802.1 TSN（时间敏感网络）[5]是基于以太网的确定性网络技术之一，适用于局域网应用。TSN增强了传统以太网的功能，如时间同步、流量调度、FRER（帧复制和消除以提高可靠性）以及网络控制和管理[6]。TSN在工业自动化、车载通信、航空航天机载通信和智能变电站等领域具有潜在应用[7]。然而，TSN目前仅限于封闭的本地控制区域的应用。

IETF DetNet[8]旨在在单个网络域内的桥接器和路由器上保证数据包在指定时间窗口内的交付。保证交付意味着传输的数据包按顺序到达目的地，不会因网络拥塞而产生额外延迟或丢失。DetNet架构包括数据平面、控制平面和OAM（操作管理维护）平面[9]。DetNet的典型数据平面技术包括IP、MPLS和TSN。DetNet的控制平面分为三类：完全分布式、完全集中式和混合式。OAM平面监控网络性能并测量网络状态。DetNet通过IP/MPLS互连将TSN扩展到广域应用。

DetNet的QoS架构依赖于显式路由、资源预留和服务保护[10]。显式路由即使在网络拓扑事件下也能保证数据包转发路径的稳定性，从而确保数据包按顺序传输且无丢失。资源预留通过逐跳分配缓冲区和链路带宽来避免数据包竞争丢失并减少数据包抖动。服务保护通过数据包复制和消除方案以及数据包编码技术帮助减少数据包丢失和乱序传输。这样，DetNet为时间敏感应用和流量提供了具有有限延迟和抖动的保证和可靠的传输服务。

在大型DetNet[11]中，混合时间敏感流量（包括时间触发（TT）和事件触发（ET）流量）会导致突发流量和截止时间违规问题。为了解决这些问题，本文提出了基于iFIT（原位流量信息遥测）的概率着色技术的半抢占式最早截止时间优先（EDF）调度。该机制包括三个部分：通过原位流量信息遥测进行实时网络遥测；基于数据包截止时间和到达时间的概率包着色算法；以及基于数据包优先级和颜色的半抢占式最早截止时间优先（EDF）调度算法。本文进行了理论分析和网络仿真评估。理论分析基于确定性网络演算理论，并在流量假设下得到了延迟的上限。广泛的仿真结果验证了所提机制在端到端延迟、抖动和数据包丢失率方面的性能优势。

本文的主要贡献总结如下：

(1)

我们提出了iFIT-Color-EDF调度机制，以解决具有混合时间触发和事件触发流量的确定性网络中的突发流量和截止时间违规问题。它结合了iFIT带内网络遥测、概率包着色和半抢占式EDF调度，以保证时间敏感的TT和ET数据包的有限延迟和抖动性能。

(2)

我们设计了一种基于iFIT头部信息的概率包着色算法，考虑了数据包的截止时间和到达时间。该算法不仅考虑了数据包类型，还考虑了其当前状态。

(3)

我们引入了一种基于数据包优先级和颜色的半抢占式EDF调度算法。该算法降低了不同优先级和紧急程度数据包的延迟和抖动。

(4)

我们对提出的iFIT-Color-EDF机制进行了分析和仿真评估。利用确定性网络演算理论得到了流量假设下的延迟上限。广泛的仿真结果验证了该机制在端到端延迟、抖动和数据包丢失率方面的性能优势。

本文的结构如下：第二节介绍DetNet网络模型、流量模型和调度问题；第三节回顾了大规模数据包网络中时间敏感TT和ET流量调度的相关工作；第四节详细介绍了提出的iFIT-Color-EDF调度机制；第五节展示了性能评估和仿真结果；第六节对本文进行了总结。

章节摘录

DetNet网络模型

图1显示了一个简单的DetNet网络模型。DetNet网络由边缘节点和核心节点组成。边缘节点连接到本地云控制器网络和数据中心网络，以及终端站和终端用户。边缘节点架构包括服务子层和转发子层[10]。服务子层的功能包括数据包排序、数据包复制和消除、数据包编码和解码。转发子层的功能

相关工作

调度是DetNet的关键使能技术之一。本节回顾了DetNet中时间敏感TT和ET流量调度的研究工作。我们主要关注三种调度方法：基于颜色的调度、基于截止时间的调度和基于DRL（深度强化学习）的调度。

iFIT-Color-EDF调度

本节介绍了提出的iFIT-Color-EDF调度机制的设计和建模。首先介绍了其架构，包括三个部分：第一部分是通过iFIT进行网络遥测；第二部分是根据数据包的截止时间和到达时间对数据包进行着色；第三部分是根据数据包的颜色和优先级使用半抢占式EDF调度算法进行调度。实施和实际部署的挑战

性能评估和结果

本节介绍了提出的iFIT-Color-EDF调度机制与CSQF、D-TSN和DRL调度机制的性能评估。仿真基于OMNeT++平台和NeSTiNg框架[39]。性能指标包括端到端E2E延迟、抖动和数据包丢失率。

结论

本文研究了确定性网络中混合时间触发TT和事件触发ET流量的调度问题。它提出了iFIT-Color-EDF调度机制来解决突发流量和截止时间违规问题。该机制包括三个部分：基于iFIT的网络遥测、概率包着色方法和半抢占式最早截止时间优先调度算法。通过利用确定性网络演算理论进行了理论建模和分析

CRediT作者贡献声明

蔡月平：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、形式分析。王胜凯：撰写——初稿撰写、可视化、软件开发、形式分析、数据管理、概念化。韩晓：撰写——初稿撰写、可视化、软件开发、方法论、形式分析、数据管理、概念化。当银佳：撰写——初稿撰写、可视化、验证、软件开发、形式分析、数据

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

蔡月平分别于2003年和2005年在重庆大学获得计算机科学与技术专业的学士学位和硕士学位，2010年在日本东京电气通信大学获得信息与通信工程专业的博士学位。他目前是重庆大学微电子与通信工程学院的副教授，主要研究方向包括工业互联网、确定性网络