时间敏感和非时间敏感流量的性能保证设置

论文标题

中文标题： 时间敏感和非时间敏感流量的性能保证设置
英文标题： Provisioning of Time-Sensitive and non-Time-Sensitive Flows with Assured Performance
作者信息

Luis Velasco, Gianluca Graziadei, Sima Barzegar, Marc Ruiz
Optical Communications Group, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain
论文出处

本文已被接受发表于《IEEE Transactions on Network and Service Management》。
DOI: 10.1109/TNSM.2025.3539697
该论文是作者版本，尚未经过完全编辑，内容在最终发表前可能会有所变化。

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摘要

本文研究了时间敏感网络（TSN）中的流量调理题目，提出了一种用于设置时间敏感（TS）和非时间敏感（非TS）流量的办理方案。该方案通过网络范围内的调理机制，确保不同流量的性能要求（如端到端耽误和抖动）得到满足。文章提出了一个控制平面架构，包罗：时间敏感流量调理规划器（TS-FSP）用于界说TS流量的调理计划；以及网络数字孪生（NDT）用于估计非TS流量的性能。文章还提出了高效的算法，以确保流量设置的高精度和短时间完成。通过模拟结果，验证了所提架构的可行性和效率，并指出了当前时间同步机制在高速接口下的局限性。
1. 引言

时间敏感网络（TSN）由IEEE 802.1工作组界说，通过时间同步机制（如PTPv2）确保全部节点共享共同的时间参考。TSN使用时间感知调理器（TAS）根据预界说的门控控制列表（GCL）调理流量，以满足TS流量的QoS要求。然而，现有机制在处置惩罚多跳网络和异构网络场景时存在局限性，例如时间槽分配可能导致流量之间的相互干扰，影响确定性。此外，TSN网络还须要支持非TS流量，这要求网络能够同时处置惩罚两类流量。本文针对异构TSN网络场景，提出了一种控制平面架构，用于动态调理TS流量，并通过NDT估计非TS流量的性能。
2. 相关工作与贡献

本文回顾了TS流量调理和NDT在QoS估计方面的相关研究，并总结了本文的贡献。现有研究重要集中在多跳交换网络的确定性调理、TS与非TS流量的资源分配，以及基于机器学习和SDN的动态调理方法。然而，这些方法在异构网络场景中的实用性有限，且难以快速办理调理题目。本文的贡献包罗：

• 提出了一种实用于异构TSN网络的控制平面架构，包罗TS-FSP和NDT系统。
  
• 将TS-FSP题目形式化为整数线性规划（ILP）题目，并提出了一种启发式算法，以快速提供近优解。
  
• 基于CURSA-SQ方法扩展了NDT，用于在异构网络场景中估计非TS流量的KPI。
  

3. TSN架构与流量设置

本文提出的TSN架构包罗TSN控制器、路径盘算单位（PCE）、TS-FSP和NDT。当新的服务请求到达时，TSN控制器会启动流量设置流程，包罗路径盘算、TS流量调理规划和非TS流量性能评估。如果请求被接受，TSN控制器会通过SDN控制器将调理计划和时间点发送到网络设备，以更新调理表。文章详细形貌了流量设置算法的流程，包罗对TS和非TS流量的处置惩罚逻辑。

4. 时间敏感流量调理规划器（TS-FSP）

TS-FSP模块负责为TS流量请求分配资源，并确保其满足耽误和抖动要求。该题目被形式化为一个优化题目，并建模为ILP题目。由于ILP求解时间可能较长，本文提出了一种基于贪婪构造和局部搜索的启发式算法，以快速找到近优解。算法起首为每个周期找到最低耽误的调理方案，然后通过局部搜索调整调理方案以最小化抖动。
5. 网络数字孪生（NDT）

NDT用于估计非TS流量的KPI，如端到端耽误和吞吐量。NDT通过构建网络分区，模拟流量在网络中的传播过程，并生成用于KPI盘算的指标。NDT思量了时间感知和非时间感知设备的队列模型，并通过传播播的方式盘算KPI。文章详细形貌了NDT的工作原理、网络建模和仿真过程，以及KPI盘算方法。
6. 结果评估

本文通过模拟实行验证了所提方法的性能。实行网络拓扑包罗四个客户网络，通过一个传输网络毗连。实行结果表明：

• TS-FSP的ILP求解时间随题目规模（网络接口速率）显著增加，而启发式算法能够在短时间内提供满足要求的解。
  
• 在不同网络负载和调理模式（如存储转发和快速转发）下，TS流量的端到端耽误和抖动均能满足要求，且两种模式的性能差异较小。
  
• 当思量时间槽分配的粒度时，较粗的粒度会导致额外的容量需求，但即使在100倍粒度下，额外容量需求仍低于10%。
  
• NDT的流基方法在估计非TS流量的列队耽误时表现出高精度，而且比基于包的模拟器运行速率更快，能够在亚秒级时间内完成KPI估计。
  

7. 结论

本文提出了一种完整的TS和非TS流量设置办理方案，包罗TS-FSP和NDT。TS-FSP通过启发式算法快速调理TS流量，而NDT基于传播播方法高效估计非TS流量的KPI。实行结果表明，所提方法能够在异构网络场景中快速、正确地设置流量，并满足性能要求。将来的工作将集中在开发更精确的时间同步协议，以支持高速接口下的TSN应用。

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