摘要
工业互联网加速了新兴信息通信技术与工业生产技术的融合，时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,TSN)因兼容以太网标准并具有开放性、多业务承载性和确定性传输能力，被认为是具有潜力的新一代现场级工业网络技术。工业业务具有多样化特征，工业控制业务具有强实时要求，如何在多业务并存和多交换节点组网场景下为工业控制业务提供有界低时延的传输保障，成为面向工业领域的TSN组网研究的关键问题。然而，TSN标准协议仅仅定义了能够实现有界低时延的调度整形机制，如时间感知整形(Time Aware Shaper,TAS)和循环排队转发机制(Cyclic Queuing and Forwarding,CQF),并未对多节点组网下如何保障强实时业务端到端时延需求进行研究和标准制定。因此，本论文面向多业务和多节点组网场景，提出了基于TAS和CQF的端到端业务调度算法和机制，以优化时间敏感的流量管理和保障强实时业务的时延需求，主要工作包括: (1)提出了一种结合遗传算法和插入排序法的TAS调度优化机制。将多业务流时序分配映射为车间任务分配问题，利用遗传算法为多条时间敏感业务流在多个交换节点分配时序资源，确保该类业务流的有界时延;在此基础上，基于插入排序法插入非时间敏感类业务流，增强了 TSN网络的多业务承载能力，并提升了系统资源利用率。 (2)针对TAS机制下海量数据流调度出现的计算时间长和无可行解的情况，基于与网络拓扑无关的CQF机制，开展了基于时隙偏移量的调度算法研究，分别基于直接调度、流排序、粒子群优化和路径冲突算法提出了四种基于CQF的时隙偏移量注入机制，在保证每个交换节点队列缓存不溢出的情况下，实现实时时间敏感业务流的端到端确定性调度。论文还对比了四种算法在不同应用场景的性能，对不同算法的场景适应性进行了分析。 综上所述，本论文针对TSN在工业现场组网应用中面临的问题，分别基于TAS和CQF整形机制提出了相应的端到端确定性调度方法，对推动TSN工业现场应用提供了有力支撑。
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