面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种面向SDN网络中动态实时应用的pub/sub中间件系统和方法。本发明专利技术针对新一代工业网络场景中的实时应用，在SDN架构上搭建了基于多种消息模式的混合pub/sub中间件服务，将不同种实时应用对应的QoS参数映射到SDN的L2/L3层中，实现新一代工业SDN网络的实时性保障机制。当网络中存在多种消息模式的pub/sub中间件时，本发明专利技术需要为不同的pub/sub中间件提供通用的接口，因此在SDN控制器之上的控制器管理平台上扩展了pub/sub中间件服务适配接口。本发明专利技术中采用的QoS映射方法是一种基于非独立QoS参数捕获机制，即在控制器管理平台上扩展QoS参数分析功能模块，利用该模块与网络通信，以提供应用的QoS信息来优化和重新配置L2/L3层的网络拓扑。

A Middleware Service System for Dynamic Real-time Applications in Industrial SDN Networks

【技术实现步骤摘要】
面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务系统和方法
本专利技术涉及工业网络实时应用领域，具体的说是一种面向SDN架构的中间件服务系统和方法。
技术介绍
随着控制、通信、计算机等技术的飞速发展，工业应用场景也呈现出以网络为中心的趋势，工业网络对通信的实时性、灵活性、动态性都提出了更高的要求。工业场景中的状态推送等应用要求各参与者间松散耦合，现有的pub/sub中间件能够提供松耦合的通信模式，但却缺乏合适的系统控制和应用级QoS支持。因此，急需构建一种能够满足新一代工业网络QoS需求的系统和方法来满足动态实时应用需求。动态实时应用的本质是对底层通信系统和通信网络的挑战，这就增加了对网络可扩展性和支持高QoS特性的挑战。当关注的焦点是网络资源利用率时，网络就必须足够灵活来实现针对网络应用变化的重新规划。当前的方法主要是基于静态的专用网络或覆盖网，这使得按需设置网络性能很困难。软件定义网络SDN的出现为解决上述问题提供了新的方法，其灵活的组网特点能够实现细粒度按需动态网络规划。因此，SDN能够有效地支撑工业动态实时应用，同时保证网络资源利用率很高。本专利技术主要目的是提出一种结合pub/sub中间件和基于openflow协议的SDN架构的服务系统以支持工业动态实时应用。该系统支持混合pub/sub中间件服务，通过通用接口屏蔽不同中间件的差异。本专利技术中将不同种实时应用对应的QoS参数映射到SDN的L2/L3层中，实现新一代工业SDN网络的实时性保障机制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是针对新一代工业网络中的动态实时应用，提出一种面向工业SDN网络的混合中间件服务系统和方法，解决传统的pub/sub中间件只提供“尽力而为”的数据转发服务问题，以及如何将不同实时应用对应的QoS参数映射到SDN的L2/L3层的问题，以实现基于SDN架构的工业网络应用的实时性需求。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向SDN网络中动态实时应用的pub/sub中间件系统和方法，包括：在基于SDN的工业网络架构上搭建基于混合pub/sub的中间件服务，在SDN控制器之上扩展控制器管理平台，该平台包括处理模块、规划模块、网络监测模块和执行模块，以及pub/sub中间件服务适配接口；并通过该适配接口将工业场景中不同的实时应用映射到SDN的L2/L3层中。所述的混合pub/sub中间件消息服务模型分类包括：(1)基于主题的模型(topic-basedmodel)，消息按主题构成组，即订阅者声明对特定主题感兴趣，并且接收与该主题相关的所有事件，每个主题对应于一个逻辑通道；(2)基于内容的模型(content-basedmodel)，订阅者根据其想要接收的消息中包含设定的内容来表达感兴趣程度，订阅约束条件依赖于属性类型和订阅语言。所述的控制器管理平台包括：(1)处理器：处理器与应用相连，通过pub/sub中间件服务适配接口来映射不同应用的QoS需求，并将该需求传递到规划器中；(2)网络监测器：网络监测器使用SDN控制器北向接口来收集网络底层信息，包括网络拓扑及网络容量等，同时负责激活流的测量值，如速率、计数器等；(3)规划器：基于网络监测器获得的监测数据，规划器计算出网络资源的最优集合，同时必须满足数据流的QoS请求；(4)执行器：将规划器计算出的结果应用到网络中，主要是通过控制器北向接口API来执行openflow协议的相关规则，通过OF-Config来配置交换机；(5)Pub/sub中间件服务适配接口：是用于连接应用和处理器的通用接口，为不同pub/sub中间件服务提供通用的接口。规划器优化方法包括：在保障延时需求的前提下，最优化包括在汇聚节点拆分点到多点的流，通过流量整形(限制流出某一网络的某一连接的流量与突发)限制不同应用请求的流速率，通过负载均衡(即分摊到多个操作单元上进行执行)将数据流分配到不同的路径上，以此满足不同订阅请求的不同QoS需求。所述的QoS参数主要包括：(1)传输误差：误码率、误包率、丢包率、前向纠错；(2)传输延迟：端到端延迟、抖动、排队延迟、首个数据包到达时延；(3)传输吞吐量：带宽、包传输成功率；SDN架构L2/L3层能够实现的动态配置包括：(1)基本的L2/L3层路由，包括L2/L3层包头处理，以及在充足的输出队列或端口进行排队；(2)流拆分，包括基于流的路径选择，动态负载均衡；(3)汇聚节点多播，包括软件定义网络交换机的数据复制，多节点数据复制；(4)自适应发送速率，给特定流/端口限定速率，丢弃、重定向或报警超过速率的流。将QoS参数映射到SDN的L2/L3层的方法：该专利技术中采用“非独立QoS参数捕获”机制，该方法在管理器控制器平台上扩展QoS参数捕获功能模块，将不同应用的QoS参数通过处理器、规划器、网络监测器和执行器共同作用映射到SDN网络的L2/L3层上。QoS参数映射过程包括以下步骤：步骤1：当应用层的应用启动时，相当于注册了一个订阅请求，该请求将通过pub/sub中间件服务适配接口下发到控制器管理平台；步骤2：控制器管理平台中的处理器将QoS参数解析为能够被SDN网络架构实现的消息命令；步骤3：该消息命令传送到规划器中，规划器在满足QoS需求的前提下，根据网络监控器提供的网络数据计算出网络资源的最优集合；步骤4：规划器将该网络资源最优结合传输到执行器，执行器通过北向接口下发流表到openflow交换机中。QoS参数在基于SDN架构的工业网络中的实现技术包括：(1)每个端口的队列调度：每个端口队列的优先级不同，当QoS需求高的应用请求到达时，优先进入高优先级队列进行转发，同时兼顾所以队列的使用情况；(2)每条流的优先级：为数据流设计优先级位，标明数据流优先级的高低，不同优先级对应不同的QoS需求。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.解决了工业SDN网络中动态实时应用的QoS需求问题，实现了混合pub/sub中间件共存。2.本专利技术面向的工业SDN网络具有底层网络动态配置能力，通过pub/sub中间件将底层物理网络变化实时通知控制器及控制器管理平台。3.本专利技术提出的中间件服务系统能够隐藏底层网络的异构性，通过控制器管理平台和应用层间的通用pub/sub适配接口提供一个通用的规则架构，以同时兼容多种传输模式的中间件。4.通过“非独立QoS参数捕获”机制，将不同实时应用对应的QoS参数映射到SDN的L2/L3层中，通过SDN架构中的QoS机制来实现上层应用的QoS需求，以满足工业场景的实时应用需求。附图说明图1为本专利技术的工业SDN网络架构图；图2为本专利技术的动态实时应用业务处理示意图；图3为本专利技术的QoS参数映射处理流程；图4为本专利技术的优先级队列调度示意图；图5为本专利技术的三级缓冲队列反馈调节机制；图6为本专利技术的优先级消息处理流程。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术提出了一种面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务系统和方法，该系统结合混合pub/sub中间件和软件定义网络框架，网络架构如图1所示。该系统主要包括底层数据转发平台、控制平台、控制器管理平台和应用层。数据平台和控制平台沿用SDN网络架构，扩展的控制器管理平台用于实现工业动态实时应用的QoS策略，主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务系统，其特征在于，在基于SDN的工业网络架构上搭建基于混合pub/sub的中间件服务：在SDN控制器之上扩展控制器管理平台，通过pub/sub中间件服务适配接口将工业场景中不同的实时应用映射到SDN的L2/L3层中。

【技术特征摘要】
1.面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务系统，其特征在于，在基于SDN的工业网络架构上搭建基于混合pub/sub的中间件服务：在SDN控制器之上扩展控制器管理平台，通过pub/sub中间件服务适配接口将工业场景中不同的实时应用映射到SDN的L2/L3层中。2.根据权利要求1所述面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务系统，其特征在于，所述混合pub/sub中间件服务模型分类包括：基于主题的模型，消息按主题构成组，即订阅者声明对某主题感兴趣，并且接收该主题的所有事件，每个主题对应于一个逻辑通道；基于内容的模型，订阅者根据其想要接收的消息中包含设定的内容来表达感兴趣程度，订阅约束条件依赖于属性类型和订阅语言。3.根据权利要求1所述的面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务系统，其特征在于，所述控制器管理平台包括：处理器：用于连接应用，通过pub/sub中间件服务适配接口映射不同应用的QoS需求，并将该需求传递到规划器中；网络监测器：用于使用SDN控制器北向接口来收集网络底层信息，同时负责激活流的监测数据；规划器：用于根据网络监测器获得的监测数据，得出网络资源的最优集合，同时满足数据流的QoS请求；执行器：用于将规划器计算出的结果应用到网络中，即通过控制器北向接口API来执行openflow协议的相应规则，配置交换机；Pub/sub中间件服务适配接口：用于连接应用和处理器的通用接口，为不同pub/sub中间件服务提供通用的接口。4.根据权利要求3所述的面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金娣，李栋，俞雪婷，曾鹏，于海斌，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21