一种工业物联网中面向多服务共存以及确定性网络需求的IP层数据包调度算法制造技术

一种工业物联网中面向多服务共存以及确定性网络需求的IP层数据包调度算法，其属于工业物联网数据实时传输和多网络融合的技术领域。目前的数据包调度算法缺乏对工业物联网中连续的周期性数据和离散的控制数据并存问题的分析。该算法同时考虑了数据包的优先级和传输时延，并通过各个优先级的数据包最大传输时延的计算公式得到混杂切换系统的部分切换条件，使用混杂切换系统模型对数据包调度过程进行分析，从而设计了IP层的数据包调度算法。利用本发明专利技术算法可以对来自不同类型网络的数据包进行调度，实现多网络融合，同时可以满足工业物联网中数据包的实时性需求，降低了丢包率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种工业物联网中面向多服务共存以及确定性网络需求的IP层数据包调度算法


[0001]本专利技术属于工业物联网数据实时传输和多网络融合的
，涉及到一种在IP层根据数据包优先级、传输时间以及基于混杂切换系统模型进行数据包调度的调度算法。

技术介绍

[0002]随着无线网络和5G技术的发展，多网络融合以及多服务共存已经成为目前工业物联网研究领域必须攻克的问题。同时，随着确定性网络应用需求的提出，如何在这种混合网络应用场景中，确保各个数据包能够按照要求及时进行网络发送，已成为关键。为了满足工业物联网数据包端到端的低时延需求，IEEE802.1工作组发布了一系列时间敏感网络(TSN)相关标准，通过时钟同步、数据流调度策略等技术标准在数据链路层确保数据包传输的实时性。但是，时间敏感网络的相关标准仅仅适用于数据链路层，为了将TSN中开发的技术扩展到路由器，互联网工程任务组(IETF)提出了确定性网络(DetNet)。确定性网络是一项帮助实现IP网络从提供“尽力而为”的网络服务到提供“准时、准确、快速”的网络服务，控制并降低端到端时延的技术，在数据链路层和IP层上实现确定传输路径，这些路径可以提供延迟、丢包和抖动的最坏情况界限，以此提供确定的延迟。目前在IP层和数据链路层之间，如何根据需求设计数据包调度算法尚不成熟，尤其是根据数据包的优先级和传输时间进行数据包调度，尚未见相关报道。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的是在于克服现存技术的不足，提供一种针对工业物联网中来自多种不同类型或多个相同类型的网络的数据包以及来自多个应用服务的数据包在IP层中进行转发时的调度算法。该方法同时考虑了数据包的优先级和传输时间，并通过各个优先级的数据包最大传输时延的计算公式得到混杂切换系统的部分切换条件，使用混杂切换系统模型对数据包调度过程进行分析，从而设计了IP层的数据包调度算法，克服当前工业物联网中控制类等对时延有高要求的数据包实时性不能保证的问题，同时也降低了网络的丢包率。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种面向工业物联网的基于数据优先级、传输时间以及最大传输时延的数据包调度算法，该方法是在现有TCP/IP协议架构中IP协议层的基础上的一个扩充。安装时，需要将该方法加到IP层中。同时该方法所需要的数据优先级、传输时间与最大传输时延三个参数信息，都可以通过网络直接获取，或经过简单计算得到。其中，数据优先级可以根据数据数据包中的固定字段信息获得，这部分是协议中规定的。在时钟同步的前提下，传输时间可以通过同步的时钟时间与协议规定的IP报文可选字段时间戳选项记录的时间简单计算获得。最大传输时延可以通过工业生产要求的预设采样周期值以及协议规定的时延计算得到。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]首先，将数据包调度过程设计为包含两个子系统的混杂切换模型，两个子系统分
别为优先级优先子系统以及时间优先子系统。优先级优先子系统中待发送列中的数据包采用优先级优先的排序方式，即从队首至队尾数据包的优先级逐渐降低，优先级相同的数据包按照传输时间由大到小的顺序排序，时间优先子系统中待发送队列中的数据包采用时间优先的排序方式，即从队首至队尾数据包的剩余传输时间(最大传输时延与传输时间之差)逐渐增大，剩余传输时间相同的数据包按照优先级由高到低的顺序排序；其次，通过相关参数计算得到切换条件中待发送队列数据包平均已传输时间的最值；最后，根据子系统的状态参数(平均已传输时间)是否满足切换条件以及离散事件是否发生共同决定子系统之间的切换，离散事件包括接收到控制数据包以及待发送队列中存在即将超时数据包。
[0007]数据包调度算法的具体步骤如下：
[0008]步骤1.初始化：设置当前所处子系统为优先级优先子系统，通过工业网络中各优先级数据包的预设采样周期以及网络协议中规定的优先级为IPP的数据包的最大传输延迟计算各个优先级数据包的最大传输时延；
[0009]最大传输时延表示当前工业网络中优先级为IPP的数据包的最大传输延迟；其表达式如下：
[0010][0011]其中，IPP∈{0,1,2,3,4,5,6,7}，表示IP报文的发送优先级；为当前工业网络中优先级为IPP的数据包的预设采样周期，该工业网络中该优先级的数据包理论传输最大传输时延等于预设采样周期值；表示网络协议中规定的优先级为IPP的数据包的最大传输延迟；取当前工业网络中优先级为IPP的数据包的预设采样周期和网络协议中规定的优先级为IPP的数据包的最大传输延迟中的较小值作为网络资源调度的最大传输时延；
[0012]若当前工业网络中同一优先级的不同应用程序的数据包的预设采样周期值不同，则最大传输时延的表达式如下：
[0013][0014]其中，i≤A
num
，A
num
为当前工业网络中产生同一优先级数据包但预设采样周期不同的应用程序个数；
[0015]步骤2.获取数据类型：当有数据包到达IP层时，提取该数据包的优先级以及时间戳选项记录的发送时间；获取转发节点与接收端之间链路的往返延时RTT；
[0016]数据优先级β用以表示当前数据包在调度过程中的优先权重，表达式如下：
[0017][0018]其中，IPP∈{0,1,2,3,4,5,6,7}，表示IP报文的发送优先级，数值越大，优先级越高；IPP
um
为优先级种类，在RFC标准中，有8个优先级，即IPP
um
＝8；故IPP<IPP
um
，数据优先级β∈[0,1)；通过β判断数据优先级，β越大，数据优先级越高；
[0019]RFC 1323引入了IP报文可选字段中的时间戳选项；当时间戳选项的标志字段FL为3时，记录发送端的IP地址以及生成数据包的时间；当有数据包到达IP层时，提取该数据包的优先级以及数据包时间戳选项中与源地址相同的IP地址对应的时间戳；在时钟同步的前
提下，发送端或转发节点通过当前时钟时间与时间戳选项记录的数据包发送时间之差得到数据包的传输时间，用T
trans
表示；发送端或者转发节点通过与接收端通信获取该节点与接收端之间链路的往返延时，用RTT表示；
[0020]步骤3.计算状态参数：利用往返延时和优先级数据包的最大传输时延计算切换条件中的待发送队列数据包的平均已传输时间的最值；计算当前待发送队列数据包的平均已传输时间，表达式如下：
[0021][0022][0023]其中，为该数据包对应优先级数据包的最大传输时延，RTT为该节点与接收端之间的往返时延，m为待发送队列中数据包数，m
IPP
为待发送队列中该数据包对应优先级的数据包个数，R
max
、R
min
为系数；其中：m≤M，M为待发送队列总长度；
[0024]再计算当前待发送队列数据包的平均已传输时间，平均已传输时间T用以表示当前待发送队列中数据包的延迟情况，其表达式如下：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业物联网中面向多服务共存以及确定性网络需求的IP层数据包调度算法，其特征是：首先，将数据包调度过程设计为包含两个子系统的混杂切换模型，两个子系统分别为优先级优先子系统以及时间优先子系统；其次，通过相关参数计算得到切换条件中待发送队列数据包平均已传输时间的最值；最后，根据子系统的状态参数是否满足切换条件以及离散事件是否发生共同决定子系统之间的切换，离散事件包括接收到控制数据包以及待发送队列中存在即将超时数据包；数据包调度算法的具体步骤如下：步骤1.初始化：设置当前所处子系统为优先级优先子系统，通过工业网络中各优先级数据包的预设采样周期以及网络协议中规定的优先级为IPP的数据包的最大传输延迟计算各个优先级数据包的最大传输时延；最大传输时延表示当前工业网络中优先级为IPP的数据包的最大传输延迟；其表达式如下：其中，IPP∈{0,1,2,3,4,5,6,7}，表示IP报文的发送优先级；为当前工业网络中优先级为IPP的数据包的预设采样周期，该工业网络中该优先级的数据包理论传输最大传输时延等于预设采样周期值；表示网络协议中规定的优先级为IPP的数据包的最大传输延迟；取当前工业网络中优先级为IPP的数据包的预设采样周期和网络协议中规定的优先级为IPP的数据包的最大传输延迟中的较小值作为网络资源调度的最大传输时延；若当前工业网络中同一优先级的不同应用程序的数据包的预设采样周期值不同，则最大传输时延的表达式如下：其中，i≤A
num
，A
num
为当前工业网络中产生同一优先级数据包但预设采样周期不同的应用程序个数；步骤2.获取数据类型：当有数据包到达IP层时，提取该数据包的优先级以及时间戳选项记录的发送时间；获取转发节点与接收端之间链路的往返延时RTT；数据优先级β用以表示当前数据包在调度过程中的优先权重，表达式如下：其中，IPP∈{0,1,2,3,4,5,6,7}，表示IP报文的发送优先级，数值越大，优先级越高；IPP
um
为优先级种类，在RFC标准中，有8个优先级，即IPP
um
＝8；故IPP<IPP
um
，数据优先级β∈[0,1)；通过β判断数据优先级，β越大，数据优先级越高；RFC 1323引入了IP报文可选字段中的时间戳选项；当时间戳选项的标志字段FL为3时，记录发送端的IP地址以及生成数据包的时间；当有数据包到达IP层时，提取该数据包的优先级以及数据包时间戳选项中与源地址相同的IP地址对应的时间戳；在时钟同步的前提下，发送端或转发节点通过当前时钟时间与时间戳选项记录的数据包发送时间之差得到数据包的传输时间，用T
trans
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【专利技术属性】
技术研发人员：丁男，王艳红，吴迪，孙希明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：