一种面向时间敏感网络的可靠路由及调度方法技术

本发明专利技术涉及时间敏感网络技术领域，且公开了一种面向时间敏感网络的可靠路由及调度方法，包括现场层、数据链路层、网络层、应用层和网络管理器。该面向时间敏感网络的可靠路由，通过基于SDN和TSN的工业互联网网络架构，阐述了整个网络架构的作用机理与涉及的关键技术，分析了该网络架构中时间触发流路由和调度问题的具体场景，与目标在工业互联网的实际部署中，TSN的网络部署和配置需要融合软件定义网络来构建，SDN将控制平面和数据平面分离开，并且将逻辑集中在基于软件的控制器中，可以随时监视网络状态，根据网络的变化进行动态决策，通过SDN的控制方法，可以方便地实现TSN标准中的网络配置模型，使得衡量调度瓶颈的指标更加准确。准确。准确。

【技术实现步骤摘要】
一种面向时间敏感网络的可靠路由及调度方法


[0001]本专利技术涉及时间敏感网络
，具体为一种面向时间敏感网络的可靠路由及调度方法。

技术介绍

[0002]时间敏感网络既能满足工业通信低时延、低料动、高可靠的数据传输需求，又完全兼容现有的以太网体系，是支控工业互联网发展的重要通信台，时间触发流是时间敏感网络中负责传输实时数据的关键流量，其传输严格循门控调度表，选择不同的传输路径会影响调度的成功率，随着工业互联网中智能设备类型和数量日益增长，时间触发流种类和数量也越来越多，这对时间敏感网络容纳时问触发流的能力提出了新的挑战。
[0003]当前一般采用负载平衡路由算法，通过优化负载在网络中的分布以在一定程度上降低调度瓶颈，提高可调度性；但现有路由方法未考虑不同周期时间触发流共享带宽时，发生冲突的可能性是有差别的，导致其衡量调度瓶颈的指标不够准确，并且现有的时间敏感网络技术中，对于网络管理系统方面的方法设计以及关键技术的研究在协议中并未涉及，现有时间敏感网络的路由管理及通信调度方法不够深入，而这些问题恰恰决定了工业无线网络实时性、可靠性等性能，故而我们提出了一种面向时间敏感网络的可靠路由及调度方法。

技术实现思路

[0004](一)解决的技术问题
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种面向时间敏感网络的可靠路由及调度方法，具备使得衡量调度瓶颈的指标更加准确、保证了工业无线网络的实时性、可靠性等性能的优点，解决了现有路由方法未考虑不同周期时间触发流共享带宽时，发生冲突的可能性是有差别的，导致其衡量调度瓶颈的指标不够准确，并且现有的时间敏感网络技术中，对于网络管理系统方面的方法设计以及关键技术的研究在协议中并未涉及，现有时间敏感网络的路由管理及通信调度方法不够深入，而这些问题恰恰决定了工业无线网络实时性、可靠性等性能的问题。
[0006](二)技术方案
[0007]为实现上述使得衡量调度瓶颈的指标更加准确、保证了工业无线网络的实时性、可靠性等性能的目的，本专利技术提供如下技术方案：一种面向时间敏感网络的可靠路由及调度方法，包括现场层、数据链路层、网络层、应用层和网络管理器，所述现场层由工业现场设备、PLC、边缘服务器以及网关组成；所述数据链路层主要负责控制相邻节点之间单跳物理链接、网络协议中时钟同步和时机制的调用；所述网络层由控制平面和数据平面组成；所述应用层包含各种不同QoS需求的应用程序；所述网络管理器由通信调度模块和路由管理模块组成。
[0008]优选的，所述工业现场设备包括工控机床、智能终端设备、工业机器人、监控设备，
负责工业现场的操作并收集工业现场信息，PLC负责对现场设备的自动化流程进行控制，边缘服务器负责对现场的一些业务进行快速的处理，工业现场的信息通过网关传输到工业网络中。
[0009]优选的，在所述网络层中，控制平面的核心是SDN控制器，SDN控制器采用IEEE802.1AS协议进行时钟同步；数据平面的核心是TSN交换机。
[0010]优选的，所述SDN控制器依据IEEE802.1Qcc的相关标准，对网络拓扑进行感知，并检索网桥的功能和流传输需求，并依据获得的网络全局信息以及应用层中的应用请求，制定TSN交换机的路由规则，生成IEEE802.1Qbv规定的门控调度列表，以及实现其他TSN标准制定的策略，并把生成的TSN网络配置下发到每个TSN交换机。
[0011]优选的，所述TSN交换机经过配置后，依据相关TSN标准协议进行数据流的转发，将信息传递到现场层，所述TSN相关协议则贯穿于网络层，从时钟同步到网络的感知与配置，再到流量调度的各种机制的实现，均依赖TSN的相关协议标准。
[0012]优选的，所述数据链路层分为媒体接入子层，媒体接入子层拓展及上层数据链路层，媒体接入子层主要基于IEEE802.15.4协议实现单个数据顿的收发任务，媒体接入子层拓展主要实现CSMA
‑
CA及相关拓展功能，上层数据链路层负责ISA100.11a单个子网内的路由管理功能。
[0013]优选的，所述网络管理器收集各项网络信息以统筹路由及调度策略，并维护各项表单以管理网络通信资源；路由模块利用网络设备列表及网络连接关系维护网络拓扑及各设备邻居表，并以此计算图路由及源路由并最终以路径形式维护于路由表内；调度模块通过网络管理器获取路径信息，分配链路对应的资源，并维护信道资源、超帧和时隙此类网络信资源。
[0014]优选的，完整的路由调度通信过程由管理链路通信调度和数据链路通信调度组成，对每一个数据流所对应的路径进行以下操作：
[0015]管理链路通信调度方法如下：
[0016]1)开始调度管理链路，确定超慎长度、信道偏移量，每个时隙的可用信道总数及预留链路时隙号；
[0017]2)由路由计算模块得到相关路径信息，选取一条下行管理路径；
[0018]3)以路径下行方向为序，取出一条链路，以其前继链路之后的时隙中开始索并进行空闲判断，根据时隙顺序检查该时隙下是否有信道被分配，仍有空闲信道则，再次以路径下行方向为序，取出一条链路，以其前继链路之后的时隙中开始索并进行空闲判断；无空闲信道则继续搜索下一个紧接的可用时；
[0019]4)进行冲突判断，需要检查是否与该时隙内其他链路冲突，这里的冲突是指在实际应用中，无线设备处于半工状态，即同一设备在同一时刻只能和一个设备建立通信关系，若不存在冲，则将该时内该信道分配给本次管理链路；否则继续搜索下一个紧接的可用时；
[0020]5)若该路径中所有下行管理路径已分配资源，返回管理链路通信调度方法的步骤2选取下一个数据流路径；直到给所有数据流链路分配资源。
[0021]数据链路通信调度方法如下：
[0022]1)由路由计算模块得到相关路径信息，选取一条上行数据路径；
[0023]2)根据超循环拼接法，得到该路径中各链路应该分配的时隙号，连续为该链路分
配周期性资源；
[0024]3)以路径上行方向为序，取出一条链路，以其前继链路之后的时隙中开始搜索并进行空闲判断，根据时隙顺序检查该时隙下是否有信道未被分配，仍有空闲信道则，再次以路径上行方向为序，取出一条链路，以其前继链路之后的时隙中开始搜索并进行空闲判断；无空闲信道则继续搜索下一个紧接的可用时隙；该搜索操作同样应用于预分配时；
[0025]4)进行冲突判断，需要检查是否与该时隙内其他链路冲突，若不存在冲突，则将该时隙内该信道分配给本次管理链路；否则继续搜索下一个紧接的可用时隙；该搜索操作同样应用于预分配时隙：
[0026]5)若该路径中所有上行管理路径已分配资源，返回数据链路通信调度方法的步骤2选取下一个数据流路径；直到给所有数据流链路分配资源。
[0027](三)有益效果
[0028]与现有技术相比，本专利技术提供了一种面向时间敏感网络的可靠路由及调度方法，具备以下有益效果：
[0029]1、该面向时间敏感网络的可靠路由，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向时间敏感网络的可靠路由，包括现场层、数据链路层、网络层、应用层和网络管理器，其特征在于：所述现场层由工业现场设备、PLC、边缘服务器以及网关组成；所述数据链路层主要负责控制相邻节点之间单跳物理链接、网络协议中时钟同步和时机制的调用；所述网络层由控制平面和数据平面组成；所述应用层包含各种不同QoS需求的应用程序；所述网络管理器由通信调度模块和路由管理模块组成。2.根据权利要求1所述的一种面向时间敏感网络的可靠路由，其特征在于，所述工业现场设备包括工控机床、智能终端设备、工业机器人、监控设备，负责工业现场的操作并收集工业现场信息，PLC负责对现场设备的自动化流程进行控制，边缘服务器负责对现场的一些业务进行快速的处理，工业现场的信息通过网关传输到工业网络中。3.根据权利要求1所述的一种面向时间敏感网络的可靠路由，其特征在于，在所述网络层中，控制平面的核心是SDN控制器，SDN控制器采用IEEE802.1AS协议进行时钟同步；数据平面的核心是TSN交换机。4.根据权利要求3所述的一种面向时间敏感网络的可靠路由，其特征在于，所述SDN控制器依据IEEE802.1Qcc的相关标准，对网络拓扑进行感知，并检索网桥的功能和流传输需求，并依据获得的网络全局信息以及应用层中的应用请求，制定TSN交换机的路由规则，生成IEEE802.1Qbv规定的门控调度列表，以及实现其他TSN标准制定的策略，并把生成的TSN网络配置下发到每个TSN交换机。5.根据权利要求1所述的一种面向时间敏感网络的可靠路由，其特征在于，所述TSN交换机经过配置后，依据相关TSN标准协议进行数据流的转发，将信息传递到现场层，所述TSN相关协议则贯穿于网络层，从时钟同步到网络的感知与配置，再到流量调度的各种机制的实现，均依赖TSN的相关协议标准。6.根据权利要求1所述的一种面向时间敏感网络的可靠路由，其特征在于，所述数据链路层分为媒体接入子层，媒体接入子层拓展及上层数据链路层，媒体接入子层主要基于IEEE802.15.4协议实现单个数据顿的收发任务，媒体接入子层拓展主要实现CSMA
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CA及相关拓展功能，上层数据链路层负责ISA100.11a单个子网内的路由管理功能。7.根据权利要求1所述的一种面向时间敏感网络的可靠路由，其特征在于，所述网络管理器收集各项网络信息以统筹路由及调度策略，并维...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帅锋，曲海阔，
申请(专利权)人：国家工业信息安全发展研究中心，
类型：发明
国别省市：