【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工业互联网通信，尤其涉及一种跨tsn和pon域的确定性协同路由和调度方法。
技术介绍
1、随着工业互联网的推进，信息技术(it)与操作技术(ot)的融合成为一种必然趋势。工业虚拟现实(vr)/增强现实(ar)等技术将迅速普及，助力工程师远程实时监控工厂内设备状况。此外，为扩大机器协同范围，可将可编程逻辑控制器(plc)部署于边缘数据中心处，实现集中式控制。而位于数据中心处的plc与现场设备之间控制信息的交互则需要接入网络的支撑。时间敏感(ts)工业应用，例如控制器到控制器，工业机器人等，具有极高的时延(100μs-2ms)和抖动(1μs-2ms)需求，要求接入网络具备确定性的传送能力，即保证时延和抖动具有上界且满足业务的传输需求。
2、时间敏感网络(tsn)在工业互联网中扮演了重要角色。tsn工作组提出了一系列机制，例如帧抢占，时间感知整形(tas)等，为ts工业业务提供了低时延和抖动的保障。其中，tas技术可以通过传输门控制队列的发送状态，为ts业务设置专门的传输窗口(tw)以避免其他业务的干扰，从而实现亚毫秒级的确定性时延和零抖动。然而，在大规模网络场景下则可能需要大量tsn交换机，这不仅提高了成本，还使得tsn交换机的配置(门控列表的计算)变得极为复杂。
3、时分复用无源光网络(tdm-pon)作为一种点到多点(p2mp)的网络技术受到了研究人员的关注。在工业自动化中，一条生产线上通常包含一个线控制器(l-plc)以及多台机器用于联合完成任务，其中一台机器通常还包含一个专用的控制器(p
4、1、控制器到控制器(c2c/l2c)的通信
5、在工业生产线中，多个机器之间通常需要联合执行任务。因此l-plc通常用于监测和控制整条生产线，保证正常生产。如图1所示，黄色流代表c2c通信。这种通信类型通常包括以下几种：
6、1)pon的两个onu连接的plc之间(pon内部)：如图1中(a)所示，两个plc分别连接到pon内部的不同onu。
7、2)两个pon的onu连接的plc之间(跨pon)：如图1中(b)所示，两个plc分别连接到两个pon中的onu。
8、3)pon链接的plc与dc-plc之间(通过pon)：plc连接到onu，dc-plc连接到同一pon内的olt(如图1中(a))或另一个pon(如图1中(b))。
9、2、控制器到现场设备(c2d)的通信
10、一台机器通常由一个控制器(plc)和一系列的现场设备(即传感器/执行器)组成。如图1所示，红色流代表c2d通信。这种通信类型通常包括以下几种：
11、1)pon的两个onu连接的plc和现场设备之间(pon内部)：如图1中(a)所示，plc和现场设备分别连接到pon内部的不同onu。
12、2)pon连接的现场设备与dc-plc之间(通过pon)：现场设备连接到onu，dc-plc连接到同一pon内部的olt(如图1中(a))或另一个pon(如图2中(b))。
13、3、现场设备到计算机(d2cmp)的通信
14、操作人员可以在数据中心处的计算机收集现场设备的状态信息，从而了解现场设备的工作状态等信息。如图1所示，绿色流代表d2cmp通信。这种通信类型通常包括以下几种：
15、1)pon连接的现场设备与计算机之间(通过pon)：现场设备连接到onu，而计算机通常位于边缘dc，dc连接到同一pon内的olt(如图1中(a))所示。
16、关于工业互联网业务通信需求，表1中总结了上述三种通信类型对应的流类型和连接网络。其中c2c/l2c和c2d通信类型包括等时流、循环流、事件流以及配置和诊断流。d2cmp通信类型包括事件流、配置和诊断流以及音/视频流。表1中的流类型大致可分为三类：1)等时流，2)循环流，3)突发流(包括事件、配置和诊断、音/视频流)。
17、表1工业互联网流类型总结
18、
19、表2列出了与上述三种流类型对应周期、时延和抖动需求。等时流和循环流通常对时延和抖动都有严格的要求，其中等时流对抖动的要求最为严格(1μs)，而循环流对抖动的要求相对宽松(200μs-2ms)。突发流的时延和抖动要求比等时和循环流更宽松。
20、表2三种类型流的需求
21、
22、
23、综上所述，工业流具有极其严格的端到端时延和抖动需求，需要接入网络具备确定性的传输能力。
24、现有异构网络中的方案为非联合调度方案，即tsn域和pon域各自保证其域内的确定性传输。在tsn域中通常采用tas技术，并利用可满足性模型理论(smt)和整数线性规划(ilp)来规划流的tw的位置，以保证流的确定性传输。在pon域中则有固定带宽分配(fba)、动态带宽分配(dba)和时间感知确定性带宽分配(ta-detba)等方案。
25、其中，tas技术是tsn中最受研究人员关注的技术之一。如图2所示，不同优先级队列受到不同的传输门进行控制，门开的时候队列内的数据包被允许传输，门关的时候则不允许传输。而所有队列的传输门则受到门控列表控制，门控列表在每个时隙都有每个门的开关信息。tas技术中通过门的开关将高优先级业务(ts流)进行隔离，避免其他优先级的业务的干扰，从而保证业务时延和抖动的确定性。fba中，olt会周期性的为onu分配固定大小的tw(即带宽)，而不管onu是否有需求。即使分配给onu的tw未使用，也不会重新分配给其他的onu。在gpon中，tw的大小与流的峰值速率有关，而tw的周期则与上行帧时长(125μs)有关。dba中，olt和onu需要依赖于“请求和授权”机制实现tw的分配。onu每经过一个轮询周期会上报一次其队列内的流量负载状态，当olt收到所有onu的流量负载后会根据带宽分配算法为每个onu分配tw大小和开始时间(在下个上行帧中的偏移)。olt为onu分配的tw大小与onu的流量负载有关，而tw的开始时间则是按照一定顺序(例如优先级)依次分配。ta-detba中，olt会根据流的带宽需求分配tw大小，同时根据流的到达时间(at)、周期、时延和抖动等需求，对流的tw位置进行约束，并在所有流的超周期中进行位置的分配，从而满足工业流时延和抖动的确定性。如图3所示，tw位置被限制在了at和时延上界(ubd)之内，这能保证业务时延的确定性。同时，每个tw的开始本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种跨TSN和PON域的确定性协同路由和调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的跨TSN和PON域的确定性协同路由和调度方法，其特征在于，步骤S2将TDM-PON等效为OTSN交换机的具体实现过程为：将TDM-PON视为一个整体，将ONU和OLT的端口分别视为OTSN交换机的接入端口和汇聚端口；将OTSN的流映射模块相当于ONU的流映射模块并增加端口ID；将ONU的传输容器等同于OTSN交换机中的T队列，且OTSN中两个队列的TW之间存在物理保护带；将ODN等同于位于T队列前面的延迟门，将OTSN中TW的开始时间等同于TDM-PON中TW到达OLT的时间。
3.根据权利要求1所述的跨TSN和PON域的确定性协同路由和调度方法，其特征在于，步骤S4对所有TS流进行排序的方法为：
4.根据权利要求1所述的跨TSN和PON域的确定性协同路由和调度方法，其特征在于，步骤S5按照顺序对所有TS流进行调度的方法为：
5.根据权利要求4所述的跨TSN和PON域的确定性协同路由和调度方法，其特征在于，步骤b)中的约束包括：
6.根据权利要求4所述的跨TSN和PON域的确定性协同路由和调度方法，其特征在于，步骤f)在实际网络配置时，ONU的开始时间将根据流在OTSN处的开始时间进行计算，流i在OTSN节点u的TW的开始时间是则ONU实际的开始时间为：
...【技术特征摘要】
1.一种跨tsn和pon域的确定性协同路由和调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的跨tsn和pon域的确定性协同路由和调度方法，其特征在于，步骤s2将tdm-pon等效为otsn交换机的具体实现过程为：将tdm-pon视为一个整体，将onu和olt的端口分别视为otsn交换机的接入端口和汇聚端口；将otsn的流映射模块相当于onu的流映射模块并增加端口id；将onu的传输容器等同于otsn交换机中的t队列，且otsn中两个队列的tw之间存在物理保护带；将odn等同于位于t队列前面的延迟门，将otsn中tw的开始时间等同于tdm-pon中tw到达olt的时间。
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