CN105577570B - 一种支持业务报文时序逻辑的算法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种支持业务报文时序逻辑的算法专利，主要适用于物联网领域，如智能电网。在物联网实际应用场景中信息化主站与业务终端设备之间有大量的工业控制业务的采集和下发，并且业务终端设备之间对业务报文的时序逻辑有要求。在实际情况中由于受某些应用环境或设备自身的限制，网络没有做到全网时间同步，网络中有许多设备不具备对时功能。本专利提出了VRQ(Virtual Reach Queueing，虚拟到达队列)算法。经过分析VRQ算法结合专利中提出的VTC(Virtual Time Channel,虚拟时间信道)技术、SDN(Software Defined Networking，软件定义网络)技术解决了在设备没有时间同步的情况下，保证业务报文到达终端时的时序逻辑要求。

Description

一种支持业务报文时序逻辑的算法
技术领域
1本发明是一种支持业务报文时序逻辑的算法专利，主要适用于物联网领域，如智能电网。
背景技术
2在物联网实际应用场景中信息化主站与业务终端设备之间有大量的工业控制业务的采集和下发，并且业务终端设备之间对业务报文的时序逻辑有要求。在实际情况中由于受某些应用环境或设备自身的限制，网络没有做到全网时间同步，网络中有许多设备不具备对时功能。在这种情况下，许多设备发送的业务报文不能满足时间同步和时序逻辑要求。现阶段解决这类问题主要采取的措施包括：
1)在设备上单独添加硬件模块，如GPS模块。GPS带来了很高的对时精度，但这样做的成本很好，并且应用也受到了很大的限制。比如GPS外基准时钟硬件受天气影响较大且在某些区域无法实现覆盖，如地下的设备就无法采用GPS时钟对时。
2)不采取专门的措施保障业务的时间同步和时序逻辑要求，只是在建设网络时考虑设备节点之间距离，尽可能的避免远距离的传输。但这种方法没有可靠保障，不能从根本解决问题。
发明内容
5考虑到以上的背景技术分析，并结合物联网中有大量终端设备对到达的业务报文有时序逻辑要求，本专利提出了VRQ(Virtual Reach Queueing，虚拟到达队列)算法。算法解决了在设备没有时间同步的情况下，保证业务报文到达终端时的时序逻辑要求，解决了现有技术的弊端。
6虚拟到达队列是指业务报文按照“入口等待时间”在信息主站入口缓存中按顺序排列的缓存队列，入口等待时间是指业务报文要求到达终端的时刻减去传播路径时延。在图1中描述了一个信息主站往多个终端发送业务报文时，在发送端入口缓存处按照各个报文要求到达时间顺序的不同排列形成的VRQ队列。在图中要求信息主站产生的业务报文在同一时刻到达终端1、2、3，各个报文的要求到达时间、传播路径时间以及入口等待时间如图1(a)表格所示。由于每个报文所经过的路径不一致，对应的传播时延不一致，所得到的报文在发送端入口缓存中形成的VRQ队列如图1(b)所示。业务报文的传播路径时延确定、VRQ队列的形成及其VRQ之间的保护间隔确定在算法具体实施方式中介绍。
7在网络中由于：a)业务报文的自由选择路由使得业务报文每次经过的路径不固定；b)网络拥塞使得业务报文在网络节点的发送等待时间不确定；c)业务报文在网络节点处被高优先级的业务报文抢先调度。这三种情况都会影响VRQ算法的准确性，针对这三种情况分别在具体实施方式中讨论。
附图说明
8图1 VRQ建立示意图
9图2 SDN方式下实现VRQ算法及其时间补偿策略示意图
具体实施方式
10为了方便描述，下文中使用表示业务报文p(#)在信息主站侧的入口等待时间；表示业务报文p(#)的要求到达时刻；Tp(#)表示业务报文p(#)的传播路径时延；用表示vrq(i)的入口等待时间，其值等于在vrq(i)中任意业务报文的入口等待时间；表示vrq(i)与vrq(i+1)的保护间隔，根据入口等待时间的定义可知：
1)传播路径时延Tp(#)的确定：
12确定业务报文的传播路径时延有两种方法：
13a)利用SDN(Software Defined Networking,软件定义网络)技术实现，其具体是指在发送业务报文之前，通过SDN Controller指定业务报文的发送路径，由于SDNController知道信息主站到达各个网络节点的时延信息，也就可以计算出业务报文的传播路径时延。
14b)利用VTC(Virtual Time Channel,虚拟时间信道)技术，虚拟时间信道包括了确定的路由和转发处理时间固定的路径，具体是指，信息主站在发送业务报文之前为其指定一个时间固定的传播路径，业务报文在每个网络节点都等待一个确定的“发送等待时间”，在每个节点发送等待时间都确定的情况下，保证了整个传播路径时间的确定。其中“发送等待时间”是指业务报文插入到网络节点交换队列头部至交换发送成功所经历的时间。为了方便描述，下文中使用符号表示同步测距报文p(#)在网络节点i的发送等待时间，根据虚拟时间信道的定义可知：
式(2)中，Tc表示一个固定的传播时延。根据发送等待时间的定义，同时考虑到每个网络节点不能丢弃正在发送的数据报文，给出每个业务报文在节点i处的发送等待时间应满足式：
在(3)式中，表示网络节点i中队头发送最长数据报文时间；Lp_max，Lp(*)分别表示最长业务报文和本次业务报文长度；C表示网络节点转发速率。
2)入口缓存VRQ建立的原则：
16若业务报文的入口等待时间相同，则排列在同一VRQ中，同时入口缓存中，入口等待时间越小的VRQ队列越靠近缓存的首部。
3)VRQ之间的保护间隔确立：
18在网络没有发生拥塞时，保护间隔应满足公式(4):
4)针对业务报文自由选择路由问题，具体的实施方式：
20根据发明内容里面的分析，VRQ算法的准确性受到业务报文的自由选择路由的影响。针对自由选择路由问题若物联网的传输采用的是EPON技术或类似的树状拓扑则无需考虑此问题；若采用的不是这类技术可以使用SDN(Software Defined Networking,软件定义网络)技术，通过流表指定业务报文的转发路径，避免了业务报文每次重新选择路由。
5)针对网络拥塞问题，具体的实施方式：
22根据发明内容里面的分析，VRQ算法的准确性受到网络拥塞的影响。针对网络拥塞问题采取的措施包括：
a)动态调整VRQ之间的保护间隔：动态调整虚拟到达队列之间的保护间隔，网络发生拥塞时，VRQ之间的保护间隔应满足修正的公式(5)
在式(5)中，表示vrq(i)中的业务报文在每个网络节点处的排队阻塞时间的累加和。通过网络的拥塞程度动态的调整VRQ的保护间隔可以在保证业务报文时序要求的基础上尽量保证时间同步。
b)在SDN实现方式下，采用SDN时间补偿算法:SDN补偿算法是指SDN Controller全局控制每个业务报文在网络节点处的发送等待时间，若某个网络节点的发送等待时间超出了规定的时间，则Controller记录下超出的时间。在业务报文到达下一跳网络节点时，Controller尝试减小业务报文在该节点处的发送等到时间。SDN时间补偿算法具体执行步骤，分为以下4步：
①在网络节点(i-1)，i≥1处若业务报文在规定的发送等待时间内没有得到调度，则在发送等待时间减小为0时刻起，控制器启动定时器，记录此刻起到业务报文完成调度的时间，这个时间记作TΔ；
②在式(4)前提下，控制器减小该业务报文在阻塞节点后序的网络节点上的发送等待时间，假设在i节点减小的时间为同时节点指向下一跳；
③在业务报文未到达终端之前，若等于0，则时间补偿完成，跳出时间补偿策略；若不等于0，则继续执行②；
④当业务报文到达终端时，若等于0，则时间补偿完成，跳出时间补偿策略；若不等于0，则时间补偿失败，无法满足业务报文之间的时间同步，只能采取延迟后续业务报文的发送时间才保证业务报文到达终端时的时序逻辑要求。
在SDN时间补偿策略中需要注意由于每个网络节点的时钟、本振是不完全统一的，所以每个网络节点的补偿时间不能按照本节点自己的时钟作为基准。为了解决这个问题，需要控制器预先知道每个节点的时钟、本振信息。计算出它们的最小倍频，让计数器以最小倍频工作模式计数可以保证最小的超时时间补偿误差。在SDN环境下，Controller执行VRQ算法的示意图如图2所示，SDN可以动态实时的调整业务报文在各个节点处的发送等待时间。如图2(b)所示，业务报文在Node2处的发送等待时间应该为2ns，但由于网络拥塞造成了实际的发送等待时间为3ns，多出了延时为1ns。此时Controller会调整业务报文在后续节点Node3、Node4处的发送等待时间，见图2(b)中的三种Case，其中Case1、Case2为动态调整补偿成功；Case3为动态调整补偿失败。若在后续的几个网络节点中能将超出的时间补偿为0，则照常可以满足业务报文的时间同步要求；若超出的时间不能补偿为0，则此时该业务报文将不会满足时间同步要求，但是通过调整其它相关业务报文的时延值可以做到业务报文在终端节点处的时序逻辑要求，是一种弱同步技术。在实际的物联网传输系统中多采用PTN、EPON方式传输，带宽大且做了流量限制(以大量的现有电力传输网络为例，其流量限制在小于带宽的30％左右)。有实验测试表明在100Mbit/s的交换机局域网中，当流量小于带宽的35％时，交换机转发报文发生冲突的概率非常小，所以实际情况中阻塞的概率会更小。
6)针对高优先级业务抢占调度问题，具体的实施方式：
根据发明内容里面的分析，VRQ算法的准确性受到高优先级业务抢占调度的影响。针对高优先级业务抢占调度问题采取的措施同5)一样，主要包括动态调整VRQ之间的保护间隔和在SDN实现方式下的SDN时间补偿算法。
从以上的分析可以得出，本专利提出的VRQ算法在网络没有拥塞的情况下可以保证业务报文的时间同步要求；在发生网络拥塞时借助动态调整VRQ之间的保护间隔可以保证业务报文的时序逻辑要求，是一种弱同步技术。同时，若采用SDN技术实现VRQ算法并结合SDN时间补偿策略可以进一步提高算法的适用性。

Claims (3)

1.一种支持业务报文时序逻辑的算法，其特征在于：虚拟到达队列VRQ是指业务报文按照入口等待时间在信息主站入口缓存中按顺序排列的缓存队列，入口等待时间是指业务报文要求到达终端的时刻减去传播路径时延；
a.利用软件定义网络SDN技术或利用虚拟时间信道技术确定传播路径时延；
b.按照若业务报文的入口等待时间相同，则排列在同一VRQ中，同时入口缓存中，入口等待时间越小的VRQ队列越靠近缓存的首部的方法建立入口缓存VRQ；
c.VRQ之间确立保护间隔，确立保护间隔为：网络没有发生拥塞时，保护间隔满足公式：
其中，表示vrq(i)与vrq(i+1)的保护间隔，表示vrq(i)的入口等待时间，i为正整数；
d.网络发生拥塞时，针对网络拥塞的处理方法为动态调整VRQ之间的保护间隔，VRQ之间的保护间隔应满足修正的公式:
其中，表示vrq(i)中的业务报文在每个网络节点处的排队阻塞时间的累加和；通过网络的拥塞程度动态的调整VRQ的保护间隔可以在保证业务报文时序要求的基础上保证时间同步；
所述利用软件定义网络SDN技术确定传播路径时延包括在发送业务报文之前，通过SDN控制器指定业务报文的发送路径，由于SDN控制器知道信息主站到达各个网络节点的时延信息，计算出业务报文的传播路径时延；
利用虚拟时间信道技术确定传播路径时延包括确定的路由和转发处理时间固定的路径，具体是指，信息主站在发送业务报文之前为其指定一个时间固定的传播路径，业务报文在每个网络节点都等待一个确定的发送等待时间，在每个节点发送等待时间都确定的情况下，保证了整个传播路径时间的确定；其中发送等待时间是指业务报文插入到网络节点交换队列头部至交换发送成功所经历的时间。
2.根据权利要求1所述的一种支持业务报文时序逻辑的算法，其特征在于：所述针对网络拥塞的处理方法为，在SDN实现方式下，采用SDN时间补偿算法:SDN补偿算法是指SDN控制器全局控制每个业务报文在网络节点处的发送等待时间，若某个网络节点的发送等待时间超出了规定的时间，则控制器记录下超出的时间；在业务报文到达下一跳网络节点时，控制器尝试减小业务报文在该节点处的发送等待时间。
3.根据权利要求2所述的一种支持业务报文时序逻辑的算法，其特征在于：所述SDN方式具体实现步骤为，
①在网络节点(i-1)，i＞1处若业务报文在规定的发送等待时间内没有得到调度，则在发送等待时间减小为0时刻起，控制器启动定时器，记录此刻起到业务报文完成调度的时间，这个时间记作TΔ；
②在指定业务报文的转发路径前提下，控制器减小该业务报文在阻塞节点后序的网络节点上的发送等待时间，假设在i节点减小的时间为同时节点指向下一跳；
③在业务报文未到达终端之前，若等于0，则时间补偿完成，跳出时间补偿策略；若不等于0，则继续执行②；
④当业务报文到达终端时，若等于0，则时间补偿完成，跳出时间补偿策略；若不等于0，则时间补偿失败，无法满足业务报文之间的时间同步，延迟后续业务报文的发送时间以保证业务报文到达终端时的时序逻辑要求。
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