CN108156023B - 一种基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于互联网技术领域，公开了一种基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统及方法，其中冗余模块，转发模块，分析装置构成了整个分析系统，通过冗余模块对输入时间敏感数据的识别，复制，恢复，通过转发模块选择传输，实现音视频业务流的冗余；通过加入分析装置，对网络中存在的失效节点和链路提出了一种高效的分析方法，能够有效的识别网络中的错误节点或者链路，避免失效链路对网络带来的危害，为未来的流媒体音视频网络提供了一种可靠的传输模式，大大提高了时间敏感性网络的网络可靠度以及传输服务质量。

Description

一种基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统及方法

技术领域

本发明属于互联网技术领域，尤其涉及一种基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统及方法。

背景技术

随着IT技术的飞速发展，时间关键型应用快速发展，如试听广播(AVB)，汽车工业，工业自动化以及所谓的物联网，需要高度可靠的实时以太网标准来实现对这些技术的支撑，为使得以太网能够满足新兴的应用的确定性需求，2005年，IEEE 802.1任务组制订了AVB，以太网音视频桥接技术(Ethernet Audio Video Bridging)，是一套基于新的以太网架构的用于实时音视频传输的协议集，有效解决了数据在以太网中传输的时序性、低延时和流量整形问题。2012年，IEEE802.1任务组将AVB更名为TSN—时间敏感性网络，其核心就是AVB技术，增加了了几个新的工业标准。近些年，随着现代化网络的飞速发展，各个行业对时间敏感性业务的需求也越来越大，对业务要求和质量也越来越高，在通信领域中，传统的冗余机制已经远远不能满足于现有的应用需求，传统的冗余大多是采用的是双机热备机制，如果节点或者链路失效后，通过操作主机来切换备份设备或者备份线路。传统的冗余在时延上的开销比较大，但是在指挥控制，视频会议等领域；如果在关键业务的进行过程中，也许很短时间的切换时延就会导致很严重后果，比如在军队的指挥控制系统的领域，如果上级通过音视频网络下达作战或者其他关键性的指令时，如果主节点或者备份节点的失效，就会导致一段时间的音视频业务的产生错误，比如掉帧，失去连接等，会产生非常严重的后果；对一些大型的企业和公司来说，在现如今音视频传输质量决定客户选择的时代，更高更可靠的音视频传输质量决定着一个公司的经济效益和前途命运。PRP主要是IEC62439-3发布的IEC 62439-3发布的PRP采用网络节点冗余的方式，以“并行”的冗余模式，从理论上实现了零自愈时间(切换时间为0)的无缝切换效果。PRP协议可以通过驱动层软件、应用层软件或硬件来实现，PRP主要使用在应用层。PRP主要通过DAN(dual attached node)这个设备相互连接两个LAN(局域网)，在DAN设备中通过LRE(Link Redundancy Entity)模块实现两个端口的数据的发送和接收，两个LAN中的交换机与同一个DAN相连接，DAN中具有两个端口，每个端口又分为TX和RX两种，这两个端口分别连接两个局域网。应用层向下发出数据经过LRE，复制产生相同的帧，加入RCT后，分别送到LAN1和LAN2的TX口，接收时两个RX接收到相同的数据后，经过LRE，去掉RCT后丢弃其中一个，送到上层应用层即接收到数据，实现了两个LAN的冗余。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统的冗余节点或者链路失效后，通过操作主机来切换备份设备或者备份线路，在时延上的开销比较大。

工业以太网中的生成树协议所带来的问题，生成树协议是由IEEE定义并且制定，需要由交换机实现，生成树协议运行在交换机上生成树算法管理链路，在这个过程中，一旦发现环路生成树协议会自动通过编辑方式阻塞一个或者多个冗余端口，避免了产生的广播风暴，当系统发现主路径工作异常时，交换机自动解除端口阻塞，使新的链路能够使用，但是此种方式故障恢复时间比较长，通过在加入分析系统后，能够零恢复时间实现冗余，出现错误节点和链路时，能够提前侦测到错误节点或者链路，在工业应用领域中，避免了由于切换备份节点或者链路带来的损失。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统，所述基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统包括：发送端、接收端、网络分析装置、防火墙、远程服务器；

发送端与防火墙连接，防火墙与远程服务器连接，发送端与网络分析装置连接。网络分析装置与接收端连接，网络分析装置与网络分析装置互相连接；其中，网络分析装置包括电源模块、计时器、转发模块、管理模块、冗余模块、入/出端口模块、分析记录装置以及检测装置，电源模块与计时器连接，计时器与分析记录装置分别与检测装置连接，入/出端口模块和分析记录装置分别和管理模块相连，转发模块与冗余模块相连。

进一步，所述冗余模块包括入/出接口模块、被动流识别模块、序列解码模块、序列生成模块、主动流识别模块、单体恢复模块、序列恢复模块、序列编码模块、主动流识别模块、模块互通接口、端口过滤实体模块、队列实体模块；

入/出接口模块和端口过滤实体模块以及队列实体模块相连，端口过滤实体模块内被动流识别模块、序列解码模块、序列生成模块、主动流识别模块、单体恢复模块、序列恢复模块、序列编码模块、主动流识别模块依次相连，端口过滤实体模块和模块互通接口相连。

本发明的另一目的在于提供一种所述基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统的基于冗余机制的时间敏感性网络分析方法，所述基于冗余机制的时间敏感性网络分析方法包括以下步骤：

步骤一，当数据流由发送端传输到所述网络分析装置，数据帧通过入/出端口模块进入到分析装置内部，通过检测装置，检测到是发送端所发的数据帧帧后，进入到下一步管理模块内部，在进入管理模块内部后，数据帧通过冗余模块，再经过转发模块，分析记录装置记下所通过帧的相关信息，记录器中存在计数功能；

步骤二，网络分析装置中的检测装置实现错误节点和链路发现和识别。

进一步，所述步骤一的冗余模块的信息处理具体包括：

发送模式：

(1)数据帧经过被动流识别模块检测是否是相同的VLAN，检测到数据帧不是相同的VLAN则进入(2)；

(2)数据帧经过序列解码模块，加入R-TAG标记，经过复制标记R-TAG的数据帧组成数据流，再经过流分裂的功能，将两个一模一样的流分裂成为两条流，进入(3)；

(3)通过入口出口过滤后，进入到序列编码模块，将完整的数据帧封装后传输到两个入/出端口模块，两条相同的流经过两条不同的路径，进入(4)；

(4)网络分析装置接收由两个入/出端口模块接收到的相同的流后，传入到管理模块内；

接收模式：

(1)管理模块接收到两个入/出端口模块传入的两条流后，先通过单体恢复模块，是否有单个数据帧重复发送，同时传信号给分析记录装置，记录接收到的帧序列号，计时器刷新，进入到(2)；

(2)经过序列解码模块，两条数据流中的数据帧解封装，识别两个数据帧中携带的R-TAG，通过序列恢复模块将携带有重复的R-TAG的数据帧丢弃，进入到(3)；

(3)保留下的完好的数据帧再经过序列编码模块后封装好后继续传输给内部接收端口，入/出端口模块收到了一模一样的数据流，实现两条链路的冗余。

进一步，所述步骤二具体包括：

(1)检测装置是独立于管理模块运行，有独立的电源供电，进入(2)；

(2)计时器周期性的调动检测装置，周期性的给相邻的网络分析装置发送检测帧，进入(3)；

(3)如果网络分析装置在计时器的周期允许范围内收到来自相邻的网络分析装置发送的检测帧时，说明相邻网络分析装置和链路是完整的。

进一步，所述相邻网络分析装置和链路是完整的，会出现：

a)如果同时收到两个来自相邻装置的检测帧说明相邻装置和链路完整；

b)如果只收到任意一个方向的检测帧说明未收到的一边出现失效装置或者链路；

c)如果任意一个检测帧都没有收到，说明装置是失效的。

本发明运用在在时间敏感性网络中，在网络中加入设计的装置后，通过装置解决了在时间敏感性网络环境中使用单一节点或者链路传输中低可靠性的问题，使用冗余节点和路径同时进行数据传输；加入分析模块，使用周期性发送检测帧的方法来解决网络中节点或者链路失效后如何发现失效节点和链路的问题。

本发明使用并行冗余主要是针对应用层来说，通过上层软件实现冗余，通过数据链路层和物理层进行交换和转发，不用通过上层，在内部实现FRER功能，无需经过应用层传输，通过在数据链路层和物理层即可实现冗余，实现简单。并行冗余的实现主要关键设备是DAN多重接入节点设备，如果DAN设备出现问题，将会影响两个LAN的数据传输，而本发明通过在网络加入此装置，每个装置的功能相互独立，即使单个节点失效，或者链路失效，不影响其他节点或者路径的继续使用，使网络的可靠性大大增强。当并行冗余网络中某个节点失效或者链路失效时，无法进行错误的识别和发送，取决于两个相互连接的LAN的网络拓扑，而本发明加入的模块中有分析模块，加入时钟，周期性的向相邻节点和发送检测帧的方式检测错误，使网络能够及时找到失效的节点或者链路，使网络容错率更低，更安全可靠。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的网络分析装置结构示意图；

图3是本发明实施例提供的冗余模块结构示意图；

图中：1、发送端；2、接收端；3、网络分析装置；4、防火墙；5、远程服务器；6、电源；7、计时器；8、转发模块；9、管理模块；10、冗余模块；11、入/出端口模块；12、分析记录装置；13、检测装置；14、入/出接口模块；15、被动流识别模块；16、序列解码模块；17、序列生成模块；18、主动流识别模块；19、单体恢复模块；20、序列恢复模块；21、序列编码模块；22、主动流识别模块；23、模块互通接口；24、端口过滤实体模块；25、队列实体模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统包括：发送端1、接收端2、网络分析装置3、防火墙4、远程服务器5。

发送端1与防火墙4连接，防火墙4与远程服务器5连接，发送端1与网络分析装置3连接。网络分析装置3与接收端2连接，网络分析装置3与网络分析装置3互相连接；其中，网络分析装置3包括电源模块6、计时器7、转发模块8、管理模块9、冗余模块10、入/出端口模块11、分析记录装置12以及检测装置13，电源模块6与计时器7连接，计时器7与分析记录装置12分别与检测装置13连接，入/出端口模块11和分析记录装置12分别和管理模块9相连，转发模块8与冗余模块10相连。

冗余模块10包括入/出接口模块14、被动流识别模块15、序列解码模块、序列生成模块17、主动流识别模块18、单体恢复模块19、序列恢复模块20、序列编码模块21、主动流识别模块22、模块互通接口23、端口过滤实体模块24、队列实体模块25。

入/出接口模块14和端口过滤实体模块24以及队列实体模块25相连，端口过滤实体模块24内被动流识别模块15、序列解码模块16、序列生成模块17、主动流识别模块18、单体恢复模块19、序列恢复模块20、序列编码模块21、主动流识别模块22依次相连，端口过滤实体模块24和模块互通接口23相连。

本发明实施例提供的基于冗余机制的时间敏感性网络分析方法包括以下步骤：

一、当数据流由发送端传输到所述网络分析装置3时，数据帧通过入/出端口模块11进入到分析装置内部，通过检测装置13，检测到是发送端所发的数据帧帧后，即进入到下一步管理模块9内部，在进入管理模块内部后，数据帧通过冗余模块10，再经过转发模块8，分析记录装置12记下所通过帧的相关信息，记录器中存在计数功能，冗余模块内部实现如下：

发送模式：

1.数据帧经过被动流识别模块15检测是否是相同的VLAN，检测到数据帧不是相同的VLAN则进入下一步；

2.数据帧经过序列解码模块16后，加入R-TAG标记，经过复制标记了R-TAG的数据帧组成数据流，再经过流分裂的功能，将两个一模一样的流分裂成为两条流，进入下一步；

3.通过入口出口过滤后，最后进入到序列编码模块21，将完整的数据帧封装后传输到两个入/出端口模块11，两条相同的流经过两条不同的路径，进入下一步；

4.网络分析装置3接收由两个入/出端口模块11接收到的相同的流后，传入到管理模块9内。

接收模式：

5管理模块9接收到两个入/出端口模块11传入的两条流后，先通过单体恢复模块19，是否有单个数据帧重复发送，同时传信号给分析记录装置，记录接收到的帧序列号，以便计时器刷新，进入到下一步；

6.经过序列解码模块16，将两条数据流中的数据帧解封装，识别两个数据帧中携带的R-TAG，通过序列恢复模块20将携带有重复的R-TAG的数据帧丢弃，进入到下一步；

7.保留下的完好的数据帧再经过序列编码模块21后封装好后继续传输给内部接收端口，入/出端口模块11收到了一模一样的数据流，这便实现了两条链路的冗余。

二、网络分析装置3中的检测装置13是如下实现错误节点和链路发现和识别：

1.检测装置13是独立于管理模块9运行的，有独立的电源供电，进入下一步；

2.计时器7周期性的调动检测装置13，周期性的给相邻的网络分析装置3发送检测帧，进入下一步；

3.如果网络分析装置3在计时器7的周期允许范围内收到来自相邻的网络分析装置3发送的检测帧时，说明相邻网络分析装置3和链路都是完整的，这会出现三种情况：

a)如果同时收到两个来自相邻装置的检测帧说明相邻装置和链路完整。

b)如果只收到任意一个方向的检测帧说明未收到的一边出现失效装置或者链路。

c)如果任意一个检测帧都没有收到，说明此时这个装置是失效的。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图1所示，发送端1、接收端2、网络分析装置3、防火墙4、远程服务器5，网络分析装置3分别与发送端1和接收端2相连，网络分析装置3在一个小型环网中互相连接，发送端1与防火墙3相连，防火墙3继续与远程服务器5相连。

如图2所示，网络分析装置3包括电源模块6、计时器7、转发模块8、管理模块9、冗余模块10、入/出端口模块11、分析记录装置12以及检测装置13，电源模块9、冗余模块10、通信模块14、实时时钟模块12、显示模块13。电源模块6与计时器7连接，计时器7与分析记录装置12分别与检测装置13连接，入/出端口模块11和分析记录装置12分别和管理模块9相连，转发模块8与冗余模块10在管理模块9内部依次相连。

如图3所示，冗余模块10包括入/出接口模块14、被动流识别模块15、序列解码模块；、序列生成模块17、主动流识别模块18、单体恢复模块19、序列恢复模块20、序列编码模块21、主动流识别模块22、模块互通接口23、端口过滤实体模块24、队列实体模块25。入/出接口模块14和端口过滤实体模块24以及队列实体模块25相连，端口过滤实体模块24内被动流识别模块15、序列解码模块16、序列生成模块17、主动流识别模块18、单体恢复模块19、序列恢复模块20、序列编码模块21、主动流识别模块22依次相连，端口过滤实体模块24和模块互通接口23相连。

本发明采用基于数据链路层协议技术，与传统的PRP并行冗余相比，不需要调动上层可以实现冗余和错误识别能力，更加方便和高效，在研究现有技术的前提下，创造性的改造了实现交换的中继节点，功能更加齐全，对时间敏感性网络传输的实时性以及服务质量得到了显著的提高，采用了零切换时间和相邻设备检测节点和链路的技术，对时间敏感性网络的可靠性有了进一步的提升。

本发明第一可以对时间敏感性网络中的音视频业务数据流进行识别，音视频业务流数据帧在进入网络后，采用FRER功能，复制数据流，对经过的数据帧进行序列编号，并在传统的帧内部加入了冗余特有的R-TAG；第二，对标记了R-TAG的帧重新编码后经过转发模块递送至两个端口；第三，接收到数据帧后，通过解码得到R-TAG通过对比丢弃重复的帧，得到唯一数据流，此实现方法简单高效，方便快捷；第四，在时间敏感性网络分析装置内部加入分析模块，能在计时器的工作下，周期性发送检测帧，发送检测帧的过程单独实现，不会干扰到冗余帧的动作，互相不影响，使得识别错误节点和链路的工作变得简单；第五通过计数器的刷新，记录分析装置的每次记录和分析，使得每个分析装置都在第一时间得到相邻节点的连接情况，如果发送检测帧相邻装置在周期时间内未收到，便放弃向某个方向的传输，通过转发装置的转发功能，选择新的转发路径和装置，这使得时间敏感性网络中的检错工作变得简便，而且更方便后续的转发传输工作。

传统的PRP并行冗余协议虽然做到了零切换时间，但是它基于应用层的设计，尤其是DAN的设计比较复杂，在实现冗余的过程中比较单一，没有提出一种能够及时检错的可行性方案，本发明能够通过简单设计，基于数据链路层设计实现简单，实现成本低廉。传统PRP并行冗余协议中DAN是最关键设备，如果当DAN出现错误时，整个网络可能导致瘫痪，而本方案每个装置都是独立实现的，如果单个装置出现错误是不会发生整个网络瘫痪，其保证了良好的网络可靠性和稳定性，为时间敏感性网路的大规模使用提供了前提。出了一种只针对数据链路层协议为主的冗余实现方案，比起传统的PRP并行冗余协议，此装置无需提交至上层协议，设计简单，在实现冗余过程中，同时也能够满足零切换时间的要求，能够最大的保证传输质量。通过对一种分析装置的设计，创新性的将冗余功能和检错功能结合起来，实现独立的冗余和独立的检错技术，提出一种可行的双向检测错误技术，简单可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统，其特征在于，所述基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统包括：发送端、接收端、网络分析装置、防火墙、远程服务器；

发送端与防火墙连接，防火墙与远程服务器连接，发送端与网络分析装置连接；网络分析装置与接收端连接，网络分析装置与网络分析装置互相连接；其中，网络分析装置包括电源模块、计时器、转发模块、管理模块、冗余模块、入/出端口模块、分析记录装置以及检测装置，电源模块与计时器连接，计时器与分析记录装置分别与检测装置连接，入/出端口模块和分析记录装置分别和管理模块相连，转发模块与冗余模块相连。

2.如权利要求1所述的基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统，其特征在于，所述冗余模块包括入/出接口模块、被动流识别模块、序列解码模块、序列生成模块、主动流识别模块、单体恢复模块、序列恢复模块、序列编码模块、主动流识别模块、模块互通接口、端口过滤实体模块、队列实体模块；

入/出接口模块和端口过滤实体模块以及队列实体模块相连，端口过滤实体模块内被动流识别模块、序列解码模块、序列生成模块、主动流识别模块、单体恢复模块、序列恢复模块、序列编码模块、主动流识别模块依次相连，端口过滤实体模块和模块互通接口相连。

3.一种如权利要求1所述基于冗余机制的时间敏感性网络分析系统的基于冗余机制的时间敏感性网络分析方法，其特征在于，所述基于冗余机制的时间敏感性网络分析方法包括以下步骤：

步骤一，当数据流由发送端传输到所述网络分析装置，数据帧通过入/出端口模块进入到分析装置内部，通过检测装置，检测到是发送端所发的数据帧后，进入到下一步管理模块内部，在进入管理模块内部后，数据帧通过冗余模块，再经过转发模块，分析记录装置记下所通过帧的相关信息，记录器中存在计数功能；

步骤二，网络分析装置中的检测装置实现错误节点和链路发现和识别。

4.如权利要求3所述的基于冗余机制的时间敏感性网络分析方法，其特征在于，所述步骤一的冗余模块的信息处理具体包括：

发送模式：

(1)数据帧经过被动流识别模块检测是否是相同的VLAN，检测到数据帧不是相同的VLAN则进入(2)；

(2)数据帧经过序列解码模块，加入R-TAG标记，经过复制标记R-TAG的数据帧组成数据流，再经过流分裂的功能，将两个一模一样的流分裂成为两条流，进入(3)；

(3)通过入口出口过滤后，进入到序列编码模块，将完整的数据帧封装后传输到两个入/出端口模块，两条相同的流经过两条不同的路径，进入(4)；

(4)网络分析装置接收由两个入/出端口模块接收到的相同的流后，传入到管理模块内；

接收模式：

(1)管理模块接收到两个入/出端口模块传入的两条流后，先通过单体恢复模块，是否有单个数据帧重复发送，同时传信号给分析记录装置，记录接收到的帧序列号，计时器刷新，进入到(2)；

(2)经过序列解码模块，两条数据流中的数据帧解封装，识别两个数据帧中携带的R-TAG，通过序列恢复模块将携带有重复的R-TAG的数据帧丢弃，进入到(3)；

(3)保留下的完好的数据帧再经过序列编码模块后封装好后继续传输给内部接收端口，入/出端口模块收到了一模一样的数据流，实现两条链路的冗余。

5.如权利要求3所述的基于冗余机制的时间敏感性网络分析方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

(1)检测装置是独立于管理模块运行，有独立的电源供电，进入(2)；

(2)计时器周期性的调动检测装置，周期性的给相邻的网络分析装置发送检测帧，进入(3)；

(3)如果网络分析装置在计时器的周期允许范围内收到来自相邻的网络分析装置发送的检测帧时，说明相邻网络分析装置和链路是完整的。

6.如权利要求5所述的基于冗余机制的时间敏感性网络分析方法，其特征在于，所述相邻网络分析装置和链路是完整的，会出现：

a)如果同时收到两个来自相邻装置的检测帧说明相邻装置和链路完整；

b)如果只收到任意一个方向的检测帧说明未收到的一边出现失效装置或者链路；

c)如果任意一个检测帧都没有收到，说明装置是失效的。

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