CN108173755B - 一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法 - Google Patents

一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，该方法基于时间敏感网络的多路径网络拓扑结构，包括以下步骤：S1：在以太网报文中插入一个冗余标签；S2：冗余标签的序列号字段产生滚动的序列号，序列产生时复制报文，时间敏感网络拓扑结构的发送节点将报文发送至接收节点；S3对接收到的报文采用序列恢复算法判断通过或丢弃；S4：时间敏感网络对发送节点和接收节点进行时间同步判断，对没有接收的报文进行序列恢复；S5：对步骤S3所丢弃的帧报文进行判断，若丢弃的报文数量相比于网络拓扑结构的路径数量少，则判定不存在潜在错误；若不满足，则判定存在潜在错误。与现有技术相比，本发明具有报文传输零延迟、提高网络冗余性等优点。

Description

一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法
技术领域
本发明涉及通信网络技术领域，尤其是涉及一种时间敏感网络帧的复制和消除方法。
背景技术
随着汽车的智能化进步，车载以太网技术也在不断地快速发展，其网络协议为时间敏感网络TSN(Time-Sensitive Networking)协议，主要包括802.1任务组，时间敏感网络协议要求网络具有冗余特性，该协议可应用于任何拓扑结构，在发生故障时需要零恢复时间，所以对系统有较高的实时性要求。该协议不依赖上层协议，对应用层透明。当前时间敏感网络尚无建立冗余及消除冗余的机制，导致网络系统无法应对报文丢失的情况，冗余性有待提高；此外，时间敏感网络对报文传输的实时性要求很高，因此更加需要一种可提高网络的冗余性能，并且可实现零延迟的帧的复制和消除方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现零延迟、提高网络冗余性的时间敏感网络的帧的复制和消除方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，该方法基于时间敏感网络的多路径网络拓扑结构，包括以下步骤：
S1：插入冗余标签：在以太网报文中插入一个冗余标签；
S2：序列产生及帧复制：当多路径拓扑结构的接收节点向发送节点发送数据请求时，发送节点的计数器的值被复制到报文的冗余标签的序列号中，计数器自增1，超过最大值时归为0，使发送节点产生带有连续序列号的报文，并复制报文通过多条路径传输给接收节点；
S3：序列恢复及帧消除：接收节点对接收到的报文采用序列恢复算法进行判断通过或丢弃；
S4：超时处理：时间敏感网络对发送节点和接收节点进行时间同步判断，对没有正确接收的报文进行序列恢复；
S5：潜在错误检测：对步骤S3所丢弃的帧报文进行判断，若丢弃的报文数量相比于网络拓扑结构的路径数量少一个，则判定时间敏感网络不存在潜在错误；若不满足，则判定时间敏感网络存在潜在错误。
优选地，所述的多路径网络拓扑结构中包括一个发送节点、一个接收节点、至少两条路径以及多个中间节点。
优选地，所述的步骤S1中，冗余标签包括一个以太网类型字段和一个序列号字段，所述的序列号字段用于实现帧的复制和消除。
优选地，所述的步骤S2的具体内容为：当接收节点向发送节点发送数据请求时，发送节点发送报文，序列产生；发送节点设有一个计数器，每次发送报文时计数器加1，计数器的值被复制到报文的冗余标签的序列号中后，报文被传输至下层；当计数器的值超过最大值时，将其归为0，发送节点产生带有连续序列号的报文，并复制报文到多条路径中，最终传输给接收节点。
优选地，所述的步骤S3的具体内容为：采用序列恢复算法消除帧的复制，当接收节点向发送节点发送数据请求时，发送节点发送报文，序列恢复算法根据接收的报文的序列号判断通过或丢弃该报文。
优选地，所述的步骤S4的具体内容为：时间敏感网络中设有定时器，每接收一帧报文则会重置该定时器，当定时器减到0时，判断在这段时间内没有正确接收报文，则返回步骤S3，重置序列恢复算法，开始接收报文。
优选地，所述的步骤S3中，序列恢复算法为矢量消除算法。
优选地，所述的网络拓扑结构包括环型结构、星型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、网状结构和蜂窝状结构。
优选地，所述的步骤S1中，以太网为带有VLAN的原始以太网。
与现有技术相比，本发明方法通过插入的冗余标签产生序列来建立冗余，实现了帧的复制功能；采用序列恢复算法完成消除冗余，实现帧的消除功能；本发明方法结合多路径的网络拓扑结构，对于不同路径中序列号相同的以太网报文，接收节点通过较早到达的报文，丢弃较晚接收的报文，实现了报文传输的零延迟，实时性较高。同时，本发明方法中帧的复制和消除方法针对数据链路层，满足时间敏感网络的不依赖上层协议，对应用层透明的条件。
附图说明
图1为本发明实施例的网络拓扑结构示意图；
图2为本发明的以太网报文结构示意图；
图3为本发明方法的流程图；
图4为本发明实施例的矢量恢复算法示意图；
图5为本发明实施例的帧的复制和消除结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明涉及一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，该方法针对车载以太网中的时间敏感网络，适用于时间敏感网络的多路径网络拓扑结构，本实施例以环型网络拓扑结构为例进行说明。
本实施例采用具有两条路径的环形网络拓扑结构为基础，如图1所示，该环形网络拓扑结构包括一个发送节点T和一个接收节点L，从发送节点到接收节点有两条路径，路径A和路径B；路径A上有1个中间节点，路径B上有3个中间节点。
本发明采用带VLAN的原始以太网报文结构。为了实现帧的复制和消除，需要引入冗余标签以支持无缝冗余。如图2所示，带VLAN的原始以太网报文包括的字段有目标地址、源地址、802.1Q标签、长度/类型、数据和校验；冗余标签包括的字段有以太网类型、序列号和预留字段，以太网类型是固定值，序列号表示报文传输的顺序。
本发明方法的具体步骤如图3所示，包括：
步骤一、插入冗余标签：
在带VLAN的原始以太网报文中插入一个冗余标签，该冗余标签包括一个以太网类型字段和一个序列号字段，以太网类型字段用于表示该报文具有帧的复制和消除功能，序列号字段用于实现帧的复制和消除功能。
步骤二、序列产生及帧复制：
当接收节点向发送节点发送数据请求时，发送节点发送报文，序列产生，序列产生功能可以复制报文；发送节点含有一个计数器，每次发送报文时计数器加1，计数器的值被复制到报文的冗余标签的序列号中，随后报文被传输到下层。当计数器的值超过最大值时则归为0。发送节点T产生带有连续序列号的报文，并复制报文到路径A和路径B，最终传输给接收节点L。
步骤三、序列恢复及帧消除：
序列恢复功能可消除复制，当接收节点向发送节点发送数据请求时，发送节点发送报文，序列恢复算法对接收的报文的序列号判断通过或丢弃该报文。
将目标地址一致、ID号不一致的以太网报文视作冗余报文。接收节点L接收到从发送节点T通过路径A和路径B发送的、具有相同序列号的两帧冗余的以太网报文，通过序列恢复算法接收第一帧报文，丢弃第二帧报文，实现帧的消除。
步骤四、超时处理：
时间敏感网络对发送节点T和接收节点L进行时间同步判断，对没有正确接收的报文进行序列恢复；时间敏感网络内有一个定时器，每正确接收一帧报文就会重置该定时器，定时器会随着报文的接收而减少，当定时器减少到0时，表示在这段时间内没有接收到报文，则时间敏感网络会重置序列恢复算法，并开始接收报文。超时处理可解决序列产生和序列恢复过程中因故障而不一致的情况，以及序列产生因故障而重复发送报文的情况。
步骤五、潜在错误检测：
在一个具有n条路径的环形网络中，每正确接收一帧报文，则通过序列恢复及帧消除步骤会有n-1帧报文被丢弃，当接收节点L接收到的报文数目不符合此规律时，则判定时间敏感网络的报文传输潜在错误。
下面以实际报文传输进行说明。
MaxSeqNum为网络当前接收过的最大的序列号，SequenceHistory记录了最近接收的序列号的历史，它的长度是SequenceHistoryLength，SequenceHistory是一个比特向量，从0到SequenceHistoryLength-1分别对应序列号MaxSeqNum到MaxSeqNum-SequenceHistoryLength+1，1表示最近接收过该序列号，0表示没有接收过序列号。
序列恢复功能含有多种序列恢复算法，本实施例采用矢量恢复算法。矢量恢复算法首先通过接收的第一帧报文，丢弃之后所接收到的序列号在MaxSeqNum±SequenceHistoryLength窗外的报文，如图4中虚线部分所示。如果报文的序列号在MaxSeqNum-SequenceHistoryLength窗内，则根据SequenceHistory判断该序列号最近是否被接收过，若未被接收过就通过该报文，并更新序列号历史，否则就丢弃该报文。如果报文的序列号在MaxSeqNum+SequenceHistoryLength窗内，就通过该报文，并更新MaxSeqNum和SequenceHistory。
表1为SequenceHistory情况表，记录了最近接收的序列号的历史，它的长度是SequenceHistoryLength，本实施例中的SequenceHistoryLength为50，SequenceHistory是一个比特向量，从0到SequenceHistoryLength-1分别对应序列号MaxSeqNum到MaxSeqNum-SequenceHistoryLength+1，1表示最近接收过该序列号，0表示没有接收过该序列号。
表1 SequenceHistory历史情况
序列号 100 99 98 97 96 … 51
是否见过该序列号 1 0 1 0 0 … 0
图5为本实施例对帧进行复制和消除后的结果，图中有四组报文，第一组表示发送节点T产生的带有连续序列号的报文。第二组、第三组分别表示通过路径A、B到达接收节点L的报文，因为路径B具有多个节点，即需通过更多的交换机，因此路径B的报文比路径A的报文到达得晚。第四组是最终通过接收节点L传输给上层的报文。由此可以看出：对于路径A和路径B中序列号相同的报文，接收节点L通过较早到达的报文，丢弃较晚接收的报文，因此本实施例可实现零延迟，可达到时间敏感网络的实时性要求；尽管路径A中序列号为3、5和7的报文丢失了，但因路径B中相同序列号的报文没有丢失，因此，对接收节点L而言并没有报文丢失，网络的冗余性能提升。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，其特征在于，所述的方法基于时间敏感网络的多路径网络拓扑结构，所述的方法包括以下步骤：
S1：插入冗余标签：在以太网报文中插入一个冗余标签；所述的冗余标签包括一个以太网类型字段和一个序列号字段，所述的以太网类型字段用于表示该报文具有帧的复制和消除功能，所述的序列号字段用于实现帧的复制和消除；
S2：序列产生及帧复制：当多路径拓扑结构的接收节点向发送节点发送数据请求时，发送节点的计数器的值被复制到报文的冗余标签的序列号中，计数器自增1，超过最大值时归为0，使发送节点产生带有连续序列号的报文，并复制报文通过多条路径传输给接收节点；
S3：序列恢复及帧消除：接收节点对接收到的报文采用序列恢复算法进行判断通过或丢弃；
S4：超时处理：时间敏感网络对发送节点和接收节点进行时间同步判断，对没有正确接收的报文进行序列恢复；
S5：潜在错误检测：对步骤S3所丢弃的帧报文进行判断，若丢弃的报文数量相比于网络拓扑结构的路径数量少一个，则判定时间敏感网络不存在潜在错误；若不满足，则判定时间敏感网络存在潜在错误。
2.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，其特征在于，所述的多路径网络拓扑结构中包括一个发送节点、一个接收节点、至少两条路径以及多个中间节点。
3.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，其特征在于，S2的具体内容为：当接收节点向发送节点发送数据请求时，发送节点发送报文，序列产生；发送节点设有一个计数器，每次发送报文时计数器加1，计数器的值被复制到报文的冗余标签的序列号中后，报文被传输至下层；当计数器的值超过最大值时，将其归为0，发送节点产生带有连续序列号的报文，并复制报文到多条路径中，最终传输给接收节点。
4.根据权利要求3所述的一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，其特征在于，S3的具体内容为：采用序列恢复算法消除帧的复制，当接收节点向发送节点发送数据请求时，发送节点发送报文，序列恢复算法根据接收的报文的序列号判断通过或丢弃该报文。
5.根据权利要求4所述的一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，其特征在于，S4的具体内容为：时间敏感网络中设有定时器，每接收一帧报文则会重置该定时器，当定时器减到0时，判断在这段时间内没有正确接收报文，则返回步骤S3，重置序列恢复算法，开始接收报文。
6.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，其特征在于，S3中，序列恢复算法为矢量消除算法。
7.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，其特征在于，所述的网络拓扑结构包括环型结构、星型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、网状结构和蜂窝状结构。
8.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的帧的复制和消除方法，其特征在于，S1中，以太网为带有VLAN的原始以太网。
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