CN109600259A - 一种基于软件可定义的实时传输机制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件可定义的实时传输机制，本发明步骤：1)定义网络由应用层、控制层和数据层组成，应用层包括网络状态管理模块、调度模块、切片构建模块和配置管理模块；2)网络状态管理模块维护网络拓扑、网络状态和网络节点信息；3)切片构建模块根据业务流的服务质量需求将其分为时间敏感性网络业务流和普通网络业务流。并建立网络切片，其配置包括传输路径、转发队列和交换节点的优先级配置；4)调度模块识别不同流的服务质量需求，查找相应网络切片所需的带宽来决定是否接纳此流来对不同流进行流量调度；5)控制器根据网络切片构造返回的结果，通过配置管理模块部署到相应的交换机上。保障工业互联网中不同业务流的实时传输需求。

Description

一种基于软件可定义的实时传输机制

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，尤其涉及一种基于软件可定义的实时传输机制。

背景技术

未来的工业领域将会有数以百亿计的设备连接上网，传送在工业互联网中的信息大多是来自工业现场的周期性的测量信息、交织在现场级和控制级，控制对等体间的控制信息，同步各级网络设备和操作用的同步时钟信息，这些信息自身就具有严格的时间要求，需要特别高的实时性和确定性。传统的工业以太网无法承受这些巨大的数据传输量，也无法保障工业控制网络中的实时性要求。网络物理系统(CPS)和工业互联网向工业网络提出了新的要求，因此就需要一种新的架构来满足高速率、高带宽和海量连接等方面诉求。

于是越来越多的设计师、工程师们希望使用这些网络代替当前的现场总线以用于时间敏感型应用，他们在IEEE802.3网络上开发了许多网络架构，为工业自动化系统中的时间敏感应用提供了实时通信的保证。这些技术的基本原理是通过网络对时间触发流量从而进行精确的传输调度，以提供确定性和有界的延迟和抖动。这些传输时间表往往是离线合成的，且保持固定，因此增加了动态添加或移除网络应用程序的难度。并且，这些网络技术原本是为了提供尽力而为的通信服务而设计的，缺乏提供实时保证的机制；工业以太网里常用的协议是在以太网标准协议上做了修改并增加相应的功能，这些协议虽然可以满足工业系统对确定性、实时性的要求，但是它们互操作性低，成本也比较昂贵，加上网络带宽的不足，因此并不能满足当前工业控制系统的传输需求。

工业互联网络的主要目标是不仅可以定义可动态配置的基础设施，而且还可提供共享通信基础设施上不同应用的互操作性。毋庸置疑这必将涉及到更多的通信技术，产品、机器和操作人员的关联性也会越来越大，工业网络也将面临越来越多的异质性。时间敏感网络(Time Sensitive Network，TSN)和软件定义网络(Software Defined Network，SDN)等方法用来设计可以在不同应用上通用的标准，工业控制中的应用主要包括一些视频、音频、对机器的控制等，虽然TSN已经站在了考虑工业自动化的角度上，但相比之下SDN在工业互联网络领域的潜力将会更胜一筹。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种基于软件可定义的实时传输机制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包含如下步骤：

步骤(1)定义网络，网络由应用层、控制层和数据层组成，应用层由网络状态管理模块、调度模块、切片构建模块和配置管理模块组成，控制层的实体为控制器，数据层的实体为物理交换机；

步骤(2)网络状态管理模块维护网络拓扑信息、网络状态信息和网络节点信息，具体包含如下步骤：

2-1通过Netconf协议与数据层的物理交换机进行信息交互，获得网络拓扑信息。

2-2根据当前网络实时流量得到网络状态信息。

2-3根据各个转发节点的负载状况得到网络节点信息。

步骤(3)切片构建模块根据业务流的服务质量需求将其分为时间敏感性网络业务流(TSNF)和普通网络业务流(CNF)。为每一种业务建立网络切片，网络切片的配置包括传输路径、转发队列和交换节点的优先级配置，具体步骤如下：

3-1对TSNF的网络切片构造保障TNSF的实时传输需求，为TNSF预留网络资源。

3-2对不同优先级的TNSF转发队列，在转发完所有优先级较高的数据包后，再转发优先级较低的数据包，TNSF转发队列中所有数据包转发完成后再转发CNF的报文。

3-3根据TNSF的最大吞吐量事先从源节点到目的节点搜索多条可能的传输路径，每条路径均可满足具有特延迟要求的特定数量的时间敏感流。

3-4根据源节点到目的节点的所有传输路径，选取带宽利用率和延迟最小的路径，再根据网络切片来配置每个网络节点的服务质量转发子队列。

3-5切片构建模块在CNF所有可传输路径中选择一条经过节点数最少的传输路径。

步骤(4)调度模块识别不同流的服务质量需求，查找相应网络切片所需带的宽来决定是否接纳此流来对不同流进行流量调度，具体步骤如下：

4-1对于TNSF，在带宽能够满足该流的需求且网络切片中存在传输该流的路径，接纳该流；若带宽虽然满足该流的需求，却没有合适的路由可直接转发该流，那么控制器就会调整当前的流量分配，否则就会拒绝该流。

4-2对于CNF查找满足需求带宽的路径，选取剩余可利用带宽最大的路径来传输，若不满足则丢弃部分数据包。

步骤(5)控制器根据网络切片构造返回的传输路径结果，通过配置管理模块部署到相应的交换机上。

本发明有益效果如下：

传统的工业以太网无法承受这些巨大的数据传输量，也无法保障工业控制网络中的实时性要求，目前提供的是尽力而为的通信服务，缺乏提供实时保证的机制。本发明一方面，根据不同的服务质量需求划分时间敏感流业务和普通业务，另一方面通过构造网络切片，通过传输路径，传输队列，配置管理等，保障工业互联网中不同业务流的实时传输需求。

附图说明

图1为本发明实时传输机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于软件可定义的实时传输机制，包括以下步骤：

步骤(1)定义网络，网络由应用层、控制层和数据层组成，应用层由网络状态管理模块、调度模块、切片构建模块和配置管理模块组成，控制层的实体为控制器，数据层的实体为物理交换机；

步骤(2)网络状态管理模块维护网络拓扑信息、网络状态信息和网络节点信息，具体包含如下步骤：

2-1通过Netconf协议与数据层的物理交换机进行信息交互，获得网络拓扑信息。

2-2根据当前网络实时流量得到网络状态信息。

2-3根据各个转发节点的负载状况得到网络节点信息。

步骤(3)切片构建模块根据业务流的服务质量需求将其分为时间敏感性网络业务流(TSNF)和普通网络业务流(CNF)。为每一种业务建立网络切片，网络切片的配置包括传输路径、转发队列和交换节点的优先级配置，具体步骤如下：

3-1对TSNF的网络切片构造保障TNSF的实时传输需求，为TNSF预留网络资源。

3-2对不同优先级的TNSF转发队列，在转发完所有优先级较高的数据包后，再转发优先级较低的数据包，TNSF转发队列中所有数据包转发完成后再转发CNF的报文。

3-3根据TNSF的最大吞吐量事先从源节点到目的节点搜索多条可能的传输路径，每条路径均可满足具有特延迟要求的特定数量的时间敏感流。

3-4根据源节点到目的节点的所有传输路径，选取带宽利用率和延迟最小的路径，再根据网络切片来配置每个网络节点的服务质量转发子队列。

3-5切片构建模块在CNF所有可传输路径中选择一条经过节点数最少的传输路径。

步骤(4)调度模块识别不同流的服务质量需求，查找相应网络切片所需带的宽来决定是否接纳此流来对不同流进行流量调度，具体步骤如下：

4-1对于TNSF，在带宽能够满足该流的需求且网络切片中存在传输该流的路径，接纳该流；若带宽虽然满足该流的需求，却没有合适的路由可直接转发该流，那么控制器就会调整当前的流量分配，否则就会拒绝该流。

4-2对于CNF查找满足需求带宽的路径，选取剩余可利用带宽最大的路径来传输，若不满足则丢弃部分数据包。

步骤(5)控制器根据网络切片构造返回的传输路径结果，通过配置管理模块部署到相应的交换机上。

实施例

为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，现结合附图进一步说明本发明的技术方案，给出一种本发明的具体实施方式。

在工业互联网中不同业务流在不断传输，对不同网络业务，要保障其传输满足需求。在应用层的网络状态管理模块收集网络状态，网络拓扑，网络节点信息。分类模块根据不同业务，将其分为时间敏感业务和普通业务。根据网络状态管理模块提供的信息，为业务构建网络切片，规划传输路径、转发队列和交换节点的优先级配置等。之后调度模块根据实时的流量进行调度，避免网络发生拥塞。控制器对网络设备进行调用和配置，数据流满足业务需求进行实时传输。

基于上述分析，本发明的实时传输方法可实现如下：

当有网络中有数据流需要传输时，并实现业务需求。首先应用层的网络状态管理模块收集为调度模块和分类模块提供所需网络信息，网络状态管理模块维护网络拓扑，网络状态和网络节点信息，通过Netconf协议与底层的交换机进行信息交互，获得网络拓扑信息。根据历史数据包信息得到网络流量的分布情况和当前网络实时流量得到网络状态信息。根据各个转发节点的负载状况得到网络节点信息。然后切片构建模块根据业务流的服务质量需求将其分为时间敏感性网络业务流(TSNF)和普通网络业务流(CNF)。

为每一种业务建立网络切片包括传输路径、转发队列和交换节点的优先级配置。对TSNF的网络切片构造保障TNSF的实时传输需求，为其预留网络资源。对不同优先级的TNSF转发队列，在转发完所有优先级较高的数据包后，再转发优先级较低的队列，TNSF队列中所有数据包转发完成后再转发CNF的报文。根据TNSF的最大吞吐量事先从源节点到目的节点搜索多条可能的传输路径，每条路径均可满足具有特延迟要求的特定数量的时间敏感流。根据源节点到目的节点的所有传输路径，选取带宽利用率和延迟最小的路径，再根据网络切片来配置每个网络节点的服务质量转发子队列。切片构建模块在CNF所有可传输路径中选择一条经过节点数最少的传输路径。

对实时的流量进行调度，避免网络发生拥塞。调度模块识别不同流的服务质量需求，查找相应网络切片所需带的宽来决定是否接纳此流来对不同流进行流量调度。对于TNSF，在带宽可以满足该流的需求且网络切片中存在可以传输该流的路径，接纳该流；若带宽虽然满足流的需求，若没有合适的路由可直接转发该流，那么控制器就会调整当前的流量分配，否则就会拒绝该流。对于CNF查找满足需求带宽的路径，选取剩余可利用带宽最大的路径来传输，若不满足则丢弃部分数据包。控制器根据网络切片构造返回的传输路径结果，通过配置管理模块部署到相应的交换机上进行数据转发，数据流经由这些网络设备进行传输，最终到达目的节点，实现软件可定义的实时传输。

Claims (1)

1.一种基于软件可定义的实时传输机制，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)定义网络，网络由应用层、控制层和数据层组成，应用层由网络状态管理模块、调度模块、切片构建模块和配置管理模块组成，控制层的实体为控制器，数据层的实体为物理交换机；

步骤(2)网络状态管理模块维护网络拓扑信息、网络状态信息和网络节点信息，具体包含如下步骤：

2-1通过Netconf协议与数据层的物理交换机进行信息交互，获得网络拓扑信息；

2-2根据当前网络实时流量得到网络状态信息；

2-3根据各个转发节点的负载状况得到网络节点信息；

步骤(3)切片构建模块根据业务流的服务质量需求将其分为时间敏感性网络业务流(TSNF)和普通网络业务流(CNF)；为每一种业务建立网络切片，网络切片的配置包括传输路径、转发队列和交换节点的优先级配置，具体步骤如下：

3-1对TSNF的网络切片构造保障TNSF的实时传输需求，为TNSF预留网络资源；

3-2对不同优先级的TNSF转发队列，在转发完所有优先级较高的数据包后，再转发优先级较低的数据包，TNSF转发队列中所有数据包转发完成后再转发CNF的报文；

3-3根据TNSF的最大吞吐量事先从源节点到目的节点搜索多条可能的传输路径，每条路径均可满足具有特延迟要求的特定数量的时间敏感流；

3-4根据源节点到目的节点的所有传输路径，选取带宽利用率和延迟最小的路径，再根据网络切片来配置每个网络节点的服务质量转发子队列；

3-5切片构建模块在CNF所有可传输路径中选择一条经过节点数最少的传输路径；

步骤(4)调度模块识别不同流的服务质量需求，查找相应网络切片所需的带宽来决定是否接纳此流来对不同流进行流量调度，具体步骤如下：

4-1对于TNSF，在带宽能够满足该流的需求且网络切片中存在传输该流的路径，接纳该流；若带宽虽然满足该流的需求，却没有合适的路由可直接转发该流，那么控制器就会调整当前的流量分配，否则就会拒绝该流；

4-2对于CNF查找满足需求带宽的路径，选取剩余可利用带宽最大的路径来传输，若不满足则丢弃部分数据包；

步骤(5)控制器根据网络切片构造返回的传输路径结果，通过配置管理模块部署到相应的交换机上。