CN109995545B - 基于sdn的车间工业网络拓扑构建及其业务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于SDN的车间工业网络拓扑构建及其业务调度方法。本发明包括两部分内容：首先提出一种工业网络的拓扑结构并给出其构建方式，该网络拓扑基于链状拓扑改进，便于在工厂生产车间实施且提供冗余链路；在此基础上提出一种针对该拓扑的业务数据调度方法，该方法依赖于SDN架构的集中管理模式和数据层面的控制策略，实现数据转发过程中的负载均衡以及链路/设备故障时业务通信恢复功能。本发明将SDN技术应用于车间工业网络，在不明显增加网络部署难度的情况下，增加了网络冗余度，提高了数据通信的可靠性，同时解决了较复杂拓扑中数据路径规划问题。

Description

基于SDN的车间工业网络拓扑构建及其业务调度方法

技术领域

本发明属于数据通信技术领域，是软件定义网络的可靠传输方法，具体涉及一种基于SDN的车间工业网络拓扑构建及其业务调度方法。

背景技术

近些年来，软件定义网络(SDN)的应用越来越广泛。与传统网络不同，软件定义网络可以实现细粒度的数据转发控制策略，因此适用于复杂的拓扑结构，可以为增加网络的冗余性，进而提高网络数据传输的可靠性。

随着国家智能制造脚步的加快，车间智能设备快速增加，对网络依赖越来越高。传统以太网采用星型级联拓扑结构，存在着可靠性差，网络部署困难的缺点。为了提高网络的可靠性同时便于网络部署，车间工业网络采用了工业环网的方式。但是随着网络规模的扩大，工业环网冗余度不高，级联链路的负载压力大的问题逐渐暴露出来。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于SDN的车间工业网络拓扑构建及其业务调度方法，对工业环网进行改进，进一步增加网络的冗余度，同时减少级联链路的业务压力。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于SDN的车间工业网络拓扑构建及其业务调度方法，包括网络拓扑的构建和基于构建拓扑的业务调度方法两部分；

所述车间工业网络拓扑构建指构建交换机之间的拓扑，在链状拓扑的基础上，根据一定规则生成的具有冗余性的网络拓扑。

所述业务调度方法，在SDN网络控制器中实现，根据拓扑生成业务路径，并在网络交换机或者链路出现故障情况下，对业务路径进行重新规划。

所述网络拓扑的构建包括以下步骤：

(1)根据车间布局构建树状拓扑，并将树状拓扑拆解为多个级别的链状拓扑，拆解时分支节点和向根方向的上一个节点同时属于两个链状拓扑；

(2)针对链状拓扑，从头至尾对交换机节点进行1至n编号；

(3)取正整数M(1＜M≤n)和L(1≤L＜M)将拓扑中编号为k(M-L-1)+1和(k+1)M-kL-k的节点连接，其中k＝0,1,2,…，且

(4)若

将拓扑中编号为k_max(M-L-1)+1和n的节点连接，其中k_max表示k可以取到的最大值。

所述业务调度方法采用以下步骤计算业务路径：

(1)在SDN控制器中还原树状拓扑并对交换机编号：针对链状拓扑，从头至尾对交换机节点进行1至n编号；

(2)若两个分别连有业务终端节点的交换机在同一链状拓扑分支内，则依次通过步骤(3)和(4)得到业务路径；否则，针对每个拓扑分支，依次采用步骤(3)和(4)得到业务在每条分支上的路径，并将两条路径连接为一条路径；

(3)计算链状拓扑中编号为p和q的节点之间路径上的节点集合R＝{r_i|i＝0,1,2…}，p<q，步骤为：

(i)初始化r₀＝p；

(ii)若r_i≠k(M-L-1)+1，记r_i+1＝r_i+1；

(iii)若r_i＝k(M-L-1)+1且r_i≠k_max(M-L-1)+1，且q≥(k+1)M-kL-k，记r_i+1＝(k+1)M-kL-k；

(iv)若r_i＝k_max(M-L-1)+1，且q≠n，记r_i+1＝r_i+1；

(v)若r_i＝k_max(M-L-1)+1，且q＝n，记r_i+1＝q；

(vi)将r_i+1记录到路径节点列表中，若r_i+1＝q，计算完毕；否则记r_i＝r_i+1，进行步骤(ii)；

(4)若业务传输方向为p至q，将R中r_i的下一跳节点设置为r_i+1，i＝0，1，2，…，t-1，并将[r_i-r_i+1]链路加入到业务的链路列表中；若业务方向为q至p，将R中该r_i的下一跳节点设置为r_i-1，i＝1，2，3，…，t，并将[r_i-r_i-1]链路加入到业务的链路列表中；其中t为路径节点个数。

当网络中链状拓扑的链路发生故障时，所述业务调度方法采用以下步骤重新计算路径：

(1)SDN控制器根据故障路径判断两端节点编号S_i和S_i+1；

(2)查询S_i和S_i+1所有通信关系的业务列表；

(3)取k中的最小值j，使S_i≥j(M-L-1)+1且S_i+1≤n(j+1)M-jL-j；

(4)针对S_i和S_i+1业务列表中的某一个业务，将j(M-L-1)+1和n(j+1)M-jL-j之间所有链状拓扑链路以及j(M-L-1)+1和n(j+1)M-jL-j之间直连链路加入到业务的链路列表中，并将两端节点相同的的链路从列表中删除；

(5)根据链路的传输方向整理链路列表，使链路列表中的传输方向为单向传输。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明构建拓扑的方法树状拓扑为基础，符合一般车间的布局规划，易于在车间内部署和实现；

2.本发明将树状拓扑拆分成链状拓扑进行优化，更便于理解和实现；

3.本发明数据调度策略引入了SDN架构，解决复杂拓扑条件下数据路径规划问题。

附图说明

图1是本发明拓扑构建的示意图一；

图2a是本发明拓扑构建的示意图二；

图2b是本发明拓扑构建的示意图三；

图3是本发明业务数据调度方法的流程图；

图4a是本发明链路故障后业务路径重新规划的示意图一；

图4b是本发明链路故障后业务路径重新规划的示意图二；

图4c是本发明链路故障后业务路径重新规划的示意图三。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明内容作详细叙述：

一种基于SDN的车间工业网络拓扑构建及其业务调度方法包括网络拓扑的构建和基于构建拓扑的业务调度方法两部分内容。

参照图1，所述网络拓扑的构建包括以下步骤：

步骤1：参照图2a，根据车间布局构建树状拓扑，并将树状拓扑拆解为多个级别的链状拓扑，拆解时分支节点和向根方向的上一个节点同时属于两个链状拓扑；图中树状拓扑被拆分成A(灰色)、B(黑色)、C(空心)三条链状拓扑，B链上的灰色节点同时属于A、B两个链状拓扑，B链上的空心节点同时属于B、C两个链状拓扑；

步骤2：参照图2b，针对链状拓扑，从头至尾对交换机进行“1”至“n”编号，图2b中对图2a中B链的节点进行了编号，n取14；

步骤3：取正整数M(1＜M≤n)和L(1≤L＜M)将拓扑中上编号为“k(M-L-1)+1”和“(k+1)M-kL-k”连接，其中k＝0,1,2,…，且

步骤4：若

将拓扑中编号为k_max(M-L-1)+1和n的节点连接，其中k_max表示k可以取到的最大值；图2b是M取值为6，L取值为1的，k_max取值为2时的示意图。

所述业务调度方法采用以下步骤计算业务路径：

步骤1：在SDN控制器中还原树状拓扑并采用拓扑构建时对交换机的编号方式进行编号；

步骤2：若业务终端节点连接的交换机在同一链状拓扑分支内，如图1中B2和B7，则采用步骤步骤3和4的方法计算业务路径；若业务终端节点连接的交换机不在同一链状拓扑分支内，如图1中A4和B13，则采用步骤3和4所述方法分段计算业务路径后连接为一条完整路径，分成A4到A9，B9到B13两段，并连接成A4-A9-B13一条路径；

步骤3：参照图1、图2a-图2b，计算链状拓扑中编号为p和q的节点之间路径上的节点集合R＝{r_i|i＝0,1,2…}，p<q，具体步骤如图3所示：

步骤3-1：初始化r₀＝p；

步骤3-2：若r_i≠k(M-L-1)+1(图1除1、5、9号外节点)，记r_i+1＝r_i+1；

步骤3-3：若r_i＝k(M-L-1)+1且r_i≠k_max(M-L-1)+1(图1中的1、5号节点)，且q≥(k+1)M-kL-k，记r_i+1＝(k+1)M-kL-k；

步骤3-4：若r_i＝k_max(M-L-1)+1(图1中的9号节点)，且q≠n，记r_i+1＝r_i+1；

步骤3-5：若r_i＝k_max(M-L-1)+1，且q＝n，记r_i+1＝q；

步骤3-6：将r_i+1记录到路径节点列表中，若r_i+1＝q，计算完毕；否则记r_i＝r_i+1，进行步骤步骤3-2；

步骤4：若业务传输方向为p至q，将R中r_i的下一跳节点设置为r_i+1，i＝0，1，2，…，t-1，并将[r_i-r_i+1]链路加入到业务的链路列表中；若业务方向为q至p，将R中该r_i的下一跳节点设置为r_i-1，i＝1，2，3，…，t，并将[r_i-r_i-1]链路加入到业务的链路列表中；其中t为路径节点个数。

参照图4a-4c，当网络中链状拓扑的链路发生故障时，所述业务调度方法采用以下步骤重新计算路径：

(1)SDN控制器根据故障路径判断两端节点编号S_i和S_i+1，即7和8；

(2)调出S_i和S_i+1所有业务列表；

(3)取最小j值，使S_i≥j(M-L-1)+1且S_i+1≤n(j+1)M-jL-j，图4a-4c中j取值为1；

(4)针对S_i和S_i+1的具体业务，将j(M-L-1)+1之间n(j+1)M-jL-j所有链状拓扑链路以及j(M-L-1)+1之间n(j+1)M-jL-j直连链路加入到业务的链路列表中，并将终端相同的链路从列表中删除，图4a中黑色实线表示要添加的链路。图4a中表示要添加的链路：5-6,6-7,8-9,9-10,5-10；图4b红色节点及链路表示一个原有业务的起始点及路径：3-4,4-5,5-6,6-7,7-8；图4c表示图4a和图4b中链路去交集并且只保留唯一值的结果：3-4,4-5,5-10,9-10,8-9，图4c中红色节点及链路表示重新规划的路径。

(5)重新整理链路列表，根据需要将新增链路方向进行调换，最终形成3-4,4,-5,5-10,10-9,9-8的结果。

Claims (2)

1.基于SDN的车间工业网络拓扑构建及其业务调度方法，其特征在于，

网络拓扑的构建：根据车间工业网络拓扑构建交换机之间的树状拓扑，在链状拓扑的基础上生成具有冗余性的网络拓扑；

业务调度：根据网络拓扑生成业务路径，实现业务的调度；

所述网络拓扑的构建包括以下步骤：

(1)根据车间布局构建树状拓扑，并将树状拓扑拆解为多个级别的链状拓扑，拆解时分支节点和向根方向的上一个节点同时属于两个链状拓扑；

(2)针对链状拓扑，从头至尾对交换机节点进行1至n编号；

(3)取正整数M和L，将拓扑中编号为k(M-L-1)+1和(k+1)M-kL-k的节点连接，其中k＝0,1,2,…，且

1＜M≤n，1≤L＜M；

(4)若

将拓扑中编号为k_max(M-L-1)+1和n的节点连接，其中k_max表示k可以取到的最大值；

所述业务调度方法采用以下步骤：

(1)在SDN控制器中还原树状拓扑并对交换机编号：针对链状拓扑，从头至尾对交换机节点进行1至n编号；

(2)若两个分别连有业务终端节点的交换机在同一链状拓扑分支内，则依次通过步骤(3)和(4)得到业务路径；否则，针对每个拓扑分支，依次采用步骤(3)和(4)得到业务在每条分支上的路径，并连接为一条路径；

(3)计算链状拓扑中编号为p和q的节点之间路径上的节点集合R＝{r_i|i＝0,1,2…}，p<q，步骤为：

(i)初始化r₀＝p；

(ii)若r_i≠k(M-L-1)+1，记r_i+1＝r_i+1；

(iii)若r_i＝k(M-L-1)+1且r_i≠k_max(M-L-1)+1，且q≥(k+1)M-kL-k，记r_i+1＝(k+1)M-kL-k；

(iv)若r_i＝k_max(M-L-1)+1，且q≠n，记r_i+1＝r_i+1；

(v)若r_i＝k_max(M-L-1)+1，且q＝n，记r_i+1＝q；

(vi)将r_i+1记录到路径节点列表中，若r_i+1＝q，计算完毕；否则记r_i＝r_i+1，返回步骤(ii)；

(4)若业务传输方向为p至q，将R中r_i的下一跳节点设置为r_i+1，i＝0，1，2，…，t-1，并将[r_i-r_i+1]链路加入到业务的链路列表中；若业务方向为q至p，将R中该r_i的下一跳节点设置为r_i-1，i＝1，2，3，…，t，并将[r_i-r_i-1]链路加入到业务的链路列表中；其中t为路径节点个数。

2.根据权利要求1中所述基于SDN的车间工业网络拓扑构建及其业务调度方法，其特征在于，并在网络交换机或者链路出现故障情况下，对业务路径进行重新规划，采用以下步骤重新计算路径：

(1)SDN控制器根据故障路径判断两端节点编号S_i和S_i+1；

(2)查询S_i和S_i+1所有通信关系的业务列表；

(3)取k中的最小值j，使S_i≥j(M-L-1)+1且S_i+1≤n(j+1)M-jL-j；

(4)针对S_i和S_i+1业务列表中的某一个业务，将j(M-L-1)+1和n(j+1)M-jL-j之间所有链状拓扑链路以及j(M-L-1)+1和n(j+1)M-jL-j之间直连链路加入到业务的链路列表中，并将两端节点相同的链路从列表中删除；

(5)根据链路的传输方向整理链路列表，使链路列表中的传输方向为单向传输。

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