CN110460527B - 一种网络资源的管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SDN的时间敏感网络设备及网络资源管理方法，包括设备上线自动注册配置和设备下线自动注销。由SDN网络控制器进行终端设备入网管理。入网设备将业务需求发送至SDN网络控制器。SDN网络控制器根据业务请求预留资源并配置相应的参数，并将结果发送至网络交换机。网络交换机根据配置信息对业务数据进行转发。终端设备下线前，向SDN网络控制器提出注销，SDN控制器控制交换机释放该设备的相关资源。当预留资源长期未被使用时，交换机自动释放资源并通知SDN控制器注销设备。本发明将SDN架构与时间敏感网络融合，即实现了终端设备在上述网络系统中的即插即用功能，又有效的保证了网络系统资源的有效利用。

Description

一种网络资源的管理方法
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的时间敏感网络设备及网络资源管理方法。
背景技术
随着工业控制系统的发展，其对设备互联互通的需求越来越旺盛。基于IP 的以太网技术采用标准化的通信接口，同时可以满足设备在局域和广域范围的互联，而且传输带宽大，因此在工业领域应用的越来越广泛。
然而，工业业务对时延要求较高，标准以太网采用的CSMA/CD机制以及交换机采用的Best Effort的转发模式无法提供可靠的实时性保障。为此，工业设备制造厂商根据自己的业务需求研发了一系列基于标准以太网的改进版本。由于改进版本用于设备厂商的不同需求，因此各个厂家采用独立的网络设备，配置方法各异，且互不兼容，给实际工业应用带来不便。
针对这一问题，时间敏感网络的概念被提出。这一技术采用时分的形式，为上层业务提供时延保障，满足不同应用的时延需求。但是其网络参数配置复杂，不便系统级应用。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于SDN的时间敏感网络设备及网络资源管理方法，采用SDN架构与时间敏感网络结合，根据业务的实际需求计算网络配置参数，并采用统一网管的形式对时间敏感网络交换机进行配置。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于SDN的时间敏感网络设备及网络资源管理方法，包括设备上线自动注册配置和设备下线注销。
所述的设备上线自动注册配置，由SDN网络控制器进行终端设备入网管理，根据业务请求预留资源并配置相应的调度策略及参数发送至网络交换机节点，由交换机执行数据调度；
所述的设备下线注销，由终端设备下线前向SDN网络控制器提出注销，SDN 控制器控制交换机释放与该设备相关的网络资源；或当预留资源长期未被使用时，交换机通知SDN控制器资源闲置，由SDN控制器判断终端设备是否仍然在线，并将不在线设备注销并控制交换机释放与该设备相关的网络资源。
所述设备上线自动注册配置包括以下步骤：
(1)待入网终端设备发送DHCP请求，SDN控制器的DHCP服务模块向该终端设备分配IP地址；
(2)SDN控制器的拓扑管理模块采用LLDP协议获取入网终端设备的位置信息，并更新网络拓扑；
(3)SDN控制器的设备管理模块向入网终端设备发送设备配置文件请求信息，获取该设备的配置文件；
(4)SDN控制器的设备管理模块将该终端设备的配置文件解析成配置信息再更新至设备库，并将配置信息发送给SDN控制器的应用管理模块；
(5)SDN控制器的应用管理模块根据配置信息匹配相关的在网终端设备，并确定业务通信关系形成待更新业务组合；
(6)SDN控制器的应用管理模块解析待更新业务组合的需求，并更新至业务关系库；
(7)SDN控制器的应用管理模块针对网络状态能够满足业务需求的情况，生成网络设备配置参数，并进行步骤(8)，针对不能满足业务需求的情况向相关终端设备发送失败信息；
(8)SDN控制器的网络配置模块将应用管理模块形成的网络配置参数发送至相关网络交换机中，并由应用管理模块向相关业务终端设备发送确认信息；
(9)网络交换机根据SDN控制器的网络配置参数执行入网终端设备之间的数据业务转发。
所述步骤(6)中的SDN控制器的应用管理模块解析待更新业务组合的需求并更新至业务关系库，包括以下步骤：
(6.1)根据网络拓扑计算业务需求的路径，如果数量和路径不相交情况满足要求则进行步骤(6.2)；否则返回失败信息；
(6.2)根据路径生成交换机转发配置信息，若业务有多路径需求，则在配置多路径始端交换机为业务配置多端口分发功能，并在多路径末端配置多路径数据汇聚功能；
(6.3)判断时延要求：若无时延要求，则配置业务不经过时延敏感队列，进行步骤(6.13)；否则进行步骤(6.4)；
(6.4)计算保障时延为：τ＝n×T，其中n为业务最长路径经过的链路数量， T为网络的转发周期；
(6.5)判断保障时延能否满足业务时延要求：若满足，则更新网络设备配置信息，使业务进入交换机时延敏感队列；否则返回失败信息；
(6.6)判断是否可获取时延敏感业务的发送周期P或发送间隔IT，其中 IT＝1/P：若可获取，配置业务超时时间为δ＝m×IT，其中m为常量；
(6.7)判断时延敏感业务是否有直接带宽需求：若有带宽需求，则进行步骤(6.10)；若没有直接带宽需求，进行步骤(6.8)；
(6.8)判断是否可获取时延敏感业务最大帧长度、数据包密度，若可获取进行步骤(6.9)；否则返回失败信息；
(6.9)计算时延敏感业务带宽需求：
Figure BDA0001651762140000031
其中MFS为业务最大帧长度，OH为数据帧框架大小，固定长度42字节，MIF 为数据包密度，IT为业务发送时间间隔，为业务发送周期的倒数；
(6.10)判断各链路时延敏感业务已用带宽与新业务带宽需求之和是否大于总带宽的60％，并且各链路已用总带宽是否大于总带宽的90％：若均不大于，则进行步骤(6.11)；否则返回失败信息；
(6.11)修改交换机配置信息，使时延敏感业务进入流量整形队列，根据业务带宽需求修改整形队列配置参数；
(6.12)更新各链路已用时延敏感业务带宽和已用总带宽，更新业务关系库并返回成功信息；
(6.13)判断是否可获取非时延敏感业务的发送周期P或发送间隔IT，其中 IT＝1/P：若可获取，配置业务超时时间为δ＝m×IT，其中m为常量；否则配置业务超时时间为δ＝δmax，δmax为与应用场景有关的常量，取30；
(6.14)判断非时延敏感业务是否有直接带宽需求：若有带宽需求，则进行步骤(6.16)；若没有带宽需求，进行步骤(6.15)；
(6.15)判断是否可获取非时延敏感业务最大帧长度、数据包密度、发送时间间隔参数，若可获取进行步骤(6.9)公式计算带宽；否则进行步骤(6.17)；
(6.16)判断各链路已用总带宽是否不大于总带宽的90％：若不大于，则进行步骤(6.17)；否则返回失败信息；
(6.17)修改交换机配置信息，使非时延敏感业务进入流量整形队列，根据业务带宽需求修改整形队列配置参数；
(6.18)更新各链路已用总带宽，更新业务关系库并返回成功信息。
所述设备下线注销包括设备主动下线注销和设备意外下线注销。
所述设备主动下线注销包括以下步骤：
(1)终端设备向SDN控制器发出下线指令；
(2)SDN控制器的设备管理模块向下线设备发出确认信息，并将下线消息通知与其有业务关系的终端设备；
(3)SDN控制器的应用管理模块查询与其相关的业务，生成交换机取消与该注销设备有关业务的匹配关系、释放相关队列资源的配置文件；
(4)SDN控制器的应用管理模块更新业务关系库；
(5)SDN控制器的设备管理模块更新设备库；
(6)SDN控制器网络配置模块将应用管理模块形成的配置文件发送至交换机；
(7)SDN交换机释放相关网络资源。
所述设备意外下线注销包括以下步骤：
(1)SDN交换机为经过的每个业务维护一个定时器，当定时器业务数据经过后，定时器归零；
(2)当定时器达到业务超时时间δ时，交换机向SDN控制器发送业务超时指令；
(3)SDN控制器的应用管理模块记录超时业务并将其设置为休眠业务；
(4)当一台设备所有相关业务全部被置为休眠业务时，SDN控制器的应用管理模块通知设备管理模块确认该设备在线状态：若不在线进行步骤(5)；若在线则向交换机发送指令，将该设备相关业务的定时器清零；
(5)SDN控制器的设备管理模块将下线消息通知与其有业务关系的终端设备；
(6)SDN控制器的应用管理模块查询与其相关的业务，生成交换机取消与注销设备有关业务的匹配关系、释放相关队列资源的配置文件；
(7)SDN控制器的应用管理模块更新业务关系库；
(8)SDN控制器的设备管理模块更新设备库；
(9)SDN控制器的网络配置模块将应用管理模块形成的配置文件发送至交换机；
(10)SDN交换机释放相关网络资源。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明将SDN网络架构与时间敏感网络融合，在满足了工业业务网络实时性的要求的同时，简化了网络复杂配置过程。
2.本发明将时间敏感网络的相关参数引入到了SDN网络系统，扩展了SDN 网络的使用范畴。
3.本发明采用SDN的方式实现了时间敏感网络资源的精细化管理，减少了网络资源的浪费。
附图说明
图1是本发明的SDN网络控制器的控制示意图；
图2是本发明设备上线注册时控制器执行流程图；
图3是本发明业务资源分配时控制器执行流程图；
图4是本发明设备主动下线注销时控制器执行流程图；
图5是本发明设备意外下线注销时控制器执行流程图。
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：
如图1所示，SDN网络控制器包括设备管理模块、应用管理模块、网络配置模块、设备库、业务关系库、拓扑管理模块、网络设备库。由SDN网络控制器进行终端设备入网管理。入网设备可以将其业务的需求发送至SDN网络控制器。SDN网络控制器根据业务请求预留资源并配置相应的调度策略及参数，并将结果发送至网络交换机节点。网络交换机根据配置信息对业务数据进行转发。终端设备下线前，向SDN网络控制器提出注销，SDN控制器控制交换机释放该设备的相关资源。当预留资源长期未被使用时，交换机自动释放资源并通知SDN控制器注销设备。所述的预留网络资源，如带宽、时隙等，这些资源供终端设备使用。
一种基于SDN的时间敏感网络设备及网络资源管理方法，包括设备上线自动注册配置和设备下线注销两个环节。
如图2所示，所述设备上线自动注册配置环节包括以下步骤：
步骤1：终端设备发送DHCP请求，SDN控制器的DHCP服务模块向该终端设备分配IP地址；
步骤2：SDN控制器的拓扑管理模块采用LLDP协议获取新终端设备的位置信息，并更新网络拓扑；
步骤3：SDN控制器的设备管理模块向入网终端设备发送设备配置文件请求信息，获取该终端设备配置文件；
步骤4：SDN控制器的设备管理模块将终端设备配置文件解析成配置信息，更新至设备库，并将解析后的终端设备配置信息发送给SDN控制器的应用管理模块；
步骤5：SDN控制器的应用管理模块根据设备配置信息获取设备功能，匹配功能相关的在网终端设备，并确定业务通信关系，形成待更新业务组合；(所述设备功能为业务的基础，但本身不是网络内容，例如：一个温度表，它的功能就是获取环境温度，传输数据就是环境温度数据；另外有个监控系统，就要获取该表的温度，温度数据传输对网络来说就是业务需求，类似的可以是压力、震动甚至一些执行单元的信号。)
步骤6：SDN控制器的应用管理模块解析待更新业务组合的需求，并更新业务关系库；
步骤7：SDN控制器的应用管理模块针对网络状态能够满足业务需求的情况，生成网络设备配置参数，并进行步骤8，针对不能满足业务需求的情况向相关终端设备发送失败信息；
步骤8：SDN控制器的网络配置模块将应用管理模块形成的网络配置参数发送至相关网络交换机中，并由应用管理模块向相关业务终端设备发送确认信息；
步骤9：网络交换机根据SDN控制器的网络配置参数执行入网终端设备之间的数据业务转发。
如图3所示，步骤6所述的SDN控制器应用管理模块解析待更新业务组合的的需求并更新至业务关系库，包括以下步骤：
步骤6-1：根据网络拓扑计算业务需求的路径，如果数量和不相交情况满足要求则进行步骤6-2；否则返回失败信息。
步骤6-2：根据路径生成交换机转发配置信息，若业务有多路径需求，则在配置多路径始端交换机为业务配置多端口分发功能，并在多路径末端配置多路径数据汇聚功能。
步骤6-3：判断时延要求：若无时延要求，则配置业务不经过时延敏感队列，进行步骤6-13；否则进行步骤6-4；
步骤6-4：计算可保障时延为：τ＝n×T，其中n为业务最长路径经过的链路数量，T为网络的转发周期；
步骤6-5：判断保障时延能否满足业务时延要求：若满足，则更新网络设备配置信息，使业务进入交换机时延敏感队列；否则返回失败信息；
步骤6-6：判断是否可获取时延敏感业务的发送周期P或发送间隔IT，其中 IT＝1/P：若可获取，配置业务超时时间为δ＝m×IT，其中m为常量；
步骤6-7：判断时延敏感业务是否有直接带宽需求：若有带宽需求，则进行步骤6-10；若没有带宽需求，进行步骤6-8；
步骤6-8：判断是否可获取时延敏感业务最大帧长度、数据包密度(判断业务可计算带宽需求)，若可获取进行步骤6-9；否则返回失败信息；
步骤6-9：计算时延敏感业务带宽需求：
Figure BDA0001651762140000071
其中MFS为业务最大帧长度，OH为数据帧框架大小，固定长度42字节，MIF 为数据包密度，IT为业务发送时间间隔，为业务发送周期的倒数；
步骤6-10：判断各链路时延敏感业务已用带宽与新业务带宽需求之和是否大于总带宽的60％，并且各链路已用总带宽是否大于总带宽的90％：若均不大于，则进行步骤6-11；否则返回失败信息；
步骤6-11：修改交换机配置信息，使时延敏感业务进入流量整形队列，根据业务带宽需求修改整形队列配置参数；
步骤6-12：更新各链路已用时延敏感业务带宽和已用总带宽，更新业务关系库并返回成功信息；
步骤6-13：判断是否可获取非时延敏感业务的发送周期P或发送间隔IT，其中IT＝1/P：若可获取，配置业务超时时间为δ＝m×IT，其中m为常量；否则配置业务超时时间为δ＝δmax，δmax为与应用场景有关的常量，一般取30 分；
步骤6-14：判断非时延敏感业务是否有直接带宽需求：若有带宽需求，则进行步骤6-16；若没有带宽需求，进行步骤6-15；
步骤6-15：判断是否可获取非时延敏感业务最大帧长度、数据包密度、发送时间间隔参数，若可获取进行步骤6-9公式计算带宽；否则进行步骤6-17；
步骤6-16：判断各链路已用总带宽是否不大于总带宽的90％：若不大于，则进行步骤6-17；否则返回失败信息；
步骤6-17：修改交换机配置信息，使非时延敏感业务进入流量整形队列，根据业务带宽需求修改整形队列配置参数；
步骤6-18：更新各链路已用总带宽，更新业务关系库并返回成功信息。
设备下线注销包括设备主动下线注销和设备意外下线注销两种方式。
如图4所示，所述设备主动下线注销包括以下步骤：
步骤1：终端设备向SDN控制器发出下线指令；
步骤2：SDN控制器的设备管理模块向下线设备发出确认信息，并将下线消息通知与其有业务关系的终端设备；
步骤3：SDN控制器的应用管理模块查询与其相关的业务，生成交换机取消与该注销设备有关业务的匹配关系、释放相关队列资源的配置文件；
步骤4：SDN控制器的应用管理模块更新业务关系库；
步骤5：SDN控制器的设备管理模块更新设备库；
步骤6：SDN控制器的网络配置模块将应用管理模块形成的配置文件发送至交换机；
步骤7：SDN交换机释放相关网络资源。
如图5所示，所述设备意外下线注销包括以下步骤：
步骤1：SDN交换机为经过的每个业务维护一个定时器，当定时器业务数据经过后，定时器归零；
步骤2：当定时器达到业务超时时间δ时，交换机向SDN控制器发送业务超时指令；
步骤3：SDN控制器的应用管理模块记录超时业务并将其设置为休眠业务；
步骤4：当一台设备所有相关业务全部被置为休眠业务时，SDN控制器应用管理模块通知设备管理模块确认设备在线状态：若不在线进行步骤5；若在线则向交换机发送指令，将改设备相关业务的定时器清零；
步骤5：SDN控制器的设备管理模块将下线消息通知与其有业务关系的终端设备；
步骤6：SDN控制器的应用管理模块查询与其相关的业务，生成交换机取消与注销设备有关业务的匹配关系、释放相关队列资源的配置文件；
步骤7：SDN控制器的应用管理模块更新业务关系库；
步骤8：SDN控制器的设备管理模块更新设备库；
步骤9：SDN控制器的网络配置模块将应用管理模块形成的配置文件发送至交换机；
步骤10：SDN交换机释放相关网络资源。

Claims (5)

1.一种网络资源的管理方法，该方法是基于SDN的时间敏感网络设备，其特征在于，包括设备上线自动注册配置和设备下线注销；
所述的设备上线自动注册配置，由SDN网络控制器进行终端设备入网管理，根据业务请求预留资源并配置相应的调度策略及参数发送至网络交换机节点，由交换机执行数据调度；其中，所述SDN为软件定义网络；
所述的设备下线注销，由终端设备下线前向SDN网络控制器提出注销，SDN控制器控制交换机释放与该设备相关的网络资源；或当预留资源长期未被使用时，交换机通知SDN控制器资源闲置，由SDN控制器判断终端设备是否仍然在线，并将不在线设备注销并控制交换机释放与该设备相关的网络资源；
所述设备上线自动注册配置包括以下步骤：
(1)待入网终端设备发送DHCP请求，SDN控制器的DHCP服务模块向该终端设备分配IP地址；
(2)SDN控制器的拓扑管理模块采用LLDP协议获取入网终端设备的位置信息，并更新网络拓扑；
(3)SDN控制器的设备管理模块向入网终端设备发送设备配置文件请求信息，获取该设备的配置文件；
(4)SDN控制器的设备管理模块将该终端设备的配置文件解析成配置信息再更新至设备库，并将配置信息发送给SDN控制器的应用管理模块；
(5)SDN控制器的应用管理模块根据配置信息匹配相关的在网终端设备，并确定业务通信关系形成待更新业务组合；
(6)SDN控制器的应用管理模块解析待更新业务组合的需求，并更新至业务关系库；
(7)SDN控制器的应用管理模块针对网络状态能够满足业务需求的情况，生成网络设备配置参数，并进行步骤(8)，针对不能满足业务需求的情况向相关终端设备发送失败信息；
(8)SDN控制器的网络配置模块将应用管理模块形成的网络配置参数发送至相关网络交换机中，并由应用管理模块向相关业务终端设备发送确认信息；
(9)网络交换机根据SDN控制器的网络配置参数执行入网终端设备之间的数据业务转发。
2.根据权利要求1所述的一种网络资源的管理方法，该方法是基于SDN的时间敏感网络设备，其特征在于，所述步骤(6)中的SDN控制器的应用管理模块解析待更新业务组合的需求并更新至业务关系库，包括以下步骤：
(6.1)根据网络拓扑计算业务需求的路径，如果数量和路径不相交情况满足要求则进行步骤(6.2)；否则返回失败信息；
(6.2)根据路径生成交换机转发配置信息，若业务有多路径需求，则在配置多路径始端交换机为业务配置多端口分发功能，并在多路径末端配置多路径数据汇聚功能；
(6.3)判断时延要求：若无时延要求，则配置业务不经过时延敏感队列，进行步骤(6.13)；否则进行步骤(6.4)；
(6.4)计算保障时延为：τ＝n×T，其中n为业务最长路径经过的链路数量，T为网络的转发周期；
(6.5)判断保障时延能否满足业务时延要求：若满足，则更新网络设备配置信息，使业务进入交换机时延敏感队列；否则返回失败信息；
(6.6)判断是否可获取时延敏感业务的发送周期P或发送间隔IT，其中IT＝1/P：若可获取，配置业务超时时间为δ＝m×IT，其中m为常量；
(6.7)判断时延敏感业务是否有直接带宽需求：若有带宽需求，则进行步骤(6.10)；若没有直接带宽需求，进行步骤(6.8)；
(6.8)判断是否可获取时延敏感业务最大帧长度、数据包密度，若可获取进行步骤(6.9)；否则返回失败信息；
(6.9)计算时延敏感业务带宽需求：
Figure FDA0003003191150000021
其中MFS为业务最大帧长度，OH为数据帧框架大小，固定长度42字节，MIF为数据包密度，IT为业务发送时间间隔，为业务发送周期的倒数；
(6.10)判断各链路时延敏感业务已用带宽与新业务带宽需求之和是否大于总带宽的60％，并且各链路已用总带宽是否大于总带宽的90％：若均不大于，则进行步骤(6.11)；否则返回失败信息；
(6.11)修改交换机配置信息，使时延敏感业务进入流量整形队列，根据业务带宽需求修改整形队列配置参数；
(6.12)更新各链路已用时延敏感业务带宽和已用总带宽，更新业务关系库并返回成功信息；
(6.13)判断是否可获取非时延敏感业务的发送周期P或发送间隔IT，其中IT＝1/P：若可获取，配置业务超时时间为δ＝m×IT，其中m为常量；否则配置业务超时时间为δ＝δmax，δmax为与应用场景有关的常量，取30；
(6.14)判断非时延敏感业务是否有直接带宽需求：若有带宽需求，则进行步骤(6.16)；若没有带宽需求，进行步骤(6.15)；
(6.15)判断是否可获取非时延敏感业务最大帧长度、数据包密度、发送时间间隔参数，若可获取进行步骤(6.9)公式计算带宽；否则进行步骤(6.17)；
(6.16)判断各链路已用总带宽是否不大于总带宽的90％：若不大于，则进行步骤(6.17)；否则返回失败信息；
(6.17)修改交换机配置信息，使非时延敏感业务进入流量整形队列，根据业务带宽需求修改整形队列配置参数；
(6.18)更新各链路已用总带宽，更新业务关系库并返回成功信息。
3.根据权利要求1所述的一种网络资源的管理方法，该方法是基于SDN的时间敏感网络设备，其特征在于，所述设备下线注销包括设备主动下线注销和设备意外下线注销。
4.根据权利要求3所述的一种网络资源的管理方法，该方法是基于SDN的时间敏感网络设备，其特征在于，所述设备主动下线注销包括以下步骤：
(1)终端设备向SDN控制器发出下线指令；
(2)SDN控制器的设备管理模块向下线设备发出确认信息，并将下线消息通知与其有业务关系的终端设备；
(3)SDN控制器的应用管理模块查询与其相关的业务，生成交换机取消与该注销设备有关业务的匹配关系、释放相关队列资源的配置文件；
(4)SDN控制器的应用管理模块更新业务关系库；
(5)SDN控制器的设备管理模块更新设备库；
(6)SDN控制器网络配置模块将应用管理模块形成的配置文件发送至交换机；
(7)SDN交换机释放相关网络资源。
5.根据权利要求3所述的一种网络资源的管理方法，该方法是基于SDN的时间敏感网络设备，其特征在于，所述设备意外下线注销包括以下步骤：
(1)SDN交换机为经过的每个业务维护一个定时器，当定时器业务数据经过后，定时器归零；
(2)当定时器达到业务超时时间δ时，交换机向SDN控制器发送业务超时指令；
(3)SDN控制器的应用管理模块记录超时业务并将其设置为休眠业务；
(4)当一台设备所有相关业务全部被置为休眠业务时，SDN控制器的应用管理模块通知设备管理模块确认该设备在线状态：若不在线进行步骤(5)；若在线则向交换机发送指令，将该设备相关业务的定时器清零；
(5)SDN控制器的设备管理模块将下线消息通知与其有业务关系的终端设备；
(6)SDN控制器的应用管理模块查询与其相关的业务，生成交换机取消与注销设备有关业务的匹配关系、释放相关队列资源的配置文件；
(7)SDN控制器的应用管理模块更新业务关系库；
(8)SDN控制器的设备管理模块更新设备库；
(9)SDN控制器的网络配置模块将应用管理模块形成的配置文件发送至交换机；
(10)SDN交换机释放相关网络资源。
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