CN111133701A

CN111133701A - 用于时间敏感网络的可靠直通交换

Info

Publication number: CN111133701A
Application number: CN201880046673.7A
Authority: CN
Inventors: C·芒然
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2018-06-18
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2038-06-18
Also published as: CN111133701B; JP6765549B2; WO2019026465A8; JP2020511085A; WO2019026465A1; EP3439210A1; EP3439210B1

Abstract

实施方式包括用于处理包括根据IEEE 802.1时间敏感网络标准定义的数据帧的数据分组的设备及方法。提出了使用如此定义的数据帧的报头的源MAC地址字段以包括提供对数据帧的报头的覆盖的错误检测机制。此后，能够通过在检查到数据帧的目的地MAC地址并且对数据帧的报头的错误检测成功之后立即参与转发过程来使用直通交换方法。

Description

用于时间敏感网络的可靠直通交换

技术领域

本主题申请涉及用于处理包括根据IEEE 802.1时间敏感网络标准定义的数据帧的数据分组的装置及方法。

背景技术

以太网交换机的特点是它们支持的交换方法。如今，主要使用两种以太网交换模式：存储转发和直通。存储转发交换方法仅在接收到整个数据帧并检查其完整性之后才转发数据分组，而直通交换方法在检查了数据帧的目的地MAC地址后立即参与转发过程。

因此，利用存储转发交换方法，执行错误检查并且丢弃错误帧。

相反，使用直通交换方法，通过取消错误检查来减少时延。实际上，具有物理或数据链路层错误的分组被转发到网络的其它网段。然后，在接收端，主机能够使分组的帧检查序列无效并丢弃该分组。

由于错误帧和无错误帧都被转发到它们的目的地，因此由直通交换方法创建的情况是不可接受的。

对于基于IEEE 802.1时间敏感网络(TSN)标准的分组交换网络，这尤其成问题。实际上，此类网络被设计用于处理实时控制应用(诸如，工业自动化和汽车网络)中的数据流。这样，这些网络要求低时延和零分组丢失。但是，在这些网络中，使用数据流的帧头中的层-2信息来排它地执行对数据流的管理。因此，当使用直通交换方法时，预期会出现错误。

因此，需要一种用于基于IEEE 802.1 TSN标准的分组交换网络的可靠的直通交换方法。

发明内容

如所附权利要求中所述，本申请提供了用于处理包括根据IEEE 802.1时间敏感网络标准定义的数据帧的至少一个数据分组的网络设备和方法。如所附权利要求中所述，本申请还提供了用于对由所要求保护的网络设备及其方法转发的数据分组的至少一个数据帧执行交换操作的以太网交换机及方法。

将仅通过示例的方式，参照附图来描述所提出的解决方案的进一步的细节、方面和实施方式。在附图中，相似或类似的附图标记用于标识相似或功能类似的元件。为了简单和清楚，例示了附图中的元件，但是附图中的元件并非按比例绘制。

附图说明

[图1]

图1是被设计用于车载通信的基于以太网的通信系统的示例性子系统。

[图2A]

图2A是例示了数据分组的框图。

[图2B]

图2B是例示了根据IEEE 802.1时间敏感网络标准定义的以太网数据帧的框图。

[图3A]

图3A是例示了根据本申请的实施方式定义的以太网数据帧的框图。

[图3B]

图3B是例示了根据本申请的实施方式的直通交换字段的框图。

[图4]

图4是根据本申请的实施方式的处理方法的流程图。

[图5]

图5是根据本申请的实施方式的以太网交换方法的流程图。

具体实施方式

本申请的总体上下文涉及在根据IEEE 802.1时间敏感网络(TSN)标准定义的网络中使用直通交换方法。这样的标准定义了能够对服务质量(QoS)保证流的资源预留进行端到端管理的机制。这些流特别用于要求低时延和零丢失的工业或汽车网络中。

众所周知，以太网交换机通过使用业务转发规则来控制连接到通信网络的交换机端口之间的数据帧的传输。业务转发是基于地址学习机制的，该地址学习机制在数据库中收集以太网交换机接收的所有数据帧中的所有源媒体访问控制(MAC)地址。因此，以太网交换机能够通过在数据库中查找MAC地址以及数据帧进入的端口号，来学习发往给定MAC地址的数据帧将被发送到何处。

还已知，属于根据IEEE 802.1 TSN标准的流的数据帧仅由位于数据帧的报头中的信息来标识。但是，IEEE 802.1 TSN标准不需要源MAC地址作为流的这些标识信息的一部分。实际上，处理根据IEEE 802.1 TSN标准定义的数据帧的以太网交换机使用预定义的业务路由而不是地址学习机制。

因此，建议使用如此定义的数据帧的报头的源MAC地址字段，以便包括提供对数据帧的报头的覆盖的错误检测机制。此后，能够通过在已经检查了数据帧的目的地MAC地址并对数据帧的报头的错误检测成功之后立即参与转发过程，来使用直通交换方法。

图1示出了针对车载通信设计的基于以太网的通信系统100的示例性子系统。然而，基于以太网的通信系统100通常被设计用于时间敏感型网络通信，以用于在非循环速率控制和循环流上传送的时间关键型应用。因此，例如，基于以太网的通信系统100可以是工业自动化通信系统。

在图1中，基于以太网的通信系统100包括两个节点110、120，以太网交换机130和通信网络140。但是，通常，基于以太网的通信系统100包括至少一个节点110、120和至少一个以太网交换机130。

通信网络140被配置为支持经由以太网交换机130在节点110、120之间的数据传送。在图1的示例中，通信网络140使用点对点拓扑。然而，可以考虑诸如基于星形的拓扑、基于菊花链的拓扑或例如实现为树结构的两种拓扑的组合的其它拓扑。

在图1的示例中，节点110是传统车载摄像头，并且节点120是传统电子控制单元(ECU)。这样，图1的布置可以是自动驾驶或自主驾驶汽车中的交通标志识别系统的一部分。因此，在操作中，车载摄像头110经由通信网络140向以太网交换机130发送数据帧。然后，以太网交换机130经由通信网络140向ECU 120转发数据帧。

根据本申请，车载摄像头110包括被配置为在经由通信网络140发送数据帧之前对数据分组进行处理的网络设备111。网络设备111可以被实现或部署为车载摄像头110的软件或硬件模块。在示例中，网络设备111是设备驱动器，即，控制硬件设备在通信网络140上传输数据分组的软件过程。

图2A示出了能够与所提出的本申请一起使用的示例性数据分组200。数据分组200以前导码字段210和起始帧定界符字段211开始，前导码字段210和起始帧定界符字段211一起帮助确定数据分组200的起始和末尾。此外，数据分组200包括用于承载要发送的数据帧的有效载荷字段212和用于帮助两个数据帧之间的冲突检测和冲突避免的帧间间隙字段213。

返回图1，由网络设备111处理的每个数据分组包括根据IEEE 802.1时间敏感网络(TSN)标准定义的数据帧。有关IEEE 802.1 TSN标准的更多信息，请参考时间敏感网络任务组网站(http://www.ieee802.org/1/pages/tsn.html)以及在列出了IEEE802.1标准的网站(http://standards.ieee.org/about/get/802/802.1.html)上最新发布的信息。对于不处理或部分处理IEEE 802.1 TSN标准的应用，能够使用IEEE 802.1Qcc标准。实际上，后者定义了所谓的流变换功能，该流变换功能的作用是在根据IEEE802.1 TSN标准定义的网络的边缘处，将非TSN流的数据帧封装在能够根据IEEE802.1 TSN标准由TSN网元进一步处理的以太网帧中。

图2B示出了能够包括在分组200中的示例性以太网数据帧300。在本申请中，数据帧300是根据IEEE 802.1 TSN标准定义的。这样，数据帧300以目的地地址字段310和源地址字段320开始，目的地地址字段310和源地址字段320分别包括数据帧300要被发送到的媒体访问控制(MAC)地址和发送该数据帧300的设备的MAC地址。此外，数据帧300包括根据IEEE802.1Q标准定义的虚拟局域网(VLAN)标签字段330和根据IEEE 802.1CB标准定义的冗余标签字段340。更进一步，数据帧300包括以太类型字段350，其后是数据字段360，以太类型字段350包括相对于高层定义了数据字段360中包括的数据类型的信息。最后，数据帧300以用于检查数据帧300的完整性的帧检查序列(FCS)字段370终止。在前面的描述中，诸如数据帧300的数据帧的报头部分380包括目的地地址字段310、源地址字段320、VLAN标签字段330、冗余标签字段340和以太类型字段350。

返回图1，网络设备111包括分组处理器1111。在操作中，分组处理器1111被配置为通过用相同大小的直通交换字段替换源地址字段320来生成数据分组200的变更版本。在示例中，源地址字段320是六个字节长，并且直通交换字段也是六个字节长。图3A示出了与数据帧300的变更版本相对应并且能够被包括在数据分组200中的数据帧500。从图3A中可以看出，数据帧500包括直通交换字段400，来代替源地址字段320。

图3B示出了根据本申请的直通交换字段400的内容。图3B的示例性直通交换字段400包括直通保留子字段410、总分组长度子字段420和报头校验序列子字段430。在示例中，直通保留子字段410、总分组长度子字段420和报头校验序列子字段430中的每一个为两个字节长。然而，在特定实施方式中，直通交换字段400至少包括报头校验序列子字段430。在这种情况下，报头校验序列子字段430为六个字节长。

在操作中，分组处理器1111还被配置为通过从计算中排除报头校验序列子字段430来计算数据帧500的报头部分380的校验和值。换句话说，分组处理器1111基于目的地地址字段310、直通保留子字段410、总分组长度子字段420、VLAN标签字段330、冗余标签字段340和以太类型字段350确定校验和值。然而，在上述特定实施方式中，分组处理器1111在计算中不考虑直通保留子字段410和分组总长度子字段420。此外，在操作中，分组处理器1111被配置为将校验和值存储在报头校验序列子字段430中。最后，在操作中，分组处理器1111被配置为向通信网络140转发数据分组200的变更版本，该版本包括数据帧500。

在一个实施方式中，分组处理器1111被配置为用于在直通保留子字段410中存储指示源地址字段320是否已经被直通交换字段400替换的数据信息。在示例中，分组处理器1111将直通保留子字段410设置在直通交换字段400的起始处，并将数据信息的第一字节的最低有效位设置为指示直通交换字段400包括多播MAC地址的预定值。已知多播MAC地址的第一字节的最低有效位是所谓的I/G位(个人/组位)。I/G位被设置为“1”表示该地址是多播或广播地址。I/G位被设置为“0”表示该地址是单播地址。因此，例如，通过在直通保留子字段410中将I/G位设置为“1”，这将指示直通交换字段400包括多播地址。然而，已知的是多播地址应该仅在目的地地址字段310中被找到。因此，提出了以太网交换机找到设置为“1”的I/G位，就认为源地址字段320已被直通交换字段400替换。

在另一实施方式中，分组处理器1111被配置为用于计算指示通信网络140上的数据分组200的物理长度的总分组长度值。换句话说，分组处理器1111基于前导码字段210、起始帧定界符字段211、数据帧500和帧间间隙字段213来确定数据分组200的总分组长度值。此外，分组处理器1111被配置为将总分组长度值存储在总分组长度子字段420中。

返回图1，以太网交换机130至少包括帧处理器131和直通交换模块132。

当接收到数据帧500时，帧处理器131被配置为通过从计算中排除报头校验序列子字段430来计算报头部分380的校验和值。换句话说，帧处理器131基于目的地地址字段310、直通保留子字段410、总分组长度子字段420、VLAN标签字段330、冗余标签字段340和以太类型字段350来确定校验和值。然而，在上述特定实施方式中，帧处理器131在计算中不考虑直通保留子字段410和总分组长度子字段420。在示例中，校验和值是诸如CRC-16-CCITT之类的循环冗余校验值。此外，帧处理器131被配置为将计算出的校验和值与存储在报头校验序列子字段430中的校验和值进行比较。最后，帧处理器131被配置为基于该比较将数据帧500转发到直通交换模块132。在示例中，在计算出的校验和值等于存储在报头校验序列子字段430中的校验和值的情况下，帧处理器131将数据帧500转发到直通交换模块132。相反，在计算出的校验和值不等于存储在报头校验序列子字段430中的校验和值的情况下，帧处理器131不向直通交换模块132转发数据帧500。

在实施方式中，帧处理器131还基于直通保留子字段410中所包括的数据信息，将数据帧500转发到直通交换模块132。在该实施方式的示例中，帧处理器131被配置用于识别直通交换字段400的起始，并且还用于处理直通保留子字段410中包含的数据信息的第一字节的最低有效位，以确定直通交换字段400是否包括多播MAC地址。例如，在直通保留子字段410中找到设置为“1”的I/G位的情况下，帧处理器131将数据帧500进一步转发到直通交换模块132。相反，在直通保留子字段410中找到设置为“0”的I/G位的情况下，帧处理器131不向直通交换模块132转发数据帧500。

在操作中，直通交换模块132被配置为通过从转发决定中排除直通交换字段400，基于数据帧500的报头部分380将数据帧500转发到数据帧500的预期的目的地。

在实施方式中，帧处理器131被配置为基于总分组长度子字段420向数据帧500提供业务调节。在这种情况下，能够应用业务调节而不必完全存储数据帧500。业务调节考虑了总分组长度子字段420的事实允许准确的基于速率的调度和所谓的巨帧的处理。术语业务调节涉及业务的计量、整形、管制和/或重新标记，以确保进入以太网交换机130的业务符合预定的业务简档。例如，在典型的业务管制应用中，服务提供商定义了客户业务需要符合的业务简档。然后，分类为该简档的网络业务被传递、标记为低优先级、丢弃和/或标识为超出带宽限制。根据本申请，可以基于总分组长度子字段420确定带宽限制。一些常用的管制算法包括单速率三色标记(srTCM)、双速率三色标记(trTCM)和城域以太网论坛(MEF)服务策略器。附加策略算法包括基于帧中继时间(Frame Relay time-based)的策略算法、ATM漏桶策略算法和供应商专有策略算法。

在另一实施方式中，帧处理器131被配置为基于IEEE 802.3br标准对数据帧500的转发进行优先级排序。在这种情况下，数据帧500被标识为快速帧。

返回图1，以太网交换机130还包括存储转发模块133。

在实施方式中，帧处理器131基于直通保留子字段410中包括的数据信息将数据帧500转发到存储转发模块133。在该实施方式的示例中，在数据帧500未被转发到直通交换模块132的情况下，帧处理器131将数据帧500转发到存储转发模块133。

在操作中，存储转发模块133被配置为通过从转发决定中排除直通交换字段400来将数据帧500转发到数据帧500的预期目的地。

为了更好地理解本申请，现在将参照示出了所提出的解决方案实现方法的实施方式的图4和图5进行说明。

图4例示了用于如上所述，改变数据分组200以便包括数据帧500来代替数据帧300的处理方法600。处理方法600可以包括：

-在610，生成具有与源地址字段320相同大小的直通交换字段400，

-在620，用直通交换字段400替换源地址字段320，从而生成数据分组200的变更版本，

-在630，通过从计算中排除报头校验序列子字段430，来计算数据帧500的报头部分380的校验和值。然后，将计算出的校验和值存储在报头校验序列子字段430中，

-可选地，在640，将指示源地址字段320是否已经被直通交换字段410替换的数据信息存储在直通保留子字段中，

-可选地，在650，计算指示在通信网络140上的数据分组200的物理长度的总分组长度值。然后，将计算出的总分组长度值存储在总分组长度子字段420中，以及

-在660，将数据分组200的变更版本转发到通信网络140。

在处理方法600的实施方式中，在640处，进一步包括：

-将直通保留子字段410设置在直通交换字段400的起始处，以及

-将数据信息的第一字节的最低有效位设置为指示直通交换字段400包括多播MAC地址的预定值。

图5例示了用于对数据帧500执行交换操作的以太网交换方法700。以太网交换方法700可以包括：

-在710，通过从计算中排除报头校验序列子字段430，计算报头部分380的校验和值，

-在720，将计算出的校验和值与存储在报头校验序列子字段430中的校验和值进行比较。然后，如果计算出的校验和值等于存储在报头校验序列子字段430中的校验和值，则前进至740或可选地前进至730。否则，如果计算出的校验和值不等于存储在报头校验序列子字段430中的校验和值，则可选地前进至750。

-可选地，在730处，检查直通保留子字段410的数据信息，以确定源地址字段320是否已被直通交换字段410替换。然后，如果数据信息指示源地址字段320已被直通交换字段410替换，则前进至740。否则，如果数据信息没有指示源地址字段320已被直通交换字段410替换，则可选地前进至750。

-在740，通过从转发决定中排除直通交换字段400，将数据帧500转发到直通交换模块，该直通交换模块被配置为基于数据帧500的报头部分380将数据帧500转发到数据帧500的预期目的地，

-可选地，在750处，通过从直通决定中排除直通交换字段400将数据帧500转发到存储转发模块，该存储转发模块被配置为将数据帧500转发到数据帧500的预期目的地。

在处理方法700的实施方式中，在730处，进一步包括：

-识别直通交换字段400的起始，以及

-处理直通保留子字段410中包含的数据信息的第一字节的最低有效位，以确定直通交换字段400是否包括多播MAC地址。

在处理方法700的一个实施方式中，还包括基于总分组长度子字段420向数据帧500提供业务调节。

在处理方法700的另一实施方式中，还包括基于IEEE 802.3br标准对数据帧500的转发进行优先级排序，其中数据帧500被标识为快速帧。

以上提出的方法也可以由在非暂时性计算机可读存储介质中实现的计算机程序来执行。因此，还要求保护一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括能够由计算机系统执行以便执行上述方法的指令。

Claims

1.一种用于处理包括根据IEEE 802.1时间敏感网络标准定义的数据帧的至少一个数据分组的网络设备，该数据帧包括报头部分，该报头部分包括存储有源地址的源地址字段，该网络设备包括：

-分组处理器，该分组处理器用于：

-通过用相同大小的直通交换字段替换所述源地址字段来生成数据分组的变更版本，所述直通交换字段至少包括报头校验序列子字段，

-通过从计算中排除所述报头校验序列子字段，来计算所述报头部分的校验和值，

-将所述校验和值存储在所述报头校验序列子字段中，以及

-将所述数据分组的所述变更版本转发到通信网络。

2.根据权利要求1所述的网络设备，其中，所述分组处理器还被配置为用于：

-将直通保留子字段插入所述直通交换字段中，所述直通保留子字段包括指示所述源地址字段是否已经被所述直通交换字段替换的数据信息。

3.根据权利要求1或2所述的网络设备，其中，所述分组处理器还被配置为用于：

-计算指示在所述通信网络上的所述数据分组的物理长度的总分组长度值，

-将总分组长度子字段插入到所述直通交换字段中，所述总分组长度子字段包括所述总分组长度值。

4.一种用于对由根据权利要求1至3中的任一项所述的网络设备转发的数据分组的至少一个数据帧执行交换操作的以太网交换机，该以太网交换机包括帧处理器和直通交换模块，

-所述帧处理器被配置为用于：在接收到所述数据帧的报头部分时，

-通过从计算中排除报头校验序列子字段，来计算所述报头部分的校验和值，

-将计算出的校验和值与存储在所述报头校验序列子字段中的校验和值进行比较，以及

-基于所述比较向所述直通交换模块转发所述数据帧，

-所述直通交换模块被配置为用于通过从转发决定中排除直通交换字段，基于所述数据帧的所述报头部分将所述数据帧转发到所述数据帧的预期目的地。

5.根据权利要求4所述的以太网交换机，其中，所述帧处理器还被配置为用于基于直通保留子字段中包括的数据信息，将所述数据帧转发到所述直通交换模块。

6.根据权利要求4或5所述的以太网交换机，其中，所述帧处理器还被配置为用于基于总分组长度子字段向所述数据帧提供业务调节。

7.根据权利要求4至6中的任一项所述的以太网交换机，该以太网交换机还包括存储转发模块，其中，所述帧处理器还被配置为用于在所述帧处理器没有将所述数据帧转发到所述直通交换模块的情况下，将所述数据帧转发到所述存储转发模块，所述存储转发模块被配置为用于通过从所述转发决定中排除所述直通交换字段来将所述数据帧转发到所述数据帧的预期目的地。

8.一种基于以太网的通信系统，该通信系统包括：

-通信网络，

-根据权利要求1至3中的任一项所述的至少一个网络设备，以及

-根据权利要求4至7中的任一项所述的至少一个以太网交换机，

其中，所述网络设备和所述以太网交换机经由所述通信网络能操作地联接。

9.一种用于处理包括根据IEEE 802.1时间敏感网络标准定义的数据帧的至少一个数据分组的方法，该数据帧包括报头部分，该报头部分包括存储有源地址的源地址字段，该方法包括以下步骤：

-将所述校验和值存储在所述报头校验序列子字段中，以及

-将所述数据分组的所述变更版本转发到通信网络。

10.根据权利要求9所述的处理方法，其中，所述分组处理器还被配置为用于：

11.根据权利要求9或10所述的处理方法，其中，所述分组处理器还被配置为用于：

12.一种对通过根据权利要求9至11中的任一项所述的处理方法转发的数据分组的至少一个数据帧执行以太网交换的方法，该以太网交换方法包括以下步骤：在接收到所述数据帧的报头部分时，

-基于所述比较向所述直通交换模块转发所述数据帧，所述直通交换模块被配置为用于通过从转发决定中排除直通交换字段，基于所述数据帧的所述报头部分将所述数据帧转发到所述数据帧的预期目的地。

13.根据权利要求12所述的以太网交换方法，其中，该以太网交换方法还包括以下步骤：基于直通保留子字段中所包括的数据信息，将所述数据帧转发到所述直通交换模块。

14.根据权利要求12或13所述的以太网交换方法，该以太网交换方法还包括以下步骤：基于总分组长度子字段，向所述数据帧提供业务调节。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的以太网交换方法，该以太网交换方法还包括以下步骤：在没有将所述数据帧转发给所述直通交换模块的情况下，将所述数据帧转发到存储转发模块，所述存储转发模块被配置为用于通过从转发决定中排除所述直通交换字段来将所述数据帧转发到所述数据帧的预期目的地。