CN111934941A - 一种用于时间敏感网络的数据切片方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于时间敏感网络的数据切片方法和系统，其中，该方法包括：对传输数据中的以太网帧中的低速帧进行切片，生成小字节的切片低速帧，其中，该切片低速帧包括：首帧、中间帧、尾帧；在该中间帧和该尾帧的以太网报文头中填入前导码，该前导码中编入编号字段，其中，该以太网报文头为该切片低速帧中一部分字段；将该前导码中编入该编号字段的该切片低速帧传输到接收端，其中，该编号字段用于指示该接收端对该切片低速帧进行组合，解决了在网络传输过程中对于包含大量数据的低优先级流量抢占会导致较高的延时，不能满足高优先级流量的确定性传输需求的问题，满足离散型数据的高实时性传输，提高设备的生产效率。

Description

一种用于时间敏感网络的数据切片方法和系统

技术领域

本申请涉及计算机网络领域，特别是一种用于时间敏感网络的数据切片方法和系统。

背景技术

随着工业4.0的发展，智能制造成为引领下一代工业技术发展的目标，工业互联网的规模越来越大，工业制造使用的生成设备越来越多由计算机控制的网络系统进行控制，网络中集成的传感器和执行器也越来越多，这些组成了物理控制系统；这些物理控制系统是智能制造的重点组成部分，他们的正常运行需要对应的网络的支持。

在相关技术中，这些物理控制系统，很多都是对网络的传输速度有很高的要求，比如协作机器人的运动控制是有高度时间敏感的，其运行需要低延时传输网络；为了保证物理系统在控制下的确定性行为，需要有一个确定性的有界的网络延迟和延时变化的实时通信网络来满足设备的控制需求，提高设备的生产效率；为了在整个网络中实时调度，必须防止对较低优先级流量的干扰，否则会增加总线的延迟，而且还会增加传送变化；时间感知整形器能够阻止非调度的流量，但对于网络中的巨帧数据，采用传统的数据传输技术无法有效降低传输时的延迟。

目前针对相关技术中，在网络传输过程中对于包含大量数据的低优先级流量抢占会导致较高的延时，不能满足高优先级流量的确定性传输需求的问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种用于时间敏感网络的数据切片方法和系统，以至少解决相关技术中网络传输过程中对于包含大量数据的低优先级流量抢占会导致较高的延时，不能满足高优先级流量的确定性传输需求的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种用于时间敏感网络的数据切片方法，所述方法包括：对传输数据中的以太网帧中的低速帧进行切片，生成小字节的切片低速帧，其中，所述切片低速帧包括：首帧、中间帧、尾帧；在所述中间帧和所述尾帧的以太网报文头中填入前导码，所述前导码中编入编号字段，其中，所述以太网报文头为所述切片低速帧中一部分字段；将所述前导码中编入所述编号字段的所述切片低速帧传输到接收端，其中，所述编号字段用于指示所述接收端对所述切片低速帧进行组合。

在其中一些实施例中，所述方法包括：所述以太网帧包括：以太网报文头、负载、第一校验和，所述以太网报文头包括：前导码、目标地址、源地址、标签、以太网类型，其中，所述低速帧字段结构与所述以太网帧一致；在所述中间帧和所述尾帧的所述以太网报文头中只填入所述前导码，不向所述以太网报文头中填入目标地址、源地址、标签、以太网类型字段；将切片帧类型字段填入所述前导码的倒数第二字节，将分片计数字段填入所述前导码的最后一字节，其中，所述分片计数字段为所述编号字段，所述切片帧类型字段辅助所述分片计数字段对所述切片低速帧编号。

在其中一些实施例中，所述方法包括：在所述首帧中填入所述以太网报文头，并通过预设第二校验和替代所述首帧的所述第一校检和，所述第二校验和也替代所述中间帧中的所述第一校检和。

在其中一些实施例中，处理后的所述切片低速帧传输到接收端之后，所述方法包括：接收传输端的所述传输数据，检查所述传输数据中的所述切片低速帧中的所述编号字段；如所述编号字段是连续的，通过所述字段将所述切片低速帧进行组合，恢复成原本的所述低速帧；如所述编号字段出现不连续的情况，将同一所述低速帧包含的所有的已收到的以及未收到的所述切片低速帧丢弃。

在其中一些实施例中，所述方法包括：传输数据中，所述以太网帧的高速帧等待所述切片低速帧传输完毕后再进行传输。

第二方面，本申请实施例提供了一种用于时间敏感网络的数据切片系统，所述系统包括传输端和接收端：所述传输端对传输数据中的以太网帧中的低速帧进行切片，生成小字节的切片低速帧，其中，所述切片低速帧包括：首帧、中间帧、尾帧；所述传输端在所述中间帧和所述尾帧的以太网报文头中填入前导码，所述前导码中编入编号字段，其中，所述以太网报文头为所述切片低速帧中一部分字段；所述传输端将所述前导码中编入所述编号字段的所述切片低速帧传输到接收端，其中，所述编号字段用于指示所述接收端对所述切片低速帧进行组合。

在其中一些实施例中， 所述以太网帧包括：以太网报文头、负载、第一校验和，所述以太网报文头包括：前导码、目标地址、源地址、标签、以太网类型，其中，所述切片低速帧字段结构与所述以太网帧一致；所述传输端在所述中间帧和所述尾帧的所述以太网报文头中只填入所述前导码，不向所述以太网报文头中填入目标地址、源地址、标签、以太网类型字段；所述传输端将切片帧类型字段填入所述前导码的倒数第二字节，将分片计数字段填入所述前导码的最后一字节，其中，所述分片计数字段为所述编号字段。

在其中一些实施例中，所述传输端将处理后的所述切片低速帧传输到接收端之后， 所述接收端接收所述传输端的所述传输数据，检查所述传输数据中的所述切片低速帧中的所述编号字段；所述接收端接收数据的所述编号字段是连续的，所述接收端通过所述编号字段将所述切片低速帧进行组合，恢复成原本的所述低速帧；在所述接收端接收数据的所述编号字段出现不连续的情况，所述接收端将同一所述低速帧包含的所有的已收到的以及未收到的所述切片低速帧丢弃。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有可运行计算机程序所述计算机程序可执行上述第一方面所述的用于时间敏感网络的数据切片方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序可执行上述第一方面所述的用于时间敏感网络的数据切片方法。

相比于相关技术，本申请实施例提供了用于时间敏感网络的数据切片方法和系统，该方法包括：对传输数据中的以太网帧中的低速帧进行切片，生成小字节的切片低速帧，其中，所述切片低速帧包括：首帧、中间帧、尾帧；在所述中间帧和所述尾帧的以太网报文头中填入前导码，所述前导码中编入编号字段，其中，所述以太网报文头为所述切片低速帧中一部分字段；将所述前导码中编入所述编号字段的所述切片低速帧传输到接收端，其中，所述编号字段用于指示所述接收端对所述切片低速帧进行组合，解决了在网络传输过程中对于包含大量数据的低优先级流量抢占会导致较高的延时，不能满足高优先级流量的确定性传输需求的问题，满足离散型数据的高实时性传输，提高设备的生产效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片系统的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片方法的流程示意图；

图3是根据本申请实施例的以太网帧字节格式示意图；

图4是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片方法的切片示意图；

图5是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片方法的帧的切片SMD字段的编码方式示意图；

图6是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片方法的帧抢占示意图；

图7是根据本申请实施例的电子设备的内部结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请；基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景；此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中；在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例；本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义；本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数；本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块（单元）的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元；本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的；本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上；“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况；字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系；本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

在一个实施例中，本申请实施例提供了一种用于时间敏感网络的数据切片系统，图1是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括传输端10和接收端11，包括如下步骤：

S101，传输端10对传输数据中的以太网帧中的低速帧进行切片，生成小字节的切片低速帧，其中，该切片低速帧包括：首帧、中间帧、尾帧；

S102，传输端10在该中间帧和该尾帧的以太网报文头中填入前导码，该前导码中编入编号字段，其中，该以太网报文头为该切片低速帧中一部分字段；

S103，传输端10将该前导码中编入该编号字段的该切片低速帧传输到接收端11，其中，该编号字段用于指示该接收端对该切片低速帧进行组合；

S104，接收端11接收该传输端10的该传输数据，检查该传输数据中的该切片低速帧中的该编号字段；

S105，接收端11接收数据的该编号字段是连续的，该接收端11通过该编号字段将该切片低速帧进行组合，恢复成原本的该低速帧；

S106，接收端11接收数据的该编号字段出现不连续的情况，该接收端11将同一该低速帧包含的所有的已收到的以及未收到的该切片低速帧丢弃。

在一个实施例中，本申请实施例提供了一种用于时间敏感网络的数据切片方法，图2是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片方法的流程示意图，如图2所示，包括如下步骤：

S201，对传输数据中的以太网帧中的低速帧进行切片，生成小字节的切片低速帧，其中，该切片低速帧包括：首帧、多个中间帧、尾帧；

S202，在该中间帧和该尾帧的以太网报文头中填入前导码，该前导码中编入编号字段，其中，该以太网报文头为该切片低速帧中一部分字段；

S203，将该前导码中编入该编号字段的该切片低速帧传输到接收端，其中，该编号字段用于指示该接收端对该切片低速帧进行组合；

通过上述步骤S201至S203，相比于现有技术中的网络传输过程中对于包含大量数据的低优先级流量抢占会导致较高的延时，不能满足高优先级流量的确定性传输需求的问题，该技术方案通过将低速帧进行切片，让高速帧抢占低速帧时，等待更少时间来解决上述问题，使高速帧对低速帧抢占导致的延迟变少。

在其中一些实施例中，图3是根据本申请实施例的以太网帧字节格式示意图，如图3所示，该以太网帧包括：L2以太网报文头、负载、第一校验和，该L2以太网报文头包括：前导码、目标地址、源地址、标签、以太网类型，其中，该低速帧字段结构与该以太网帧一致，例如，第一校验和为4字节的CRC校验和，前导码为8字节的前导码，目标地址为6字节的MAC目标地址，源地址为6字节的MAC源地址，标签为4字节的802.1Q标签，以太网类型为2字节的以太网类型，该802.1Q标签由16位标签协议识别、3位优先级代码、1位丢弃标志位、12位VLAN识别号组成；

图4是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片方法的切片示意图，如图4所示，在802.1Q中定义的以太网帧的结构包括7字节前导码和1字节的SFD，其中802.1Q标签位里面的优先级代码字段为7时，该帧的优先级为最高，称为高速帧，该帧可以打断其他优先级的帧传输，在实际的传输过程中，低速帧主要有四类：未切片的低速帧、已切片的首个帧、已切片的中间帧和已切片的最后一帧，经过切片的低速帧和原来的低速帧是有区别的，如果一个低速帧没有被切片，那么它既是首帧又是尾帧。与高速帧的区别主要是在于前导码的最后一个字节，从而区分是高速帧还是低速帧，根据802.1Q标签位里面的优先级代码字段将以太网帧分为高速帧和低速帧，高速帧、低速帧字段结构与该以太网帧一致；

在该首帧中填入该以太网报文头，并通过预设第二校验和替代该首帧的该第一校检和，该第二校验和也替代该中间帧中的该第一校检和，例如，第一校验和为CRC校检和，第二校验和为MCRC校检和；

首帧与未经过切片的低速帧的帧格式保持一致，但由于后续的数据和CRC校检和被切掉，所以此处使用帧抢占中的MCRC来替代CRC作为尾部的4字节校验和，除此之外，中间帧与首帧一样，尾部也需要加入MCRC，尾帧则使用原本的CRC；

在该中间帧和该尾帧的该以太网报文头中只填入该前导码，不向该以太网报文头中填入目标地址、源地址、标签、以太网类型字段，将切片帧类型字段填入该前导码的倒数第二字节，将分片计数字段填入该前导码的最后一字节，其中，该分片计数字段为该编号字段，该切片帧类型字段辅助该分片计数字段对该切片低速帧编号，例如，该切片帧类型字段为SMD，该中间帧和该尾帧填入的切片帧类型字段为SMD-Cx，用以标记这是某一个分片的后续帧；

帧抢占中需要修改前导部分尾部的一至两个字段，包括SMD字段和MCRC字段，图5是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片方法的帧的切片SMD字段的编码方式示意图，如图5所示，低速帧按首帧和后续帧分别使用SMD-Sx和SMD-Cx；由于帧抢占功能要求帧在发送端被切片之后，能够在接收端正确的还原，因此SMD-Sx和SMD-Cx都提供了3个不同的值，用于切片计数功能。该计数提供了3个帧序号，用以确认当前收到的切片是按续的。

在其中一些实施例中，接收传输端的该传输数据，检查该传输数据中的该切片低速帧中的该编号字段；如该编号字段是连续的，通过该字段将该切片低速帧进行组合，恢复成原本的该低速帧；如该编号字段出现不连续的情况，将同一该低速帧包含的所有的已收到的以及未收到的该切片低速帧丢弃；

例如，处理后的该切片低速帧传输到接收端之后，对于不同的SMD-Sx，接收端通过具体的值来判断低速帧首帧的正确性，对于不同的SMD-Cx，接收端通过具体的值来判断相邻的低速分片是否正确、按顺序到达；接收端会记录上一次收到的帧的分片计数值，用于下一次收到帧的时候进行比较；当接收到的帧不满足连续的切片计数后，接收端会认为该帧没有被正确的传输，从而丢弃该顿；对于已经缓冲了的切片，以及尚未接收的切片，接收端同样会对这些切片进行丢弃。

在其中一些实施例中，图6是根据本申请实施例的用于时间敏感网络的数据切片方法的帧抢占示意图，如图6所示，帧抢占的调度算法通过打断低速帧的传输，保证高优先级数据的优先传输，其中，图中的P MAC frame为低速帧，而E MAC frame为高速帧；

传输数据中，该以太网帧的高速帧等待该切片低速帧传输完毕后再进行传输，此时产生的延时较小，帧抢占的开销降低，从而提高高速帧的高实时性传输。

在一个实施例中，图7是根据本申请实施例的电子设备的内部结构示意图，如图7所示，提供了一种电子设备，该电子设备可以是服务器，其内部结构图可以如图7所示；该电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库；其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器；该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库；该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境；该电子设备的数据库用于存储数据；该电子设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种用于时间敏感网络的数据切片方法。

本领域技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的电子设备的限定，具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程；其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器；非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存；易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器；作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于时间敏感网络的数据切片方法，其特征在于，所述方法包括：

对传输数据中的以太网帧中的低速帧进行切片，生成小字节的切片低速帧，其中，所述切片低速帧包括：首帧、中间帧、尾帧；

在所述中间帧和所述尾帧的以太网报文头中填入前导码，所述前导码中编入编号字段，其中，所述以太网报文头为所述切片低速帧中一部分字段；

将所述前导码中编入所述编号字段的所述切片低速帧传输到接收端，其中，所述编号字段用于指示所述接收端对所述切片低速帧进行组合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

所述以太网帧包括：以太网报文头、负载、第一校验和，所述以太网报文头包括：前导码、目标地址、源地址、标签、以太网类型，其中，所述低速帧字段结构与所述以太网帧一致；

在所述中间帧和所述尾帧的所述以太网报文头中只填入所述前导码，不向所述以太网报文头中填入所述目标地址、所述源地址、所述标签、所述以太网类型字段；

将切片帧类型字段填入所述前导码的倒数第二字节，将分片计数字段填入所述前导码的最后一字节，其中，所述分片计数字段为所述编号字段，所述切片帧类型字段辅助所述分片计数字段对所述切片低速帧编号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

在所述首帧中填入所述以太网报文头，并通过预设第二校验和替代所述首帧的所述第一校检和，所述第二校验和也替代所述中间帧中的所述第一校检和。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，处理后的所述切片低速帧传输到接收端之后，所述方法包括：

接收传输端的所述传输数据，检查所述传输数据中的所述切片低速帧中的所述编号字段；

如所述编号字段是连续的，通过所述字段将所述切片低速帧进行组合，恢复成原本的所述低速帧；

如所述编号字段出现不连续的情况，将同一所述低速帧包含的所有的已收到的以及未收到的所述切片低速帧丢弃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

传输数据中，所述以太网帧的高速帧等待所述切片低速帧传输完毕后再进行传输。

6.一种用于时间敏感网络的数据切片系统，其特征在于，所述系统包括传输端和接收端：

所述传输端对传输数据中的以太网帧中的低速帧进行切片，生成小字节的切片低速帧，其中，所述切片低速帧包括：首帧、中间帧、尾帧；

所述传输端在所述中间帧和所述尾帧的以太网报文头中填入前导码，所述前导码中编入编号字段，其中，所述以太网报文头为所述切片低速帧中一部分字段；

所述传输端将所述前导码中编入所述编号字段的所述切片低速帧传输到接收端，其中，所述编号字段用于指示所述接收端对所述切片低速帧进行组合。

7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，

所述以太网帧包括：以太网报文头、负载、第一校验和，所述以太网报文头包括：前导码、目标地址、源地址、标签、以太网类型，其中，所述切片低速帧字段结构与所述以太网帧一致；

所述传输端在所述中间帧和所述尾帧的所述以太网报文头中只填入所述前导码，不向所述以太网报文头中填入所述目标地址、所述源地址、所述标签、所述以太网类型字段；

所述传输端将切片帧类型字段填入所述前导码的倒数第二字节，将分片计数字段填入所述前导码的最后一字节，其中，所述分片计数字段为所述编号字段。

8.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述传输端将处理后的所述切片低速帧传输到接收端之后，

所述接收端接收所述传输端的所述传输数据，检查所述传输数据中的所述切片低速帧中的所述编号字段；

所述接收端接收数据的所述编号字段是连续的，所述接收端通过所述编号字段将所述切片低速帧进行组合，恢复成原本的所述低速帧；

在所述接收端接收数据的所述编号字段出现不连续的情况，所述接收端将同一所述低速帧包含的所有的已收到的以及未收到的所述切片低速帧丢弃。

9.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有可运行计算机程序所述计算机程序可执行权利要求1至5中任一项所述用于时间敏感网络的数据切片方法。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序可执行权利要求1至5中任一项所述用于时间敏感网络的数据切片方法。

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