CN112003791A - 基于tsn的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，具体包括以下步骤：首先网络中不同类型的流量按照既定的流量类分类，按照FIFO的原则放入对应的队列中，当信道空闲，存在排队待发送的帧；检查对应的门，如果对应的门是关闭的，等待对应的门开启；如果对应的门是开启状态，进入下一步；检查对应的时隙窗口，如满足传输条件则准备传输；如果传输的信道空闲，顺利发送数据；当传输的信道繁忙，系统激活自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制；当系统的QoS在正常范围中时，系统无需更改传输结构，当QoS接近阈值，即延迟接近STHigh时系统按需调整对应的门控条目。

Description

基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网
技术领域
本发明属于工业物联网领域，具体涉及一种使用时间敏感网络确保工业通信中关键负载通信的质量。
背景技术
目前物联网技术的发展带来了很多解决问题的思路和方法，可以更好地推进高科技低能耗的社会建设工作。工业物联网被看作成物联网的组成部分之一，当前主要由以美国工业互联网和德国工业4.0所主导的信息物理系统 (Cyber-Physical Systems，CPS)为代表，它主要将大数据、云计算、传感器或控制器等技术集成到生产中的各个过程中，以提高生产效率和产品的质量，从而降低生产成本，将传统行业转变为智能化产业。
工业4.0的一个中心特征是联网的网络物理系统(CPS)，其中物理过程由计算机控制，由计算机网络向CPS控制器传输传感器数据和执行器命令。由于传感器和执行器可能在工厂之间分布，而且许多物理过程如一组协作机器人的运动控制是高度时间敏感的。
以太网由于其开放性和低成本，以太网技术作为链路层连接标准在通行网络中得到了广泛的应用，但是传统的以太网是设计来提高链路利用率，以便为最佳服务(besteffort services)实现最大的端到端的吞吐量(throughput)。而当最佳服务提供高链接利用率和简单的实现时，不能保证端到端的延迟。因此，以太网不适合那些要求确定性端对端延迟的应用，例如：工业、自动化控制。
为了保证物理系统在控制下的确定性行为，因此需要一个具有确定性有界网络延迟和延迟变化的实时通信网络来连接传感器、执行器和控制器。传统上，现场总线已被用于此目的，后来随着以太网技术的飞速发展，SERCOS III、 PROFINET、TTEthernet、EtherCAT、FlexRay等提出了不同的实时以太网技术。
尽管这些以太网技术提供了确定性的实时属性，并且可以在同一介质上传输实时和非实时流量，但它们彼此不兼容，因此不同技术不能在同一物理介质上运行。大大限制了互操作性和互联性。
本发明主要解决的是工业物联网领域中对ST数据传输的确定性延迟、保证传输的时效性。在TSN时间敏感网络的基础上进一步改进部分传输机制，加入自适应带宽共享(ABS)机制和动态自适应时隙开窗(ASW)机制，更加确保ST流量传输的确定性延迟和在保证ST传输的情况下尽量保证BE流量的正常传输。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网。本发明的技术方案如下：
一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其在传统的时间敏感网络的时间感知整形器TAS基础上，加入自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制，具体包括以下步骤：
1)首先网络中不同类型的流量按照既定的流量类分类，按照FIFO的原则放入对应的队列中，当信道空闲，存在排队待发送的帧；
2)检查对应的门，如果对应的门是关闭的，等待对应的门开启；如果对应的门是开启状态，进入下一步；
3)检查对应的时隙窗口，如满足传输条件则准备传输；
4)如果传输的信道空闲，顺利发送数据；
5)当传输的信道繁忙，系统激活自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制；
6)当系统的QoS在正常范围中时，系统无需更改传输结构，当QoS接近阈值，即延迟接近STHigh时系统按需调整对应的门控条目。
进一步的，所述步骤3)的传输条件为：当满足以下条件时队列中的流量就可以进行传输：
1)队列中包含的帧准备好传输
2)队列的门是打开的
3)更高优先级的流量类队列(有打开的门)没有帧传输(对BE流量而言)
4)队列中的传输的帧在给定的时隙窗口内能完成传输。
进一步的，所述自适应带宽共享ABS机制具体为：如果给定的传输机会不被使用，则为了实现高链路利用率，为阻塞的队列提供ST或BE时隙的自适应带宽共享，也就是说ABS临时共享当前时隙时间的带宽，预留给BE的传输机会(由于BE时隙窗口)可以暂时与ST流量共享；当时隙窗口设置为BE或ST时，如果保留的队列(BE或ST)为空，则可以选择非空(ST或BE)等待队列进行传输。
进一步的，所述动态自适应时隙开窗ASW机制具体为：该机制根据运行时网络统计量将BE(best-effort尽力而为流量)门控比转换为ST(Sensitive-time 时间敏感流量)门控比，或ST门控比转换为BE门控比，这种自适应方法能够在暂时牺牲BE QoS的基础上处理ST流量的突发。对于标准TAS机制的ASW修改，将接收端运行时的网络统计信息反馈给上游交换机，上游交换机根据特定流量类的预定义延迟阈值决定是否需要扩展或减少时隙窗口；如果当前运行时延接近阈值，那么将会扩展出现问题的流量类的时隙，反之亦然。
进一步的，传统的时间敏感网络的时间感知整形器TAS具体包括：采用基于同步调度的方法调度TSN流量类，即IEEE802.1Qbv门控调度，时间感知队列通过时间感知整形器TAS使TSN交换机能够来控制队列流量；
TAS主要考虑两种流量类型：高优先级的ST和低优先级的BE；ST在交换机中的ST队列中缓存，BE在交换机中的BE队列中缓存；TAS按照流量类实现帧优先级的隔离：TAS将传输机会进行划分以确保满足ST的服务质量QoS的限定，并保护ST不受任何交叉流量的干扰；
TAS交换机根据有多个GCEs门控制条目组成的循环GCL，每一个队列都有一个门控GCEs，而一个交换机中所有的门控合称为GCL门控制列表，切换门的状态为开/关，决定何时打开队列门传输流量；当对应的队列门状态打开时，检查时隙窗口，如果当前正在空闲输出通道上等待传输的ST包的总传输时间小于到BE时隙时间开始的持续时间，那么将发送ST包，否则ST包将会被调度到下一个GCL周期；因此如果ST包到达BE时隙的开头，那么它至少要等到下一个 ST时隙的开头，同理BE包也是如此。
本发明的优点及有益效果如下：
1)本发明继承了传统TSN网络在联网中提供可靠的确定性，实现端到端的实时传输数据；
2)在保持BE延迟相对较低的情况下，进一步减少ST的延迟，也能有效缓解BE流量互斥等待等
3)动态的根据网络中各类流量的传输情况调节时隙窗口的门控比，对于网络中突发的某类流量激增情况有着极强的适应、处理能力，保持实时传输数据。
本发明的创新主要是在传统的时间敏感网络的时间感知整形器(TAS)基础上，加入自适应带宽共享(ABS)机制和动态自适应时隙开窗(ASW)机制。相对之前的技术，自适应带宽共享(ABS)机制能根据实际传输情况动态的调节 ST/BE之间的门控比，对于网络中ST或BE流量激增的情况，更加能保障ST 流量传输的确定性延迟，也能在保证ST传输的情况下尽量保证BE流量的正常传输；自适应带宽共享(ABS)机制能在ST队列(BE队列)空闲时，借由其空闲带宽传输BE流量(ST流量)，提高链路传输的利用率。加入这两种机制更加适应实际传输情况，无论对于ST或BE流量都能获得更好的传输效果
附图说明
图1是本发明提供优选实施例解释时间感知整形器(TAS)时间线图：每个 GCL周期的持续时间等于最大窗口时间，即，循环时间(CT)。在一个给定的GCL 周期内，根据GCEs来打开和关闭门；
图2时间感知整形器(TAS)自适应带宽共享(ABS)机制示意图；
图3时间感知整形器(TAS)自适应开槽窗口(ASW)机制示意图；
图4方案整体流程图
图5动态自适应时隙开窗(ASW)机制流程图；
图6动态自适应时隙开窗(ASW)机制门控比调节流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
提出了一种基于时间敏感网络的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网。本发明的技术方案如下：
A.最大开窗时间(即循环时间CT)：制定了GCL(门控列表)重复的基本时间段，在一个最大开窗时间内分配给各个流量类的门禁时间(gate times) 之和必须小于或等于最大开窗时间。
B.时隙窗口(Slotted Windows)：定义了每个流量类的定时传输窗口。初始时，这些值是静态预定义的。然而在本方案中为了更好的适应工业网络中复杂的网络情况，时隙窗口时间在运行时是动态调整的，即自适应调节时隙窗口。
C.门控机制(Gating Mechanism)：门控机制是一种主要的机制，它根据GCL (门控列表)阻塞或解除队列的传输，GCL(门控列表)由一系列的GCE (门控条目)组成。
D.队列管理(Queue Management)：管理队列内的帧，以及内部队列结构和管理，每个队列(每个出口端口共有两个流量类队列)根据数据包流量类将数据包插入到ST或BE队列后面。队列中流量按照先进先出的规则控制流量。
方案采用基于同步调度的方法调度TSN流量类，即IEEE802.1Qbv门控调度。时间感知队列通过时间感知整形器(Time Aware Shaper，TAS)使TSN交换机能够来控制队列流量(queued traffic)。
TAS主要考虑两种流量类型：高优先级的ST(scheduled traffic)和低优先级的BE(best effort)。ST在交换机中的ST队列中缓存，BE在交换机中的 BE队列中缓存。TAS按照流量类实现帧优先级的隔离：TAS将传输机会进行划分以确保满足ST的服务质量(QoS)的限定，并保护ST不受任何交叉流量 (cross-traffic)的干扰。
TAS交换机根据有多个GCEs(门控制条目Gate Control Entries)组成的循环GCL(Gate Control list)切换门的状态为开/关，决定何时打开队列门传输流量。当对应的队列门状态打开时，检查时隙窗口，如果当前正在空闲输出通道上等待传输的ST包的总传输时间小于到BE时隙时间开始的持续时间，那么将发送ST包，否则ST包将会被调度到下一个GCL周期；因此如果ST包到达 BE时隙的开头，那么它至少要等到下一个ST时隙的开头。同理BE包也是如此。
当满足以下条件时队列中的流量就可以进行传输：
1)队列中包含的帧准备好传输
2)队列的门是打开的
3)更高优先级的流量类队列(有打开的门)没有帧传输(对BE流量而言)
4)队列中的传输的帧在给定的时隙窗口内能完成传输
但是在实际工业网络中BE流量和ST流量肯定是波动的，固定的时隙窗口并不适合，为了保障链路的利用率和ST、BE流量的QoS(服务质量)，本方案在此基础上引入自适应带宽共享(ABS)和动态自适应时隙开窗(ASW)机制来减轻这种限制。
A.自适应带宽共享(ABS)机制：如果给定的传输机会不被使用，则为了实现高链路利用率，我们为阻塞的队列提供ST或BE时隙的自适应带宽共享，也就是说ABS临时共享当前时隙时间的带宽。图2所示，预留给BE的传输机会(由于BE时隙窗口)可以暂时与ST流量共享。当时隙窗口设置为 BE或ST时，如果保留的队列(BE或ST)为空，则可以选择非空(ST或BE)等待队列进行传输。在保持BE延迟相对较低的情况下，进一步减少 ST的延迟，也能有效缓解BE流量互斥等待。
B.动态自适应时隙开窗(ASW)机制：该机制根据运行时网络统计量将BE门控比转换为ST门控比(或ST门控比转换为BE门控比)，这种自适应方法能够在暂时牺牲BE QoS的基础上处理ST流量的突发。对于标准TAS机制的ASW修改，我们将接收端运行时的网络统计信息反馈给上游交换机。如图3所示，上游交换机根据特定流量类的预定义延迟阈值(delaythreshold)决定是否需要扩展或减少时隙窗口。如果当前运行时延接近阈值，那么我们将会扩展出现问题的流量类的时隙，反之亦然。
具体流程参见图4，在传统的时间敏感网络的时间感知整形器(TAS)基础上，加入自适应带宽共享(ABS)机制和动态自适应时隙开窗(ASW)机制。
1)首先网络中不同类型的流量按照既定的流量类分类，按照FIFO的原则放入对应的队列中。当信道空闲，存在排队待发送的帧；
2)检查对应的门，如果对应的门是关闭的，等待对应的门开启；如果对应的门是开启状态，进入下一步；
3)检查对应的时隙窗口，如满足情况则准备传输；
4)如果传输的信道空闲，顺利发送数据；
5)当传输的信道繁忙，系统激活自适应带宽共享(ABS)机制和动态自适应时隙开窗(ASW)机制；
6)当系统的QoS在正常范围中时，系统无需更改传输结构当QoS接近阈值，即延迟接近STHigh时系统按需调整对应的门控条目。
(最好结合图5、图6进行一些文字描述)
当启动自适应带宽共享(ABS)机制和动态自适应时隙开窗(ASW)机制后上述步骤从3)步骤开始会有调整，如图5所示。
3)检查时隙窗口，以ST类流量传输为例，当处于ST时隙窗口时会有以下不同情况：
a、ST队列非空，且当前传输的ST数据包小于ST时隙的传输能力，则发送数据包；
b、ST队列非空，且当前传输的ST数据包大于ST时隙的传输能力，则重新进行调度；
c、ST队列非空且BE队列非空，当前传输的BE数据包小于ST时隙的传输能力,BE数据包的传输共享当前ST时隙进行传输。
当系统传输数据的延迟超过限制时，系统由动态自适应时隙开窗(ASW)机制调控ST和BE时隙的门控比，借此调节当前ST和BE的传输能力，详情可见图6：
a、系统传输数据的延迟大于ST的最高延迟时，调节后的门控比小于限制值，按调节比例增加ST的门控比，这样保证ST流量的传输时效；
b、系统传输数据的延迟大于小于ST的最高延迟时，调节后的门控比大于限制值，按调节比例减少ST的门控比，这样在保证ST流量传输时效的同时，尽量减少对BE流量的传输限制。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其特征在于，在传统的时间敏感网络的时间感知整形器TAS基础上，加入自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制，具体包括以下步骤：
1)首先网络中不同类型的流量按照既定的流量类分类，按照FIFO的原则放入对应的队列中，当信道空闲，存在排队待发送的帧；
2)检查对应的门，如果对应的门是关闭的，等待对应的门开启；如果对应的门是开启状态，进入下一步；
3)检查对应的时隙窗口，如满足传输条件则准备传输；
4)如果传输的信道空闲，顺利发送数据；
5)当传输的信道繁忙，系统激活自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制；
6)当系统的QoS在正常范围中时，系统无需更改传输结构，当QoS接近阈值，即延迟接近STHigh时系统按需调整对应的门控条目。
2.根据权利要求1所述的一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其特征在于，所述步骤3)的传输条件为：当满足以下条件时队列中的流量就可以进行传输：
1)队列中包含的帧准备好传输
2)队列的门是打开的
3)更高优先级的流量类队列(有打开的门)没有帧传输(对BE流量而言)
4)队列中的传输的帧在给定的时隙窗口内能完成传输。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其特征在于，所述自适应带宽共享ABS机制具体为：如果给定的传输机会不被使用，则为了实现高链路利用率，为阻塞的队列提供ST或BE时隙的自适应带宽共享，也就是说ABS临时共享当前时隙时间的带宽，预留给BE的传输机会(由于BE时隙窗口)可以暂时与ST流量共享；当时隙窗口设置为BE或ST时，如果保留的队列(BE或ST)为空，则可以选择非空(ST或BE)等待队列进行传输。
4.根据权利要求3所述的一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其特征在于，所述动态自适应时隙开窗ASW机制具体为：该机制根据运行时网络统计量将BE(best-effort尽力而为流量)门控比转换为ST(Sensitive-time时间敏感流量)门控比，或ST门控比转换为BE门控比，这种自适应方法能够在暂时牺牲BE QoS的基础上处理ST流量的突发。对于标准TAS机制的ASW修改，将接收端运行时的网络统计信息反馈给上游交换机，上游交换机根据特定流量类的预定义延迟阈值决定是否需要扩展或减少时隙窗口；如果当前运行时延接近阈值，那么将会扩展出现问题的流量类的时隙，反之亦然。
5.根据权利要求4所述的一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其特征在于，传统的时间敏感网络的时间感知整形器TAS具体包括：采用基于同步调度的方法调度TSN流量类，即IEEE802.1Qbv门控调度，时间感知队列通过时间感知整形器TAS使TSN交换机能够来控制队列流量；
TAS主要考虑两种流量类型：高优先级的ST和低优先级的BE；ST在交换机中的ST队列中缓存，BE在交换机中的BE队列中缓存；TAS按照流量类实现帧优先级的隔离：TAS将传输机会进行划分以确保满足ST的服务质量QoS的限定，并保护ST不受任何交叉流量的干扰；
TAS交换机根据有多个GCEs门控制条目组成的循环GCL(门控制列表？每一个队列都有一个门控GCEs，而一个交换机中所有的门控合称为GCL门控制列表)切换门的状态为开/关，决定何时打开队列门传输流量；当对应的队列门状态打开时，检查时隙窗口，如果当前正在空闲输出通道上等待传输的ST包的总传输时间小于到BE时隙时间开始的持续时间，那么将发送ST包，否则ST包将会被调度到下一个GCL周期；因此如果ST包到达BE时隙的开头，那么它至少要等到下一个ST时隙的开头，同理BE包也是如此。
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