CN112005526A

CN112005526A - 时间敏感型数据网络中的数据传输

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Publication number: CN112005526A
Application number: CN201980024281.5A
Authority: CN
Inventors: 斯特凡·赫默; 马塞尔·基斯林; 安·宁赫·恩固因; 于尔根·施米特; 弗兰克·福尔克曼
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2039-04-03
Also published as: CN112005526B; WO2019193031A1; EP3753205B1; EP3753205A1; US20210152482A1; US11394653B2

Abstract

本发明描述了一种具有(TCP/IP)协议栈(S、S’)的传输装置，该协议栈被设置用于在时间敏感网络(TSN)中传输数据(D)。传输装置包括至少一个符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2')和分配的TSN控制单元(3.1、3.1’)。至少一个符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)被配置用于在TCP/IP协议栈(S、S’)的物理层(1)中发送和/或接收符合TSN的数据流(2.1，2.1’)。符合TSN的数据流(2.1、2.1')可以通过分配的TSN控制单元(3.1、3.1’)来配置和/或参数化。

Description

时间敏感型数据网络中的数据传输

技术领域

本发明涉及一种用于在时间敏感网络(Time-Sensitive Networking(TSN)网络)和在具有服务质量参数(Quality of Service(QoS)-网络)的网络中传输数据的装置以及具有这种装置的终端设备和运行这样的终端设备的方法。

背景技术

被描述为时间敏感网络(TSN)的一组通信标准，主要是由电气和电子工程师协会(IEEE)的IEEE 802.1标准化组织为用于网络协议的开放式系统互联(OSI)参考模型的第2层(也称为连接层或者数据链路层)开发的。OSI参考模型包括以下七种数据传输层，其英文名称也用在德语中：

第7层	应用层	Application Layer
			第6层	表示层	Presentation Layer
第5层	会话层	Session Layer
			第4层	传输层	Transport Layer
第3层	网络层	Network Layer
			第2层	数据链路层	Data-Link Layer
第1层	物理层	Physical Layer

OSI参考模型可以利用TCP/IP协议栈(TCP/IP协议栈)来实施，其中，网络层根据Internet协议(IP)以分组交换的方式传输数据，在传输层中根据传输控制协议(TCP)将数据包放编译，并且其中，应用或应用程序可以扩展到第5到第7层。

TSN协议为根据OSI参考模型的数据传输的已知机制扩展了例如保留传输带宽、时间同步或最小化TSN协议端点之间的传输延迟的功能。此类扩展概括为服务质量(QoS)。

如果没有QoS扩展，则不能在使用根据以太网协议来实施的数据链路层的层体系结构来传输数据时，可靠地预测时间特性。同样地，在根据没有QoS扩展的OSI参考模型实施的网络体系结构中，在第4层(传输层)之上一层或多层内部传输数据的应用的传输特性也是未知的，并且不能匹配于网络体系结构的参数，例如可用传输带宽。

从现有技术中很早就知道的数据链路层实施方式是以太网传输协议。以太网传输协议的服务通过以太网接口可用于位于上面的第3至7层。

为了实施时间敏感网络(TSN)的传输，可以为以太网传输协议提供扩展。这种扩展，通过符合TSN的以太网接口为OSI参考模型的更高层提供。

从现有技术中已知有兼容TSN的以太网接口，其被布置在OSI参考模型的第二层中，并且除了以太网传输协议的功能之外，还提供用于控制数据包的传输的时间特性的工具。例如，可以通过参数确定用于时间结构化、优先化和在TSN网络内的等待时间的流类型。此外，可以将应用的允许的发送时间点参数化为发送偏差。

设计为访问不符合TSN的以太网接口的以下称为传统应用的应用可以访问由符合TSN的以太网接口提供的以太网传输协议的服务，但不能访问用于控制传输的时间特性的额外提供的工具。尤其地，不能根据传输带宽和/或时间传输参数，例如分配的传输间隔来控制这种应用的传输特性。然而，由于总传输带宽受限，这种控制对于时间敏感网络的运行是必需的。

因此，根据现有技术，由符合TSN的以太网接口提供的用于TSN扩展或通常的QoS扩展的应用必须使用这种符合TSN的以太网接口的特定数据和/或编程接口。否则，在TSN网络中，也无法确保对于此类传统应用的在时间上的传输保证。

因此，必须调整设置用于没有TSN扩展的以太网接口的应用，通常至少将其重新编译和/或将其与编程库连接(链接)。

此外，从现有技术中已知有虚拟局域网(VLAN)，利用该虚拟局域网，可以在单个物理网络(即，经由OSI参考模型的公共物理层连接的)内在空间和/或拓扑上分离出子网，使得可以将数据传输限制在相应的子网(VLAN)上。在局域网和城域网桥和桥接网络的标准IEEE 802.1Q-2011IEEE标准中描述了此类VLAN。

这种类型的VLAN的访问，通过虚拟网络接口(例如，通过虚拟以太网接口)来进行。虚拟以太网接口提供了常规的、不符合TSN的以太网接口的所有功能，但是通常是由操作系统独立于物理以太网适配器来实施的。尤其是，几个虚拟以太网接口可以彼此独立地进行参数化，并分配给分离的VLAN，但是可以访问一个公共的物理以太网适配器。

这样的虚拟网络接口不提供时间和/或QoS传输保证。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种传输装置，利用该传输装置，应用可以通过时间敏感网络更容易并且更好地交换数据。本发明的目的还在于提供一种具有这种传输装置的终端设备以及一种用于运行这种传输装置的方法。

在传输装置方面，根据本发明的目的通过具有权利要求1的特征的传输装置来实施。在终端设备方面，根据本发明的目的是通过具有权利要求4的特征的终端设备来实施。在用于运行传输装置的方法方面，根据本发明的目的通过具有权利要求5的特征的方法来实施。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

设置用于在时间敏感网络(TSN)中利用传输控制协议/Internet协议(TCP/IP)协议栈传输数据的传输装置包括至少一个虚拟以太网接口，其设置用于在TCP/IP协议栈的物理层中根据协议通过物理以太网适配器传输数据，利用该协议可以保证数据传输的时间参数(时间敏感网络，TSN)和/或可以保证数据传输的其他质量参数(服务质量，QoS)。这种数据传输被称为符合TSN的数据传输或符合TSN的数据流。

根据本发明，针对经由TCP/IP协议栈的IP层与应用的数据交换，该虚拟以太网接口还被设置为，不经由IP层与应用交换专门用于在TSN网络中的数据传输或专门用于QoS数据传输的控制数据或参数。相对于应用，这样的虚拟以太网接口呈没有TSN(或QoS)功能的以太网接口的形式。

这种虚拟以太网接口在下文中称为符合TSN的虚拟以太网接口。

传输装置还包括至少一个TSN控制单元，其中，每个符合TSN的虚拟以太网接口都与这样的TSN控制单元相关联。TSN控制单元与相关联的符合TSN的虚拟以太网接口连接并且被设置为，使得能够通过TSN控制单元来配置和/或参数化符合TSN的虚拟以太网接口。例如，可以为通过符合TSN的虚拟接口传输的数据流配置流类型，这些流类型确定了TSN网络中的时间上的结构化、优先化或保证的等待时间。附加地或替代地，可以将允许的发送时间参数化为发送偏移(SendeOffset)。

TSN控制单元可以例如利用操作系统的操作资源来实施。

因此，所描述的具有这种符合TSN的虚拟以太网接口的传输装置的一个优点在于提供一下可能，即不支持通过IP层传输TSN和/或QoS参数的并且出于技术、法律、监管和/或成本的原因不能适应通过IP层传输此类参数的传统应用，可以不变地、灵活地并且以较小的集成成本在TSN网络中运行。

在本发明的一个设计方案中，传输装置具有多个符合TSN的虚拟以太网接口，这些接口可以通过相关联的TSN控制单元独立地配置和/或参数化。这些符合TSN的虚拟以太网接口中的每一个都可以通过IP层连接到至少一个应用。此外，这些用于物理层中符合TSN数据传输的符合TSN的虚拟以太网接口中的几个可以连接到单个共享的物理以太网适配器。

该设计方案的一个优点在于，单个物理以太网适配器的传输带宽可以被多个应用使用。这减少了符合TSN的数据传输所需的工作量。

在本发明的一个设计方案中，可以将符合TSN的虚拟以太网接口连接到多个应用。该设计方案的一个优点在于，可以通过配置和/或参数化单个符合TSN的虚拟以太网接口来控制多个应用的符合TSN的数据传输。这减少了配置符合TSN的数据传输所需的工作量。

一种终端设备，包括计算单元和设置为转换至少一个TCP/IP协议栈的运行工具，例如可以在计算单元上执行的操作系统。根据本发明，终端设备还包括在上述设计方案之一中的传输装置，其中计算单元和运行工具被设置为控制至少一个应用，并且其中传输装置可以连接到该应用并被配置为经由至少一个TCP/IP协议栈的IP层与该应用交换数据。

有利地，可以使用例如具有操作系统工具的TSN控制单元来配置这样的终端设备，以便在符合TSN的网络中使用或在具有QoS参数的网络中使用，而无需适应可以在终端设备上运行的应用。这样可以节省开发、测试、批准和投放此类设备的工作量，并降低了开发风险。还可以使终端设备适应符合TSN的网络，同时遵守有关一个或多个应用的任何法律，合同或法规限制。

在用于运行这种终端设备的方法中，针对每个应用确定应用传输带宽要求，并且将符合TSN的虚拟以太网接口与每个应用相关联。为了传输相关联的应用的至少一个应用传输带宽，符合TSN的虚拟以太网接口通过TSN控制单元配置和参数化。

这种方法的一个优点在于，无需在TSN网络或具有QoS参数保证的网络中使用的应用可以无需修改，尤其是无需重新编译就可以集成到此类TSN或QoS网络中，使得满足网络范围的质量和时间保证。该方法的其他优点来自与其一起运行的终端设备的优点。

在该方法的一个设计方案中，通过在符合TSN的虚拟以太网接口中进行整形来限制应用传输带宽，使得与该符合TSN相关联的虚拟以太网接口的所有应用的应用传输带宽之和不会超过物理可用的传输带宽。以有利的方式，即使对于非合作的遗留应用，也特别容易确保遵守全网质量和时间保证。

在该方法的一个设计方案中，将多个应用与符合TSN的虚拟以太网接口相关联。根据相关联的物理以太网适配器的传输带宽在物理方面可用的传输带宽被静态地分配在相关联的应用传输带宽上。由此给出可以使用此符合TSN的虚拟以太网接口运行的应用数量上限。以这种方式，物理传输带宽可以有利地特别有效地用于符合TSN的数据传输。

在该方法的一个设计方案中，将多个应用与符合TSN的虚拟以太网接口相关联，并且将物理方面可用的传输带宽动态地分配在相关联的应用传输带宽上。例如，当多个应用具有随时间波动的单独带宽需求时，该设计方案是有利的，然而，这些单独带宽需求的总和等于大约恒定的总带宽需求。以这种方式，物理传输带宽可以有利地特别有效地用于符合TSN的数据传输。

在该方法的一个设计方案中，根据传输控制协议(TCP)在应用和相关联的符合TSN的虚拟以太网接口之间传输数据，其中通过TCP协议的至少一个参数将可用应用传输带宽的指示发送到应用。例如，可以通过TCP参数TCP接收窗口(RWin)将此类信息传输到应用。

该方法的该设计方案的一个优点在于，应用可以根据可用的应用传输带宽来适应其传输特性，而无需使用特定于TSN的机制。因此，可以更广泛地开发和使用应用。

附图说明

结合实施例的以下描述，上述本发明的特性，特征和优点以及实施它们的方式将变得更加清楚和更易理解，这些实施例将结合附图进行更详细地说明。图中示出：

图1示意性地示出了根据现有技术的不具有QoS扩展的TCP/IP协议栈；

图2示意性地示出了具有符合TSN的虚拟以太网接口的TCP/IP协议栈；以及

图3示意性地示出了具有两个符合TSN的虚拟以太网接口的TCPI/IP协议栈。

在所有附图中，对应的部分设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据现有技术在未详细示出的终端设备上通过TCP/IP协议栈S实施OSI参考模型0。

根据OSI参考模型，第一至第七OSI传输层L1至L7布置在彼此之上，并且被分配给TCP/IP协议栈S的层1至4，其中，物理层1与第一OSI传输层或OSI物理层L1相关联，以太网层2与第二OSI传输层或OSI数据链路层L2相关联，IP层3与OSI传输层或OSI网络层L3相关联，并且应用层4在第五到七层OSI传输层(OSI会话层L5，OSI表示层L6，OSI应用层L7)上延伸。

可以通过未详细示出的传输层在TCP/IP协议栈S中实施第四OSI传输层或OSI传输层L4。

数据D分别在垂直相邻的层1至4之间传输。

这些数据D可以包括在不同终端设备之间的相应层1至4内水平地传输的有效载荷数据(pay load)，其中，进行接收的终端设备的层1至4相应接收并处理有效载荷数据，其发送的终端设备的与之相应的、在编号上相同的层1至4提供。

数据D还可以包括控制数据，通过该控制数据可以影响TCP/IP协议栈S位于垂直方向上较深处的层1至3的传输特性。

控制数据的作用方向在图2中用箭头表示。用户数据的传输在垂直相邻的层1至4之间双向进行。

图2示意性地示出了通过TCP/IP协议栈S来实施OSI参考模型0，其中，与现有技术相比，在以太网层2和IP层3之间还布置了符合TSN的虚拟以太网接口2.2。虚拟以太网接口2.2设计为生成和处理符合TSN的数据流2.1，该数据流将数据D传输到以太网层2或从以太网层2传输走。

虚拟以太网接口2.2可以通过TSN控制数据C进行配置和参数化。TSN控制数据C包括用于确定TSN流类型的参数，例如，可以使用这些参数来定义符合TSN的数据流2.1的时间结构化、优先化和/或保证的等待时间。TSN控制数据C还可以包括发送偏移，该发送偏移定义了符合TSN的数据流2.1的至少一个发送时间。

虚拟以太网接口2.2通过TSN控制单元3.1进行配置和/或参数化，该TSN控制单元3.1将TSN控制数据C馈入TCP/IP协议栈S的IP层3。TSN控制数据C的作用方向在图2中用箭头标记。然而，例如，在用于传输TSN控制数据C的握手协议的情况下，也可以反向于箭头的方向来传输信息。

根据图2扩展有符合TSN的虚拟以太网接口2.2的TCP/IP协议栈S使得传统应用能够经由时间敏感的TSN网络在应用层4中进行通信而无需任何改变。所有时间关键的传输参数和QoS质量参数均由独立于传统应用的TSN控制单元3.1控制。

整个TSN通信对传统应用保持透明，因为从应用层4仅接入了与非符合TSN的传输相比未更改的IP层3。网络接口的选择，使用了与根据现有技术的TCP/IP协议栈相比不变的已知机制，例如通过经由IP层3的协议定义路由和/或通过经由以太网层2的协议定义虚拟以太网接口。

例如，可以通过在虚拟以太网接口2.2中进行整形来对传统应用的传输带宽进行必要的限制，而传统应用不需要有关带宽上限的信息。但是，可以通过与数据D一起传输的传统应用的控制和监视信息，例如通过在使用TCP协议的情况下在与OSI传输层L4对应的、未进一步示出的传输层中通过窗口大小参数间接地传输关于可用传输带宽的信息。

扩展了符合TSN的虚拟以太网接口2.2的TCP/IP协议栈S的一个优点在于，出于技术、法律、监管和/或费用方面的原因而无法匹配于在IP层3中符合TSN的数据传输的传统应用，能够在不改变的情况下在TSN网络中运行。

图3示意性地示出了TCP/IP协议栈S、S’的两个实例，在一个实施例中，具有两个彼此分离的传统应用，并且每个传统应用在给子应用层4、4'的实例中运行。换句话说：两个程序在一个终端设备上彼此独立运行，并沿着第五至第七OSI传输层彼此交换数据，或与同一或不同终端设备上的其他程序交换数据。

应用层4的第一实例向/从IP层3发送第一数据D。IP层3的路由被配置为使得第一数据D被路由到第一虚拟以太网接口2.2。第一虚拟以太网接口2.2被设计为生成和处理第一符合TSN的数据流2.1，该第一符合TSN的数据流2.1将第一数据D传输至以太网层2/从以太网层2传出。

第一虚拟以太网接口2.2可以通过第一TSN控制数据C以类似于在图2中已经说明的方法的方式来配置和参数化。借助于第一TSN控制单元3.1来配置和/或参数化第一虚拟以太网接口2.2，该第一TSN控制单元3.1将第一TSN控制数据C馈送到TCP/IP协议栈S的IP层3中。

根据已经在图2中描述的设计方案，层1至3、应用层4的第一实例、第一虚拟以太网接口2.2和第一TSN控制单元3.1形成了TCP/IP协议栈S。

类似地，根据已经在图2中描述的设计方案，层1至3、应用层4’的第二实例、第二虚拟以太网接口2.2’和第二TSN控制单元3.1’形成第二TCP/IP协议栈S’，其中，第二虚拟以太网接口2.2'被设计为生成和处理第二符合TSN的数据流2.1’，并且可以通过第二TSN控制数据C'类似于图2中已经说明的方法进行配置和参数化，并且第二虚拟以太网接口2.2’的配置和/或参数化可以通过第二TSN控制单元3.1’实施，该第二TSN控制单元将第二TSN控制数据C'馈送到TCP/IP协议栈S'的IP层3中。

应用层4、4'的两个实例共同使用物理层1、以太网层2和IP层3，但是访问彼此分开的虚拟以太网接口2.2、2.2’，它们被设计为符合TSN且能够通过相应关联的TSN控制单元3.1、3.1’配置和参数化，并且可以通过未详细示出的通用物理以太网适配器来访问物理层1。

因此，在该实施例中为每个在应用层4、4的实例中运行的传统应用关联一个符合TSN的传输，其中，每个虚拟以太网接口2.2、2.2’被这样地配置和参数化，即与虚拟以太网接口2.2、2.2’关联的各个传输带宽最多与可以通过第一至第三层1至3传输的总带宽一样大，并且每个虚拟以太网接口2.2、2.2’也分配了单个传输带宽，其至少与传统应用的应用层4、4’的各个实例的带宽要求一样大。

这样，多个的传统应用可以通过时间敏感(TSN)网络进行通信，而无需进行调整，并且可以确保有关传输特性的及时保证。

在本发明的一个设计方案中，可以在应用层的其他实例中运行另外的传统应用(图3中未示出)，并且可以将其共同分配给符合TSN的虚拟以太网接口2.2、2.2’。

在这种情况下，分配给该虚拟以太网接口2.2、2.2’的传输带宽可以随时间分配给相关联的传统应用，从而使得它不能随时间(静态地)改变，例如以相等的比例。然而，分配给各个虚拟以太网接口2.2、2.2'的传输带宽也可以在分配的传统应用中被动态地划分为随时间变化的部分。

本发明的这一实施例的一个优点是，运行预定数量的应用需要较少数量的虚拟以太网接口2.2、2.2’。这样可以减少安装和维护成本，并提高数据吞吐量。

尽管已经通过优选的实施例对本发明进行了更详细的说明和描述，但是本发明不受公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以从中得出其他变化，而不脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有传输控制协议/Internet协议(TCP/IP)协议栈(S、S’)的传输装置，所述传输装置被配置用于在时间敏感网络(TSN)中传输数据(D)，其中，所述传输装置包括至少一个符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)和相关联的TSN控制单元(3.1、3.1’)，其中，所述至少一个符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)被配置用于在TCP/IP协议栈(S、S’)的物理层(1)中发送和/或接收符合TSN的数据流(2.1、2.1’)，并且其中，所述符合TSN的数据流(2.1，2.1’)能够通过所关联的所述TSN控制单元(3.1、3.1’)进行配置和/或参数化。

2.根据权利要求1所述的传输装置，具有多个能够分别利用所关联的TSN控制单元(3.1、3.1’)独立地配置和/或参数化的、符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)，所述虚拟以太网接口能够通过TCPI/IP协议栈(S、S’)的IP层(IP)分别与在应用层(4、4’)的实例中运行的至少一个应用连接，并且所述虚拟以太网接口能够共同通过物理以太网适配器与TCPI/IP协议栈(S、S’)的物理层(1)连接。

3.根据前述权利要求中任一项所述的传输装置，其中，一个符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)被设计为能够与多个应用连接。

4.一种终端设备，包括计算单元、设置用于实施至少一个TCP/IP协议栈(S、S’)的运行工具以及根据前述权利要求中任一项所述的传输装置，其中，所述计算单元和所述运行工具被设置用于对至少一个应用进行流程控制，并且其中，所述传输装置能够与所述应用连接并且设置为通过至少一个TCP/IP协议栈(S、S’)的IP层与所述应用交换数据(D)。

5.一种用于运行根据权利要求4所述的终端设备的方法，其中，为每个应用确定应用传输带宽要求，将符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)分配给每个应用，并且为了传输所关联的应用的至少应用传输带宽，所述符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)通过所述TSN控制单元进行配置和参数化。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过整形在符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)中限制应用传输带宽，以使分配给该符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)的所有应用的应用传输带宽之和不超过物理方面可用的传输带宽。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，将多个应用分配给符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)，并且将物理方面可用的传输带宽静态地分配到相关联的应用传输带宽上。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其中，将多个应用分配给符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)，并且将物理方面可用的传输带宽动态地分配到相关联的应用传输带宽上。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，根据传输控制协议(TCP)在应用与相关联的符合TSN的虚拟以太网接口(2.2、2.2’)之间传输数据(D)，并且其中，通过TCP协议的至少一个参数将可用的应用传输带宽的说明发送至应用。