CN112105080B

CN112105080B - 一种时间敏感网络数据传输系统及传输方法

Info

Publication number: CN112105080B
Application number: CN202011299281.7A
Authority: CN
Inventors: 赵许阳; 王延松; 杨汶佼; 吴少勇; 张天一
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2040-11-18
Also published as: CN112105080A

Abstract

本发明公开一种时间敏感网络数据传输系统及传输方法，其包括作为数据的收发点的端设备、为网络提供精准的同步时钟的时钟同步模块以及起交换作用的桥设备；桥设备中，端口流量监控过滤模块为端口数据的入口管控提供监管机制，优先级队列提供最多8个优先级队列，传输调度模块为时间敏感数据传输提供传输机制，抢占调度模块优化时间敏感数据传输延时，内部内存单元将待转换的数据帧进行集中管理。该系统采用完善的数据整形调度机制，使得强实时性数据能够抢占弱实时性的数据，被抢占的数据可在强实时性数据传输完成后继续占用信道传输，为未来的确定性数据提供一套快速传输的解决方案，大大降低数据的传输延时，提高数据传输的可靠性和稳定性。

Description

一种时间敏感网络数据传输系统及传输方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种时间敏感网络数据传输系统及传输方法。

背景技术

在智能制造时代，IT与OT的融合实现了整个数据透明下的协同制造，在工业制造化中，现场总线的通信方式存在较大的局限性，难以满足智能化制造时代的需求。现场总线的复杂性存在着不同的物理接口、传输机制、对象字典，造成IT信息采集和指令的下行产生较大的延时和抖动；传统的IEEE802.3网络，采用CSMA/CD，即冲突监测，防止碰撞的机制，导致重要的数据传输的可靠性和稳定性较低；工业的运动控制系统对数据的传输延时和抖动要求越来越高，对时间敏感网络的需求也越来越紧迫。

传统的以太网是以非同步方式工作的，网络中任何设备都可以随时发送数据，因此在数据的传输时间上既不精准也不确定；同时，广播数据或视频等大规模数据的传输，也会因网络负载的增加而导致通讯的延迟甚至瘫痪。因此，通用以太网技术仅仅是解决了许多设备共享网络基础设施和数据连接的问题，但却并没有很好的实现设备之间实时、确定和可靠的数据传输。传统的工业以太网采用的技术比如PROFINET协议，设备通过集成双网口，使得数据冲突的区域缩小到设备本身。因为端口可能有多个用户与连接的用户通信，仍会发生介质访问冲突。

发明内容

针对现有的以太网数据传输存在过多时延和抖动以及介质访问冲突的问题，本发明提出一种时间敏感网络数据传输系统及传输方法，能够实现各设备的时钟同步，保证数据传输的准确性、实时性和可靠性。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种时间敏感网络数据传输系统，该传输系统包括端设备、桥设备以及时间同步模块，其特征在于，所述的桥设备包括：

端口流量监控过滤模块，用于对端口数据帧的入口进行管控，并提取待转发的数据帧的帧头，对其依次进行MAC地址过滤、VLAN过滤、流识别、流过滤、流门控和入口处拥塞管理；

优先级队列缓冲模块，用于提供最多8个优先级队列，将不同时间敏感数据帧按照传输优先级别进行分类；

传输调度模块，该模块先采用基于信用值的整形算法对若干高优先级队列进行传输控制，然后对所有的优先级队列采用严格优先级算法进行传输控制；

抢占调度传输模块，通过识别数据帧的优先级，让高优先级数据抢占低优先级数据的传输通道，进行优先传输；

内部内存单元，用于将待转换的数据帧进行集中管理。

一种时间敏感网络数据传输方法，该方法具体包括如下步骤：

S1：数据帧被以太网MAC用户接收端接收后，被放入内部内存单元；

S2：提取所述的数据帧中待转发数据帧的帧头，所述的数据帧的帧头包括MAC地址、VLAN标签和帧类型字段，然后依次经过MAC地址过滤、VLAN过滤、流识别、流过滤、流门控和入口处拥塞管理，丢弃错误流量、恶意攻击流量；

S3：内部交互模块提取待转发数据帧的帧头，识别数据帧的转发VLAN ID，通过内部交互模块将数据帧存放在内部内存单元中；同时根据数据帧的帧头中的优先级序号将数据帧调度到对应的优先级的队列中排队，然后按照严格优先级算法、基于信用值的整形算法以及门控序列机制进行发送处理；

S4：根据数据帧传输的源地址和目的地址，对数据帧进行VLAN注入，并且重新生成校检字符，并存放在内部内存单元中；

S5：对不同优先级的数据帧进行发送管理控制，通过帧抢占方法将数据帧分为抢占帧和被抢占帧，采用以太网底层协议设计eMAC快速通道和pMAC被抢占通道，被抢占帧在重新组合校检字符后保存在MAC合并子层，待抢占帧传输完成后，被抢占帧继续发送，在接收端口处进行重新校检组合。

进一步地，所述的门控序列机制具体为：所述的数据帧根据标识的基于优先级的VLAN Tag，将不同优先级的数据帧按照队列优先级进行排队，每个优先级队列在一个门控列表中进行定义，通过控制每个门控开关，数据帧在预定时间窗口在出口执行传输。

进一步地，所述的基于信用值的整形算法具体为，每个优先级队列被赋予一个有限的信用值，当数据在队列中等待时，该队列对应的信用值以空闲率为斜率增长；当信用值在0和高信用值之间时，只要信道没有被占用，数据立马可被发送；当数据在传输时，信用值以发送率为斜率的速度下降。

进一步地，所述的流过滤通过数据流滤波器实现，所述的数据流滤波器包括数据ID、优先权、滤波值、Meter ID、计数器。

进一步地，在端口发送处，采用数据复制冗余方法，将数据冗余拷贝在一个并行的网络通道中，冗余数据帧产生一个独立的数据流到接收端。

本发明的有益效果如下：

本发明通过采用完善的数据整形调度机制，使得强实时性数据能够抢占弱实时性的数据，被抢占的数据可以在强实时性数据传输完成之后继续占用信道进行传输，通过采用时间同步模块、流量监控过滤模块、优先级队列缓冲模块、传输调度模块、抢占调度传输模块的结合，优化了目前工业场景中的实时性数据传输的确定性和实时性，为未来的确定性数据的提供了一套快速传输的解决方案，大大降低了数据的传输延时，同时提高了数据的传输的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的传输系统的结构示意图；

图2为时间敏感网络传输数据帧的示意图；

图3为本发明的传输方法的数据传输流程图；

图4为带有门控机制的调度示意图；

图5为不同优先级的数据的抢占示意图；

图6为CBS算法的示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明公开一种时间敏感网络数据传输系统，该系统包括端设备、桥设备以及时间同步模块，端设备为数据的收发点，时钟同步模块为网络提供精准的同步时钟，桥设备主要为交换作用，具体包括如下模块：

抢占调度传输模块，通过识别数据帧的优先级，让高优先级数据抢占低优先级数据的传输通道，进行优先传输，达到降低高优先级数据传输延时的效果。

内部内存单元，用于将待转换的数据帧进行集中管理，降低CPU对数据帧的处理效率，从而降低数据帧在转换设备内的延时。

TSN(Time Sensitive Networking，时间敏感网络)是在IEEE 802.1标准框架下，基于特定应用需求制定的一组“子标准”，旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间确定性。TSN隶属于IEEE 802.1下的协议标准，是关于以太网通讯协议模型中的第二层，也就是数据链路层（MAC层）的协议标准。如图2所示是时间敏感网络中的传输的数据帧的示意图，相较于传统的以太网数据包，设备自定义不同的优先级代码，根据优先级代码映射到对应的优先级队列。

如图3所示，802.1Q中定义的VLAN帧结构中的帧头包括MAC地址、VLAN标签和帧类型字段，VLAN标签中的优先级字段将数据帧分配为0~7的不同优先级，其中7为级别最高的数据帧。如图3所示，本发明的数据传输方法具体包括如下步骤：

S2：端口提取所述的数据帧中待转发数据帧的帧头，所述的数据帧头包括MAC地址、VLAN标签和帧类型字段，然后依次经过MAC地址过滤、VLAN过滤、流识别、流过滤、流门控和入口处拥塞管理，丢弃错误流量、恶意攻击流量。

IEEE 802.1Qci可以对入口进行管理，防止网络攻击和流量过载，它对每个流量都进行过滤和管理，数据流滤波器包括数据ID、优先权、滤波值、Meter(计量)ID、计数器；避免部分节点流量过载影响到其他的节点数据传输。

S3：内部交互模块提取待转发数据帧的帧头，识别数据帧的转发VLAN ID，通过内部交互模块将数据帧存放在内部内存单元中；同时根据数据帧的帧头中的优先级序号将数据帧调度到对应的优先级的队列中排队，然后按照严格优先级算法、基于信用值的整形算法以及门控序列机制进行发送处理。

经过过滤的数据将会在内部交互模块按照MAC地址和VLAN表转发到对应的端口，按照如图4的示意图所示，根据数据帧帧头中的优先级序号，数据被调度到对应优先级的队列中，其中队列5、队列6、队列7传输是按照基于信用值的整形算法（CBS算法）进行调度传输，队列0~4则按照严格优先级算法进行传输。

基于信用值的整形算法（CBS算法）的示意图如图6所示，每个数据队列被赋予一个有限的信用值（高信用值和低信用值），当数据在队列中等待时，该队列对应的信用值以空闲率为斜率增长；当信用值在0和高信用值之间时，只要信道没有被占用，数据立马可以被发送；当数据在传输时，信用值将会以发送率为斜率的速度下降，通过该机制保证在可控的时间内将数据传输。图6中1区间代表队列的数据已发送，信用值降低；2、7区间代表数据帧正在等待，当信用值≥0时，数据帧将被发送；3区间代表没有数据帧等待发送；4区间代表有冲突数据在传输，该队列准备发送，允许信用值＞0；5区间代表数据帧等待达到最高的信用值，无法再提高信用值；6区间代表数据帧正在发送，如果有冲突，允许高优先级的数据帧优先发送。

为了进一步地减小由于传输业务的干扰导致的时间敏感数据流的时延，防止同一网络中的不同时间敏感数据流之间的相互干扰，所述的数据帧根据标识的基于优先级的VLAN Tag，将不同优先级的数据帧按照队列优先级进行排队，门控制模块通过采用时钟同步模块建立的全局同步时钟作为基准，将每个优先级队列在门控列表中进行定义，利用门的开关操作为需要保护的队列提供一个独享的信道，通过定时的开关队列的门来实现对业务流的调度，如无特殊需求，则可以将所有的门状态设置为常开状态。

S5：对不同优先级的数据帧进行发送管理控制，通过帧抢占方法将数据帧分为抢占帧和被抢占帧，采用以太网底层协议设计eMAC快速通道和pMAC被抢占通道，被抢占帧在重新组合校检字符后保存在MAC合并子层，待抢占帧传输完成后，被抢占帧继续发送，在接收端口处进行重新校检组合。具体如图5所示，时间敏感网络传输系统规定了一个抢占机制，由IEEE 802.1Qbu&IEEE 802.3br共同构成。对于IEEE 802.1Qbu协议，正在进行的传输可以被中断，报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧，抢占生成框架，最小的64字节的以太网帧受到保护，127字节的数据帧（或剩余帧）不能被抢占。IEEE 802.3br设计了快速帧的eMAC数据通道，可以抢占pMAC的数据传输，被抢占的数据帧被接上一个校检和，将已经传输的部分看做一个完整的以太网帧，高优先级数据帧传输完毕后，被暂停传输的数据帧继续发送，并在接收端口的MAC合并子层进行校检重组。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种时间敏感网络数据传输方法，其特征在于，该方法基于数据传输系统来实现，该传输系统包括端设备、桥设备以及时间同步模块，所述的桥设备包括：

内部内存单元，用于将待转换的数据帧进行集中管理；

该数据传输方法具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的时间敏感网络数据传输方法，其特征在于，所述的门控序列机制具体为：所述的数据帧根据标识的基于优先级的VLAN Tag，将不同优先级的数据帧按照队列优先级进行排队，每个优先级队列在一个门控列表中进行定义，通过控制每个门控开关，数据帧在预定时间窗口在出口执行传输。

3.根据权利要求1所述的时间敏感网络数据传输方法，其特征在于，所述的基于信用值的整形算法具体为，每个优先级队列被赋予一个有限的信用值，当数据在队列中等待时，该队列对应的信用值以空闲率为斜率增长；当信用值在0和高信用值之间时，只要信道没有被占用，数据立马可被发送；当数据在传输时，信用值以发送率为斜率的速度下降。

4.根据权利要求1所述的时间敏感网络数据传输方法，其特征在于，所述的流过滤通过数据流滤波器实现，所述的数据流滤波器包括数据ID、优先权、滤波值、Meter ID、计数器。

5.根据权利要求1所述的时间敏感网络数据传输方法，其特征在于，在端口发送处，采用数据复制冗余方法，将数据冗余拷贝在一个并行的网络通道中，冗余数据帧产生一个独立的数据流到接收端。