CN112468418A - 多级切片边缘交换设备及其实现方法 - Google Patents

多级切片边缘交换设备及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种多级切片边缘交换设备及其实现方法，交换设备包括多个转发模块，每个转发模块与所有网络接入设备均相连，且每个转发模块被配置为：当接收多种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将高优先级的数据流量分配至硬管道中进行全流水线高优先级转发，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道进行转发；和/或当接收同种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。本发明通过采用多层网路切片技术，提高网络可靠性的同时保障高优先级业务在全流水线查找和转发的优先级。

Description

多级切片边缘交换设备及其实现方法
技术领域
本发明涉及网络技术领域，尤其是涉及一种多级切片边缘交换设备及其实现方法。
背景技术
边缘工业网络接入设备，如网络交换设备等，作为工业网络的重要组成部分，其对于可靠性以及流量的优先级保障等有一定需求，尤其是对网络时延(TSN)要求更高，而且由于工业网络中接入的工业设备种类和数量繁多，对工业网络的可靠性和安全性也提出了相应的要求。
随着工业的不断发展，工业网络中接入的设备不再是工业设备，越来越多的办公设备、管理设备等也逐渐加入工业网络中。为满足差异化的服务需求，通常采用网络切片技术来承载多种工业网络业务，无需维护多个专用网络设备。然而，目前工业网络中所采用的网络切片技术仅有一个层次，也就是说只通过传统网络设备的QoS(Quality of Service，服务质量)队列优先级来保障业务数据流之间的切片隔离。由于当前工业网络所采用的网络切片不具备层次化，容易产生以下问题：(1)由于工业网络中高优先级和低优先级业务均在一个网络设备处理，存在宕机和链路中断风险，网络可靠性不稳定。(2)由于传统网络设备利用QoS实现的网络切片技术，仅能够保证队列调度的优先级，而在网络设备内部入方向转发流水线和出方向转发流水线，则无法保障高优先级业务在全流水线查找和转发的优先级，这里的全流水线指的是入方向转发流水线、出方向转发流水线和队列调度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种多级切片边缘交换设备及其实现方法，提高网络可靠性的同时保障高优先级业务在全流水线查找和转发的优先级。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种多级切片边缘交换设备，所述多级切片边缘交换设备包括
多个转发模块，每个转发模块与所有网络接入设备均相连，且每个转发模块被配置为：
当接收多种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将高优先级的数据流量分配至硬管道中进行全流水线高优先级转发，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道进行转发；和/或
当接收同种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
优选地，当任意一个转发模块出现故障时出现故障的转发模块所连接的网络接入设备将数据流量转发至其他正常工作的转发模块中。
优选地，所述转发模块根据报文的IP优先级或WLAN优先级或前导码或五元组信息将高优先级的数据流量分配至硬管道中，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道。
优选地，所述转发模块根据报文源IP地址或者目的IP地址或者源MAC地址或者目的MAC地址将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
优选地，多个QoS优先级队列通过SP队列调度算法或者WRR队列调度算法进行队列调度。
优选地，若多个网络接入设备发送的数据流量映射到同一个QoS优先级队列中，则通过WRR队列调度算法进行队列调度。
优选地，若多个网络接入设备发送的数据流量映射到不同QoS优先级队列中，则通过SP队列调度算法进行队列调度。
本发明还揭示了一种多级切片边缘交换设备的实现方法，包括
设置多个转发模块，每个转发模块与所有接入设备均相连，且每个转发模块被配置为：
当接收多种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将高优先级的数据流量分配至硬管道中进行全流水线高优先级转发，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道进行转发；和/或
当接收同种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
优选地，所述转发模块根据报文的IP优先级或WLAN优先级或前导码或五元组信息将高优先级的数据流量分配至硬管道中，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道。
优选地，所述转发模块根据报文源IP地址或者目的IP地址或者源MAC地址或者目的MAC地址将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
本发明的有益效果是：
本发明所述的多级切片边缘交换设备及其实现方法，适用于边缘和工业网络，其通过采用多级网络切片方案，一方面提供了多级切片保障，其中，第一级网络切片方案不仅提供了物理级的网络切片，还能够提高边缘和工业网络的可靠性及故障保护能力，对于边缘和工业网络的运维和故障恢复非常有帮助；第二级网络切片方案能够根据报文特征灵活地将数据流量分配至不同的转发通道(硬管道和普通转发通道)，高优先级的硬管道能够保障全流水线的优先转发；第三级网络切片方案能够满足同类型网络接入设备差异化网络服务质量的需求，另一方面为边缘和工业网络提供多层次、更精细、更可靠的边缘网络切片解决方案，为大规模的边缘和工业网络融合部署打下了切片技术基础。
附图说明
图1是多级切片边缘交换设备的结构框图示意图；
图2是网络接入设备的数据流量发送示意图；
图3是图2中转发模块在出现故障时网络接入设备的数据流量发送示意图；
图4是第二级网络切片方案示意图；
图5是第三级网络切片方案中转发模块在出现故障时网络接入设备的数据流量发送示意图；
图6是第三级网络切片方案中数据流量映射QoS优先级队列示意图；
图7是报文结构示意图；
图8是IP报文头部结构示意图；
图9是多级切片边缘交换设备的实现方法流程图示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明所揭示的一种多级切片边缘交换设备，采用多层次网络切片技术，能够为边缘和工业接入网络提供多层次、更精细、更可靠的边缘网络切片解决方案，为大规模的边缘和工业网络融合部署奠定了网络切片技术基础。
如图1所示，为本发明所揭示的一种多级切片边缘交换设备，包括多个转发模块，每个转发模块与所有网络接入设备均相连，并且每个转发模块被配置为：
当接收多种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将高优先级的数据流量分配至硬管道中进行全流水线高优先级转发，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道进行转发；和/或
当接收同种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
具体地，在边缘和工业网络中，多种类型的网络接入设备并存，网络接入设备包括工业设备、办公设备、管理设备等等，这些网络接入设备对网络接入的可靠性、服务质量要求(QoS)存在差异化需求，如工业设备对网络的实时性、可靠性要求等级最高，办公设备对网络的服务质量要求最低，而管理设备对网络的服务质量要求中等。由于目前边缘网络交换设备采用的网路切片方案主要是通过QoS优先级队列来实现，单层次的网络切片方案无法实现物理级别的资源隔离，也无法提高可靠性，因此，本发明所揭示的边缘交换设备从物理硬件、转发通道和QoS优先级三个层次，设计了三个层次的网络切片方案，有效解决了现有单层次切片方案所导致的可靠性低、切片粒度粗、切片层次单一等问题。
结合图2和图3所示，本发明所述的多级切片边缘交换设备采用的第一级网络切片方案为边缘网络设备模块化，即设置多个转发模块，转发模块与网络接入设备进行多链路连接，也即每个网络接入设备与每个转发模块相连，如图2所示，设置4个转发模块，网络接入设备为工业设备、管理设备和办公设备，其中，工业设备与4个转发模块一一对应连接，管理设备与4个转发模块一一对应连接，办公设备与4个转发模块一一对应连接。通过设置多个转发模块，能够使不同类型的网络接入设备发送的数据流量发送到不同的转发模块中，并在任意一个转发模块出现故障时提供冗余方案，也即出现故障的转发模块所连接的网络接入设备可将数据流量转发至其他正常工作的转发模块中。
本发明的多级切片边缘交换设备所采用的第一级网络切片方案，一方面可从物理设备层面保障网络资源与优先级，如图2所示，将工业设备的业务流量均发送至第一转发模块中，将办公设备流量均发送至第四转发模块中，进而从物理上隔离和保障高优先级的流量转发不被低优先级的流量冲击，另一方面可从物理层面提高转发模块的可靠性，也即当任意一个转发模块出现故障时，网络接入设备可将数据流量切换到其他正常工作的转发模块中，如图3所示，当第一转发模块出现故障(如宕机或者链路中断)时，其连接的工业设备可将数据流量发送至第二转发模块中，进而从物理层面提高了转发模块的可靠性。
如图4所示，多级切片边缘交换设备采用的第二级网络切片方案为在转发模块中配置硬管道技术，使转发模块能够根据业务报文的特征来灵活划分不同的转发通道，也即：将高优先级的数据流量分配至硬管道中保障优先转发，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道进行转发，硬管道技术能够保障高优先级的数据流量在转发模块内全流水线的优先级转发。具体地，结合图7和图8所示，针对不同类型的网络接入设备发送的数据流量(设备业务流量)在同一转发模块处理时，转发模块根据数据报文的特征，如IP优先级、WLAN优先级、前导码以及报文五元组信息等，将数据流量分配至硬管道(记为Pipe0)和普通转发通道(记为Pipe1)中。当任意一个转发模块存在故障时，正常工作的转发模块依据硬管道技术对出现故障的转发模块所连接的网络接入设备发送的数据流量进行转发，如当第一转发模块出现故障(如宕机或者链路终端)，业务切换到正常工作的第二转发模块，此时第二转发模块会同时接收工业设备发送的高优先级数据流量和管理设备发送的中等优先级数据流量。由于第二转发模块配置了硬管道技术，可根据数据流特征，如前导码，将工业设备发送的高优先级数据流量分配至硬管道Pipe0，将管理设备发送的中等优先级数据流量分配至普通转发通道Pipe1，第二转发模块会优先转发高优先级硬管道Pipe0中工业设备发送的数据流量。本发明在每个转发模块中配置硬管道技术，以实现第二级网络切片方案，一方面能够保障全流水线的转发优先级，全流水线包含入方向流转发水线，出方向转发流水线以及队列调度，另一方面，在严格保障不同通道的转发优先级的同时还可以和第三级络切片方案配合使用。
结合图5和图6所示，多级切片边缘交换设备采用的第三级网络切片方案为在转发模块的普通转发通道中配置QoS优先级队列，其针对的是同类型的多个网络接入设备的数据流量在同一个转发模块处理的情形，也即在转发模块的普通转发通道中，针对同一类型的多个网络接入设备，根据报文的特征将数据流量映射到多个QoS优先级队列中，以满足同类型网络接入设备差异化网络服务质量的需求，多个QoS优先级队列支持SP(StrictPriority，严格优先级)、WRR(Weighted Round Robin，加权循环调度算法)队列调度算法，其中，如果多个网络接入设备的优先级相同，也即多个网络接入设备发送的数据流量均映射到同一个QoS优先级队列中，则使用WRR队列调度算法进行队列调度处理，如果多个网络接入设备的优先级存在差异，则使用SP队列调度算法进行队列调度处理。如图5所示，第二转发模块同时接入了多个管理设备的业务数据流量，其根据报文的特征，如源IP地址、目的IP地址、源MAC地址和目的MAC地址等等，将多个管理设备发送的数据流量映射到8个QoS优先级队列中。
本实施例中，转发模块根据报文的特征将数据流流映射到8个QoS优先级队列中，报文特征如报文的五元组信息、IP优先级、WLAN优先级等等。
本实施例中，以多级切片边缘交换设备采用三层网络切片技术为例，对多级切片边缘交换设备进行了详细地说明，此处的三层网络切片技术仅仅是示例性的而非限制性的，当然，在其他实施例中，可根据实际需求设置其他层次的网络切片技术，如设置两层网络切片技术时将上述第一级网路切片方案和第二级网络切片方式进行组合，或者将上述第一级网路切片方案和第三级网络切片方式进行组合等等，当然，也可仅将第二级网路切片方案和第三级网络切片方式进行组合。
如图9所示，本发明还揭示了一种多级切片边缘交换设备的实现方法，包括：
设置多个转发模块，每个转发模块与所有接入设备均相连，
配置转发模块，且每个转发模块被配置为：
当接收多种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将高优先级的数据流量分配至硬管道中进行全流水线高优先级转发，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道进行转发；
当接收同种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
具体地，为了使边缘交换设备实现多级网络切片，可在原交换设备中设置多个转发模块，每个转发模块均与网络接入设备相连，也就是说需要添加至网络的网络接入设备需与每个转发模块相连。另外，每个转发模块还被配置为：当接收多种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将高优先级的数据流量分配至硬管道中进行全流水线高优先级转发，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道进行转发；和/或当接收同种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。本实施例中，边缘交换设备能够实现三级网络切片，当然，在其他实施例中，可以根据实际需求实现两级切片等，可根据实际需求进行选择。对于边缘交换设备如何实现多级网络切片具体详见上述，在此不再一一赘述。
本发明所述的多级切片边缘交换设备及其实现方法，适用于边缘和工业网络，其通过采用多级(优选三级)网络切片方案，一方面提供了多级切片保障，其中，第一级网络切片方案不仅提供了物理级的网络切片，还能够提高边缘和工业网络的可靠性及故障保护能力，对于边缘和工业网络的运维和故障恢复非常有帮助；第二级网络切片方案能够根据报文特征灵活地将数据流量分配至不同的转发通道(硬管道和普通转发通道)，高优先级的硬管道能够保障全流水线的优先转发；第三级网络切片方案能够满足同类型网络接入设备差异化网络服务质量的需求，另一方面为边缘和工业网络提供多层次、更精细、更可靠的边缘网络切片解决方案，为大规模的边缘和工业网络融合部署打下了切片技术基础。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种多级切片边缘交换设备，其特征在于，所述多级切片边缘交换设备包括
多个转发模块，每个转发模块与所有网络接入设备均相连，且每个转发模块被配置为：
当接收多种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将高优先级的数据流量分配至硬管道中进行全流水线高优先级转发，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道进行转发；和/或
当接收同种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
2.根据权利要求1所述的多级切片边缘交换设备，其特征在于，当任意一个转发模块出现故障时出现故障的转发模块所连接的网络接入设备将数据流量转发至其他正常工作的转发模块中。
3.根据权利要求1所述的多级切片边缘交换设备，其特征在于，所述转发模块根据报文的IP优先级或WLAN优先级或前导码或五元组信息将高优先级的数据流量分配至硬管道中，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道。
4.根据权利要求1所述的多级切片边缘交换设备，其特征在于，所述转发模块根据报文源IP地址或者目的IP地址或者源MAC地址或者目的MAC地址将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
5.根据权利要求1所述的多级切片边缘交换设备，其特征在于，多个QoS优先级队列通过SP队列调度算法或者WRR队列调度算法进行队列调度。
6.根据权利要求5所述的多级切片边缘交换设备，其特征在于，若多个网络接入设备发送的数据流量映射到同一个QoS优先级队列中，则通过WRR队列调度算法进行队列调度。
7.根据权利要求5所述的多级切片边缘交换设备，其特征在于，若多个网络接入设备发送的数据流量映射到不同QoS优先级队列中，则通过SP队列调度算法进行队列调度。
8.一种基于权利要求1～7任意一项所述的多级切片边缘交换设备的实现方法，其特征在于，包括
设置多个转发模块，每个转发模块与所有接入设备均相连；
配置转发模块，每个转发模块被配置为：
当接收多种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将高优先级的数据流量分配至硬管道中进行全流水线高优先级转发，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道进行转发；和/或
当接收同种类型的网络接入设备发送的数据流量时，根据数据报文的特征将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
9.根据权利要求8所述的实现方法，其特征在于，所述转发模块根据报文的IP优先级或WLAN优先级或前导码或五元组信息将高优先级的数据流量分配至硬管道中，将低优先级的数据流量分配至普通转发通道。
10.根据权利要求8所述的实现方法，其特征在于，所述转发模块根据报文源IP地址或者目的IP地址或者源MAC地址或者目的MAC地址将数据流量映射到多个QoS优先级队列中。
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