CN112688812A - 应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于以太网路由领域，涉及一种应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法，包括：步骤1.设置不重叠路径组，建立概率模型，衡量网络的可靠性，根据概率模型，选出路由候选解；步骤2.选出候选解列表后，建立成本函数；步骤3.通过基于蚁狮算法的启发式方法来最小化成本函数，找到的使得成本函数较小的最终路由解。本发明适用于工业场景之中，和传统方法相比，在提升路由方法可调度性的同时保证了其可靠性，从而保证了数据传输实时性。

Description

应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法

技术领域

本发明属于以太网路由领域，涉及一种应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法。

背景技术

电力物联网的目标是实现电力系统各环节万物互联、人机交互，形成具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。而就目前而言电网的计算和分析能力还十分欠缺。电力物联网“芯-端-边-网-云”的总体架构中，边指的是通过部署边缘计算装置、分布式数据中心等，构建边缘计算能力。边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算处于物理实体和工业连接之间，或处于物理实体的顶端。

边缘计算对数据传输的实时性有一定的要求。标准以太网自创建以来，以其简单、灵活的优势获得了广泛的应用和发展，成为物联网的重要应用。但由于标准以太网最初创建的目的是解决局域网内的信息传递和共享问题，并未考虑信息的实时传输。然而，由于一些固有的局限性，例如不确定性排队延迟和数据包冲突，很难通过以太网架构提供确定性的低等待时间通信。因此2005年，音视频桥接技术(Audio Video Bridging，AVB)问世。AVB协议对标准以太网协议进行了扩展，通过增加时钟同步、带宽预留等协议增强标准以太网音视频传输的实时性。但是随着工业应用对传输的安全性要求逐渐变高，AVB也逐渐无法满足实际应用的需求。因此2012年，IEEE 802.1小组将AVB更名为Time-Sensitive Network(TSN)，即时间敏感网络。TSN在此基础上继续进行协议的扩展和标准化工作，可以用于所有需要实时监控或实时反馈的工业领域。TSN是一种扩展的标准以太网技术，支持实时应用，该应用由于缓冲区拥塞和有限的端到端延迟而使数据包丢失为零。目前，主流的自动化厂商都发布了各自的TSN产品或者测试产品，像B&R在2017年SPS发布了TSN产品，而SIEMENS在2018年汉诺威展发布了Profinet over TSN的产品，2019年三菱发布了CC-Link IE TSN产品。华为、TTTech、CISCO、MOXA、赫斯曼等厂商也发布了TSN交换机产品。在芯片这个领域包括了NXP、XILINX、Intel、AD等厂商均发布了支持TSN的芯片组。保证TSN性能的关键在于时间同步和资源调度，时间同步是保证服务质量的前提，而资源调度是实现确定性传输的关键。资源调度分为两个过程：路由和调度。路由一般包含确定最佳路径和神经网络传输信息两个基本动作。在路由的过程中，后者也称为数据交换，交换相对来说比较简单，而选择路径较为复杂，因此路由技术主要针对选择路径进行进一步研究。

TSN是一个协议簇，其中包含多个子协议，不同子协议实现不同的功能，它们通过兼容协作为数据的传输提供确定性以及高可靠的服务。TSN协议通过时钟同步、带宽预留、门操作机制、帧抢占、循环队列转发等技术，提供了低时延、低抖动、极低数据丢失率的数据传输能力。为了启用802.1Q中定义的时间感知调度，TSN采用了精确的时间同步协议，例如802.1AS。这种协议允许网络中的所有网桥和终端系统(ES)以不到1μs的精度同步其本地时钟。针对于调度，在一个TSN网络中，根据需求，可为不同的消息分配不同的优先级，不同优先级的以太网帧到TSN交换机时会被分配到不同的队列中。而TSN交换机是支持基于优先级的调度，能够保证高优先级的队列得到优先处理。这种基于优先级的调度对高优先级的以太网帧具有非常大的优势，然而对于低优先级的以太网帧却是十分不公平的，因其可能被高优先级的以太网帧所阻塞，迟迟得不到处理。因此，TSN则为这种缺乏传输确定性的机制引入了新的网络调度、整形方法，并根据不同的应用场景需求提出了多种不同的整形器(Shaper)。上述协议的建立是为了保证网络传输的低时延，而针对于传输可靠性，由于TSN常应用于安全关键的场景，例如车载以太网，时间触发消息的传递必须容忍帧损坏以及失效链路。因此，为了容错，引入IEEE 802.1CB中定义的帧复制和可靠性消除(FRER)。FRER使用多个不相交路径传输消息，以容忍网络中单个故障。可以根据标准(例如，用于工业应用的IEC 61508)指定不连续路径的数量，即冗余级别(RL)。

为了减少数据在路径上的传输时间，通常采用的路由技术为最短路径路由。但对于TSN网络来说，最短路径可能导致某条路径上路由的流过多，从而使得这条路径上负载过大。在路由之后的调度综合阶段则可能出现调度失败的情况，使得TSN性能变差。同时采用单条路径路由无法实现容错性。因此，多路径路由被采用作为容错方式。而针对可调度性，目前已有的技术主要有将路由和调度联合建立约束，通过ILP/SMT求解。但这带来的缺陷主要有约束随网络面积增大而大幅度增多，导致求解时间大大增加，使得这种方法不适合于大规模问题。还有种方法是采用负载平衡的方法进行路由，即使得路由不再集中于最短路径，而是及可能的分散在网络之中。但是该技术没有考虑帧尺寸和帧周期在负载上带来的影响。综上所述，同时考虑可调度性和可靠性的路由技术目前还是处于空白阶段。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法，其具体技术方案如下。

一种应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法，包括：

步骤1.设置不重叠路径组，建立概率模型，衡量网络的可靠性，根据概率模型，选出路由候选解；

步骤2.选出候选解列表后，建立成本函数；

步骤3.通过基于蚁狮算法的启发式方法来最小化成本函数，找到的使得成本函数较小的最终路由解。

进一步的，所述步骤1具体包括：

步骤1.1.采用多路径路由，设置不重叠路径组，即：将同一起点和终点之间的个数等同于网络的冗余等级的没有共同路径的一组路径集称为NRS：Non-overlap route sets，表达式为：

其中[v_s，b_first]和[b_last，v_d]指起点主机v_s连接到第一个桥b_first的链路和最后一个桥b_last连接到终点主机v_d的链路，p_m含义为一组NRS中包含的路径，

为第1个路径p_m至第rl_m个路径p_m，L_m含义为p_m路径中包含的链路集合，

为任意两个链路集合的交叠，依据TSN协议FRER，这两条不被看做是重叠路径，而一个不重叠路径组里链路的个数等于网络的冗余等级。

步骤1.2.建立概率模型，衡量网络的可靠性：将网络中的所有链路分为可靠链路和不可靠链路两种，并分别给定两个概率P_r，P_ur，即数据在链路上进行一次传输时发生错误的概率，并以此计算某一条路径的可靠性，表达式为：

其中j和k分别为该条路径上可靠链路个数与不可靠链路个数；

然后求出一组不重叠路径组的可靠性，表达式为：

步骤1.3.根据所述概率模型，选出路由候选解，具体包括：

给定可靠性阈值范围P_th，首先计算网络中最短和最长的不重叠路径组，记长度分别为l_min和l_max，随后从最短的不重叠路径组开始找起，求出所有长度为l_min的路径组U，并分别计算其可靠性概率P后计入列表中，如果P<P_th，则将该路径组从列表中移去，并寻找总长度为l_min+1的路径，若有，则计算其可靠性概率，在阈值之内则将其加入列表，并按如上步骤寻找是否有总长度为l_min+2的路径，以此类推，当连续两个长度的路径都没有符合阈值要求的路径组时，视为网络中不存在符合要求的路径组，停止搜索。

进一步的，所述步骤2具体包括：

将成本定义为第一个目标

第二个目标

乘以各自的权重W1，W2，权重W1大于W2，成本函数Cost(R)为正数，具体为：

第一个目标

为路径组冲突程度的总和，所述冲突程度用于测量两个流之间的独立程度，设流s_i和s_j，这两个流之间的冲突程度为：

其中

为两条路径交叠的链路数量，si为该数据帧的尺寸，而pr为该数据帧的周期；

对网络中所有流之间两两计算冲突程度，成本函数的第一个目标函数为所有冲突程度之和，为：

其中w(i,j)为流s_i和s_j之间的冲突程度之和；

第二个目标

将定义流s_i流延时定义为s_i所对应的从起点至终点路径中所有数据链路的延时总和：

其中t_delay(l_i)含义为在链路l_i上的延时，而流s_i对应的延时τ(s_i)即为流s_i的路径p上所有链路延时之和；

第二个目标

通过最大化流延时和最后期限之差来从而使得流sm调度时的裕量更大，因此目标函数取负数：

其中dl_m为流s_m的最后期限，τ(s_m)即通过上式求得的流延时。

进一步的，所述步骤3具体包括：

步骤3.1.对候选的路由解进行编码，根据流数量以及每个流si候选解的数量确定蚂蚁和蚁狮的数量以及变量维数,在可行域范围内随机得到多组初始解决方案作为蚂蚁和蚁狮，即对每个流si的路由分配，并计算各自的成本函数值作为适应度；

步骤3.2.选择初始化蚁狮种群中适应度最好,即成本函数最小的路由组作为精英蚁狮；

步骤3.3.通过轮盘赌原则为每只蚂蚁选择蚁狮，并使得蚂蚁在蚁狮附近随机游走，最后取平均值作为蚂蚁的位置，计算蚂蚁所对应的成本函数值，当蚂蚁的成本函数值比其蚁狮更小的时候，该蚂蚁则将取代蚁狮；最后适应度最高的蚁狮作为精英蚁狮；

步骤3.4.迭代后将重新计算蚂蚁和蚁狮的适应度，并执行步骤3.2和步骤3.3，直至达到最大迭代次数，最终输出精英蚁狮，即为经过ALO优化后找到的使得成本函数较小的最终路由解。

本发明的方法可作为基础TSN网络协议的拓展，使TSN更适用于对消息传输可靠性要求较高的场景，适用于工业场景之中，考虑连接以太网交换机的物理链路可靠性不一致的情况，和传统方法相比，在提升路由方法可调度性的同时保证了其可靠性，从而保证了数据传输实时性。

附图说明

图1本发明的选择候选路由解流程示意图；

图2本发明的基于蚁狮算法的启发式方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明作进一步详细说明。

一种应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法，包括：

步骤1.设置不重叠路径组，建立概率模型，衡量网络的可靠性，根据概率模型，选出路由候选解；

步骤2.选出候选解列表后，建立成本函数；

步骤3.通过基于蚁狮算法的启发式方法来最小化成本函数，找到的使得成本函数较小的最终路由解。

所述步骤1具体包括：

采用多路径路由来提高TSN的可靠性，具体的，设置不重叠路径组，即：将同一起点和终点之间的个数等同于网络的冗余等级的没有共同路径的一组路径集称为NRS：Non-overlap route sets，表达式为：

其中[v_s，b_first]和[b_last，v_d]指起点主机v_s连接到第一个桥b_first的链路和最后一个桥b_last连接到终点主机v_d的链路，p_m含义为一组NRS中包含的路径，

为第1个路径p_m至第rl_m个路径p_m，L_m含义为p_m路径中包含的链路集合，

为任意两个链路集合的交叠，而一个不重叠路径组里链路的个数等于网络的冗余等级，依据TSN协议FRER，这两条不被看做是重叠路径，因为消息在第一个桥上进行复制，在最后一个桥上消除，因此并没有发生帧的重叠。

之后，通过概率模型来衡量网络的可靠性，具体的：将网络中的所有链路分为可靠链路和不可靠链路两种，并分别给定两个概率P_r，P_ur，即数据在链路上进行一次传输时发生错误的概率，并以此计算某一条路径的可靠性，表达式为：

其中j和k分别为该条路径上可靠链路个数与不可靠链路个数；

然后求出一组不重叠路径组的可靠性，表达式为：

如图1所示，根据所述概率模型，选出路由候选解，具体包括：

给定可靠性阈值范围P_th，首先计算网络中最短和最长的不重叠路径组，记长度分别为l_min和l_max，随后从最短的不重叠路径组开始找起，求出所有长度为l_min的路径组U，并分别计算其可靠性概率P后计入列表中，如果P<P_th，则将该路径组从列表中移去，并寻找总长度为l_min+1的路径，若有，则计算其可靠性概率，在阈值之内则将其加入列表，并按如上步骤寻找是否有总长度为l_min+2的路径，以此类推。当连续两个长度的路径都没有符合阈值要求的路径组时，视为网络中不存在符合要求的路径组，停止搜索。该步骤输入流的源/目的，网路拓扑、阈值和每条链路的概率作为权重，输出为列表，包含所有符合阈值要求的NORS路径集合。这个步骤不仅通过筛选掉包含不可靠链路导致可靠性下降的路由组，提高了系统的可靠性，同时减少了后续启发式算算法的搜索空间。

所述步骤2具体包括：

将成本定义为第一个目标

第二个目标

乘以各自的权重W1，W2，具体为：

第一个目标

为路径组冲突程度的总和，所述冲突程度用于测量两个流之间的独立程度，设流s_i和s_j，这两个流之间的冲突程度为：

其中

为两条路径交叠的链路数量，si为该数据帧的尺寸，而pr为该数据帧的周期；冲突程度是对路由可调度性的一个评估。当一组路由重叠路径越多，所对应的帧尺寸越大，发送周期越小，则意味着这组路由可调度性越差。对网络中所有流之间两两计算冲突程度，成本函数的第一个目标函数为所有冲突程度之和，为：

第二个目标

为了减小传输的流延时，将定义流s_i流延时定义为s_i所对应的从起点至终点路径P中所有数据链路的延时总和：

其中t_delay(l_i)含义为在链路l_i上的延时，而流s_i对应的延时τ(s_i)即为流s_i的路径p上所有链路延时之和；

第二个目标

通过最大化流延时和最后期限之差来从而使得流s_m调度时的裕量更大，因此目标函数取负数：

其中dl_m为流s_m的最后期限，τ(s_m)即通过上式求得的流延时。

本发明最主要的目的在于解决可调度性，第二个目标

旨在当冲突程度相同时，选出最差流延时更小的路由解，剩余的空隙可以用来传输AVB/BE流，提高利用率，因此权重W₁远大于W₂,从而保证成本函数Cost(R)是一个正数。

所述步骤3具体包括：

蚁狮优化(Ant Lion Optimizer，ALO)算法是Mirjalili于2015提出的一种新型元启发式群智能算法,它在候选解的搜索空间中搜索使成本函数最小化的解决方案。ALO算法通过数值模拟实现蚂蚁和蚁狮之间的相互作用将问题优化：引入蚂蚁的随机游走实现全局搜索，通过轮盘赌策略和精英策略保证种群的多样性和算法的寻优性能。蚁狮相当于优化问题的解，通过猎捕高适应度的蚂蚁实现对近似最优解的更新和保存。

基于蚁狮算法，在其基础上进行了修改，使得蚁狮算法可以对本发明提出的路由解集进行优化，寻找可以使成本函数最小的解为最终路由。

如图2所示，所述基于蚁狮算法的启发式方法，包括：

(i)对候选的路由解进行编码，根据流数量以及每个流si候选解的数量确定蚂蚁和蚁狮的数量以及变量维数。在可行域范围内随机得到多组初始解决方案作为蚂蚁和蚁狮，即对每个流si的路由分配，并计算各自的成本函数值作为适应度；

(ii)选择初始化蚁狮种群中适应度最好,即成本函数最小的解决方案作为精英蚁狮；

(iii)通过轮盘赌原则为每只蚂蚁选择蚁狮，适应度越高的蚁狮捕获蚂蚁的概率越大，并使得蚂蚁在蚁狮附近随机游走，最后取平均值作为蚂蚁的位置，计算蚂蚁所对应的路由解决方案的成本函数值，当蚂蚁的成本函数值比其蚁狮更小的时候，该蚂蚁则将取代蚁狮；最后适应度最高的蚁狮作为精英蚁狮；

ALO是一种迭代算法，每次迭代后将重新计算蚂蚁和蚁狮的适应度，并执行阶段(ii)和(iii)，直至达到最大迭代次数，最终输出精英蚁狮，即为经过ALO优化后找到的使得成本函数较小的最终路由解。

Claims (4)

1.一种应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法，其特征在于，包括：

步骤1.设置不重叠路径组，建立概率模型，衡量网络的可靠性，根据概率模型，选出路由候选解；

步骤2.选出候选解列表后，建立成本函数；

步骤3.通过基于蚁狮算法的启发式方法来最小化成本函数，找到的使得成本函数较小的最终路由解。

2.如权利要求1所述的一种应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤1.1.采用多路径路由，设置不重叠路径组，即：将同一起点和终点之间的个数等同于网络的冗余等级的没有共同路径的一组路径集称为NRS：Non-overlap route sets，表达式为：

其中[v_s，b_first]和[b_last，v_d]指起点主机v_s连接到第一个桥b_first的链路和最后一个桥b_last连接到终点主机v_d的链路，p_m含义为一组NRS中包含的路径，

为第1个路径p_m至第rl_m个路径p_m，L_m含义为p_m路径中包含的链路集合，

为任意两个链路集合的交叠，依据TSN协议FRER，这两条不被看做是重叠路径，而一个不重叠路径组里链路的个数等于网络的冗余等级。

步骤1.2.建立概率模型，衡量网络的可靠性：将网络中的所有链路分为可靠链路和不可靠链路两种，并分别给定两个概率P_r，P_ur，即数据在链路上进行一次传输时发生错误的概率，并以此计算某一条路径的可靠性，表达式为：

其中j和k分别为该条路径上可靠链路个数与不可靠链路个数；

然后求出一组不重叠路径组的可靠性，表达式为：

步骤1.3.根据所述概率模型，选出路由候选解，具体包括：

给定可靠性阈值范围P_th，首先计算网络中最短和最长的不重叠路径组，记长度分别为l_min和l_max，随后从最短的不重叠路径组开始找起，求出所有长度为l_min的路径组U，并分别计算其可靠性概率P后计入列表中，如果P＜P_th，则将该路径组从列表中移去，并寻找总长度为l_min+1的路径，若有，则计算其可靠性概率，在阈值之内则将其加入列表，并按如上步骤寻找是否有总长度为l_min+2的路径，以此类推，当连续两个长度的路径都没有符合阈值要求的路径组时，视为网络中不存在符合要求的路径组，停止搜索。

3.如权利要求2所述的一种应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

将成本定义为第一个目标

第二个目标

乘以各自的权重W1，W2，权重W1大于W2，成本函数Cost(R)为正数，具体为：

第一个目标

为路径组冲突程度的总和，所述冲突程度用于测量两个流之间的独立程度，设流s_i和s_j，这两个流之间的冲突程度为：

其中

为两条路径交叠的链路数量，si为该数据帧的尺寸，而pr为该数据帧的周期；

对网络中所有流之间两两计算冲突程度，成本函数的第一个目标函数为所有冲突程度之和，为：

其中w(i，j)为流s_i和s_j之间的冲突程度之和；

第二个目标

将定义流s_i流延时定义为s_i所对应的从起点至终点路径p中所有数据链路的延时总和：

其中t_delay(l_i)含义为在链路l_i上的延时，而流s_i对应的延时τ(s_i)即为流s_i的路径p上所有链路延时之和；

第二个目标

通过最大化流延时和最后期限之差来从而使得流sm调度时的裕量更大，因此目标函数取负数：

其中dl_m为流s_m的最后期限，τ(s_m)即通过上式求得的流延时。

4.如权利要求3所述的一种应用于电力数据传输的可靠性感知时间敏感网络路由方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤3.1.对候选的路由解进行编码，根据流数量以及每个流si候选解的数量确定蚂蚁和蚁狮的数量以及变量维数，在可行域范围内随机得到多组初始解决方案作为蚂蚁和蚁狮，即对每个流si的路由分配，并计算各自的成本函数值作为适应度；

步骤3.2.选择初始化蚁狮种群中适应度最好，即成本函数最小的路由组作为精英蚁狮；

步骤3.3.通过轮盘赌原则为每只蚂蚁选择蚁狮，并使得蚂蚁在蚁狮附近随机游走，最后取平均值作为蚂蚁的位置，计算蚂蚁所对应的成本函数值，当蚂蚁的成本函数值比其蚁狮更小的时候，该蚂蚁则将取代蚁狮；最后适应度最高的蚁狮作为精英蚁狮；

步骤3.4.迭代后将重新计算蚂蚁和蚁狮的适应度，并执行步骤3.2和步骤3.3，直至达到最大迭代次数，最终输出精英蚁狮，即为经过ALO优化后找到的使得成本函数较小的最终路由解。

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